Особого внимания заслуживает БТГ (блок тактового генератора). Его задача состоит в том, чтобы генерировать импульсную тактовую последовательность с нужной частотой, и заданными параметрами изменения этой частоты во времени. И решение такой задачи иногда требует самых нетривиальных подходов и схемотехники.
Самый простой БТГ у ревербератора. Этому устройсту не требуется постоянного изменения тактовой частоты (девиации). В большинстве случаев достаточно "ручкой" выставить требуемую частоту перестраиваемого в каких-то пределах единственного генератора импульсов. Схемотехника генератора может быть самая разная - от мультивибратора на дискретных элементов, до генератора импульсов на интегральном триггере Шмидта, или ОУ, охваченном положительной обратной связью.
Но проще всего реализовать такой генератор на таймере NE555 (отечественный аналог - 1001ВИ1), или на специализированной микросхеме CD4046 (отечественный аналог - 561ГГ1).
Схемы перестраиваемых генераторов тактовой частоты на перечисленных микросхемах изображены не Рис.10.
Первая микросхема (NE555) - универсальный таймер - формирователь импульсов, так же способный работать в режиме управляемого автогенератора. Схема достаточно проста, и не требует каких-либо пояснений. При использовании NE555 следует иметь в виду, что скважность выходного сигнала сильно изменяется при перестройки частоты, кроме того, микросхема имеет только один выход. Для получения на выходе БТГ парафазного меандра, следует выходную частоту генератора поделить с помощью дополнительного триггера-делителя. Разумеется, собственная частота генератора при этом должна быть увеличена вдвое.
Частоту генерации и требуемые номиналы времязадающей цепи для автогенератора на NE555 можно с достаточной точностью рассчитать по формуле: f = 1,5/((R1+R2+2*R3)*C), при этом номинал сопротивления R1 и R3 не следует выбирать менее 1 кОм, т.к. от R1 зависит ток, потребляемый устройством на максимальной частоте генерации, а от R3 - скважность выходных импульсов. Максимальная рабочая частота генератора на мс NE555 порядка 500 кГц.
К недостаткам микросхемы следует отнести довольно значительный ток потребления, который при напряжении питания 10 вольт достигает 10-12 мА.
Вторая микросхема (CD4046) - это сложное микромощное многофункциональное устройство, на котором реализуются всевозможные ЧМ кодеры/декодеры, синтезаторы частоты, схемы ФАПЧ, частотные детекторы, и т.д. В ее основе лежит генератор, управляемый напряжением (ГУН) - т.е. частота импульсов на выходе устройства зависит от величины (уровня) напряжения на его входе. Именно эта особенность делает микросхему весьма интересной для применения в качестве основного узла БТГ. Кроме того, микросхема построена по КМОП-технологии, в связи с чем потребляемая микросхемой мощность при 10 вольтовом питании не превышает 0,0001 Вт (потребляемый ток ~10 мкА, что в 1000 раз меньше, чем у таймера 555), а максимальная частота генерации достигает ~1,4 МГц.
Расчет частоты генератора на CD4046 довольно сложен, т.к. частота зависит не только от номиналов времязадающих элементов, но и от напряжения, подводимого к времязадающей цепи.
При С = 100 пф, R1 = 10 кОм, R2 = 1МОм, Uпит = 10 вольт, R3 = R4, частота генерации при верхнем положении движка R3 будет равна ~ 700 кГц, и ~ 50 кГц при нижнем положении движка R3. Диапазон перестройки генератора зависит и от номинала R2 - при его увеличении диапазон регулировки увеличивается, при уменьшении - уменьшается.
Микросхема CD4046 имеет возможность сформировать противофазный выходной сигнал. Для этого достаточно выход ГУН (4-я ножка микросхемы) соединить со входом имеющегося инвертора (3-я ножка микросхемы), и на 2-й ножке микросхемы появится инвертированный (противофазный) сигнал относительно сигнала на 4-й ножке. Эти соединения показаны на Рис.10 пунктирными линиями. Правда, разработчик не гарантирует требуемую скважность выходного сигнала, поэтому более целесообразно, как и в случае таймера 555, использовать дополнительный треггер-делитель.
Мы рассмотрели два схемных варианта управляемого тактового генератора. В обоих случаях перестройка частоты осуществлялась путем механической регулировки - поворотом движка потенциометра, задающего тактовую частоту. Как было сказано выше, такой способ регулировки тактовой частоты применяется в ревербераторах и делеях.
Далее будет рассмотрена работа этих же генераторов в режиме "чистого" ГУН, т.е. частота выходных импульсов бедет задаваться не ручкой-регулятором, а внешним напряжением, которое, в свою очередь, будет изменяться во времени по определенному закону. Такая регулировка применяется во фленджерах и хорусах.
При рассмотрении принципа работы фленджера было отмечено, что для достижения требуемого звукового эффекта ("полетности" звука) тактовая частота УАЛЗ должна изменяться во времени. Но формально закон изменения частоты не был определен. Тем не менее, такой закон есть. В графическом виде он изображен на Рис. 11.
Из графика видно, что тактовая частота периодически изменяется по линейному закону от максимальной до минимальной и обратно, а график управляющего сигнала имеет треугольную форму . При этом время Т1, в течение которого частота возрастает, равно времени Т2, в течении которого частота уменьшается. Учитывая, что время реальной УАЛЗ много меньше Т1 и Т2, субъективно мы слышим в течение Т1 повышение тона основного сигнала, а в течение Т2 - понижение этого тона. Чем быстрее изменяется тактовая частота, тем бОльшую расстройку основного тона мы слышим, но и тем быстрее заканчивается процесс повышения/понижения тона. При значительном увеличении скорости девиации (частоты треугольной модуляции f тактовой), эффект фленджера исчезает, но появляется эффект частотного тремоло, или частотного вибрато.
Т1 и Т2 у хороших моделей фленджеров может достигать нескольких секунд, в течение которых тактовая частота порой изменяется в ту или иную сторону до 10 и более раз.
Каким же образом обеспечить такое изменение тактовой частоты? Очевидно, что нужно сгенерировать периодический сигнал требуемой треугольной формы.
Генераторы, способные вырабатывать подобные сигналы, имеют название функциональных. Как правило, они имеют несколько выходов, на которых одновременно формируются сигналы прямоугольной, треугольной, пилообразной, и синусоидальной формы. Промышленно выпускаются специализированные микросхемы функциональных генераторов, но они достаточно дифицитны и, насколько я знаю, не дешевы.
Но в данный момент нас интересует только треугольный сигнал, поэтому разберем схемотехнику, позволяющую реализовать такую форму. Проще всего это сделать на двух ОУ, один из которых будет выполнять роль компаратора с гистерезисом, а второй - роль интегратора.
Схема генератора периодического сигнала треугольной формы изображена на Рис.12. Как видно из схемы, первый ОУ охвачен положительной обратной связью, которая определяет величину гистерезиса. Считается оптимальным, когда гистерезис компаратора функционального генератора равен примерно 2/3 от напряжения питания. Это значит, что верхний порог срабатывания меньше U питания примерно на 1/6 Uпитания, а нижний порог настолько же больше нуля. Тогда при напряжении питания устройства 9 вольт, нижний порог будет равен 1,5 вольтам, а верхний - 7,5 вольтам. Следовательно, компаратор на ОУ1 будет "перекидываться" в те моменты, когда напряжение на его неинвертирующем входе станет больше 7,5 вольт или меньше 1,5 вольт. В результате на выходе ОУ1 будет формироваться выходной сигнал, равный нулю, или напряжению питания. Такой режим иначе называется триггерным.
На ОУ2 реализован низкочастотный интергатор. Этот ОУ так же охвачен обратной связью, но отрицательной, и только по переменному току, за счет включения между выходом ОУ и его инвертирующим входом конденсатора С1. При подаче на вход интегратора (левый вывод R4) высокого уровня, на его входе начинает формироваться линейноспадающий сигнал, который через R1 одновременно поступает и на неинвертирующий вход ОУ1, напряжение на выходе которого в этот момент равно (или близко) напряжению питания Uпит.
R1 и R2 выполняют роль сумматора напряжения.
Как только ток, протекающий через R1 превысит ток, протекающий через R2 (а это произойдет в тот момент, когда напряжение на выходе УО2 станет равным 1/6 Uпит, или ~1,5 вольт), компаратор УО1 переключит свой выход с высокого состояния в низкое. В тот же момент интегратор ОУ2 изменит направление изменения напряжения на своем выходе на противоположное - начнется линейное увеличение напряжения на его выходе. В тот момент, когда напряжение на выходе интегратора достигнет величины ~7,5 вольт, компаратор ОУ1 снова переключит свой выход в высокое состояние, и далее процесс будет повторяться бесконечно. В точке А (выход компаратора) сигнал имеет прямоугольную форму, в точке Б (выход интегратора) - треугольную форму.
Указанные на схеме номиналы деталей примерно соответствуют требуемым для реализации генератора сигнала треугольной формы. Потенциометром R3 регулируется частота треугольного сигнала (скорость "полета" звука), а потенциометром R5 - глубина эффекта.
Если теперь сигнал с потенциометра R5 подать на левый вывод резистора, подключенного к 9 ножке микросхемы CD4046 на Рис.10, то на выходе 4 этой микросхемы мы получим сигнал, частота которого будет изменяться во времени синхронно с частотой функционального генератора, изображенного на Рис.12.
Перевод тактового генератора на NE555 в режим ГУН осуществляется аналогично - модулирующее напряжение треугольной формы подается на верхний вывод R1, который следует оторвать от шины U питания. R2 в этом случае становится не нужным, и его можно просто закоротить.
БТГ хоруса можно реализовать по схеме БТГ фленджера. Достаточно лишь изменить некоторые параметры тактового генератора, точнее - обоих генераторов, входящих в состав БТГ.
Но при этом удастся получить только "двухточечный" или двухголосый униссон, который и хором-то назвать язык не поворачивается. Да и этот "двухточечный" униссон только отдаленно будет напоминать живое двухголосье.
Можно ли простыми и доступными для повторения средствами реализовать многоголосый хорус с естественным звучанием? Разумеется можно!
Начнем с трехголосого хоруса на базе микросхемы 528БР2 (или любого ее аналога). Как мы помним, эта мс состоит из двух отдельных УАЛЗ длиной по 512 бит.
Не айс, как говорится, но на безрыбье и сам в позу встанешь...
Первое, что необходимо сделать - это разделить цепи тактирования каждой половинки микросхемы, и управлять каждой линейкой от своего БТГ, состоящего из ФГ (функционального генератора) и ТГ (ьактового генератора), построенных по одинаковым схемам. Тогда, за счет разброса номиналов деталей, параметры двух БТГ будут несколько отличаться даже при точной настройке. И это привнесет определенный цимес в звучание эффекта.
Можно пойти другим путем. Оставить один ФГ, но инвертировать его выходной треугольный сигнал для того, чтобы получить два противофазных сигнала управления. Если теперь эти сигналы подать на два разных ТГ, то их выходные частоты будут изменяться во времени в противоположные стороны - когда частота ТГ1 будет повышаться, частота ТГ2 будет понижаться, и наоборот.
Запитав от двух ТГ две линейки БР2, мы будем иметь на выходе девайса уже три голоса: основной (чистый), и два дополнительных (задержанных), но время задержки каждого из двух дополнительных голосов будет изменяться в противоположную от "соседа" сторону. Ну чем не трехголосье!?
В идеале при этом обеспечить и раздельные органы настройки для каждого ТГ (средняя частота, глубина), независимые ЦОС для каждой линейки, а также реализовать трехвходовый МИКС на выходе, и тогда можно будет параметры "хора" варьировать в очень широких пределах.
Но даже при таком усложнении схемы, синтезированное трехголосье останется мертвым, точнее - механистичным, так как все "переливы" этого униссона будет очень прогнозируемы, стабильны, и неизменно-повторяемыми во времени. А у живого многоголосья всегда есть некоторая непредсказуемая нестабильность...
Оказывается, электронными методами можно съимитировать и эту нестабильность! Как? Да очень просто - добавить в схему БТГ еще один генератор - генератор низкочастотного шума (ГНЧШ) - который будет по хаотичному закону в небольшой степени искажать идеальную треугольную форму сигнала ФГ. Лучше - обоих ФГ. А еще лучше, если и ГНЧШ будет парочка, с разным спектром шумов.
Но вместо генератора шума можно использовать генератор случайних чисел (ГСЧ) .
Как реализовать ГСЧ, и намного ли это усложнит схему устройства?
В действительности, ГСЧ довольно сложные устройства, обычно реализуемые программными способами на вычислительных процессорах большой мощности. Но нам будет достаточно генератора псевдослучайных последовательностей (ГПСП), который гораздо проще - его можно построить на обычном сдвиговом регистре - цепочке последовательно включенных D-триггеров с параллельным управлением, охваченном несколькими цепями обратной связи, которые позволят исключить одновременную запись во все биты регистра сдвига логического нуля (такая комбинация остановит процесс генерации псевдослучайной последовательности).
Человеческое ухо способно зафиксировать повторяемость (периодичность) какого-то акустического процесса в том случае, если его период не превышает определенного времени (обычно - не более 2-3 секунд). Если период процесса длится больше, то для слуховых рецепторов он превращается в апериодический, т.е. ухо уже не способно отследить его повторы, а главное - сравнить эти повторы.
Этот "недостаток" нашего слуха и позволяет использовать в требуемых целях не ГСП, а ГПСП.
Для генерации достаточно длительной последовательности требуется большая длина регистра. Так, на 8-разрядном регистре максимальная длина последовательности будет составлять 255 тактов, а 12-разрядный регистр позволит генерировать последовательность длительностью уже 4.096 тактов. В течение этого времени можно считать последовательность импульсов на выходе регистра случайной, но затем она начнет повторятся. Это характеризуется равновероятным появлением на выходе устройства логического нуля или логической единицы в любой последующий такт. У идеального ГСП такая вероятность приближается к 50% - никогда нельзя предугадать, какой сигнал появится на выходе устройства в следующий момент времени. При этом равновероятно появления на выходе любой последовательности нулей и единиц, общей длиной, равной длине сдвигового регистра. Исключение составялет лишь комбинация из всех нулей, как уже отмечалось, эта комбинация прекращает генерацию псевдослучайной последовательности. Для предотвращения возникновения такой комбинации сдвиговый регистр охватывается обратной связью из определенных точек (промежуточных выходов) регистра. Их расчет для конкретной длины регистра довольно сложен, поэтому далее буду пользоваться табличными данными из справочника по вычислительной техники.
Проинтегрировав выходной сигнал ГПСП мы получим "псевдошум", а максимальная частота спектра такого псевдошума будет равна частоте тактирования регистра сдвига.
Учитывая, что нас интересует именно низкочастотный участок шумового диапазона, примем тактовую частоту ГПСП равной 50 герцам. Нижняя частота спектра шума будет равна тактовой частоте, деленной на число бит регистра сдвига.
Рассмотрим возможность использования в качестве регистра сдвига ГПСП распространенных и доступных отечественных микросхем 561ИР13 (12-разрядный сдвиговый регистр) и 561ИР2 (два 4-разрядных сдвиговыхй регистра). Последняя микросхема имеет зарубежный аналог - CD4015, а вот аналога нашей 561ИР13 я не знаю. При выбранной тактовой частоте 50 Гц, длительность генерируемой последовательности на 8-разрядном регистре, составленном из двух последовательновключенных 4-разрядных: (2^8 - 1)/50 = ~ 5 сек, а периодичность последовательности на 12-разрядном регистре будет уже более 80 секунд.
В продаже есть и более длинные регистры сдвига, допустим, 561ИР10, и ее аналог CD4006, на которых можно построить 18-разрядный резистр.
Чтобы исключить недопустимую комбинацию "все нули" для такого регистра было бы достаточно всего двух промежуточных выходов (11 и 18). Но, к сожалению, эта микросхема не имеет физического вывода от нужного 11-го разряда, что исключает ее применение в качестве ГПСП.
Упрощенные схемы ГПСП на микросхемах ИР2 и ИР13 приведены на Рис.13. В качестве тактирующего генератора можно применить генератор, аналогичный ТГ фленджера с Рис.10, соответственно изменив номиналы деталей для получения требуемой частоты.
Как видно из приведенных схем, ригистры охвачены разными цепями ОС - для исключения запрещенной комбинации "все нули" в обоих случаях требуется обработать сигнал с четырех промежуточных выходов, но нумерация этих выводов (бит, или разрядов) различная.
В обоих случаях сигналы с промежуточных разрядов объединяются через логическую схему "исключающее ИЛИ", которая "пропускает" на выход сигнал с уровнем логической единицы только в том случае, когда логическая единица присутствует только на одном (любом) ее входе. В противном случае, сигнал на выходе схемы "исключающее ИЛИ" соответствует логическому нулю. В качестве такой схемы можно использовать мс 561ЛЕ6 (или ее аналог CD4002) в корпусе которой имеется 2 элемента "4 исключающих ИЛИ/НЕ". Первый элемент используется по прямому назначению, а второй инвертирует сигнал с выхода первого элемент. Выходной сигнал можно снимать с любого выхода регистра - цифровая последовательность "крутится" в регистре по замкнутому кольцу, и последовательно проходит каждый из выходов. Сигнал ГПСП подается непосредственно на инвертирующий вход ОУ2 интегратора ФГ, изображенного на Рис. 12. Уровень "шума" регулируется потенциометром ГПСП. Величина постоянного резистора со среднего вывода этого потенциометра должна быть одного порядка с резистором интегратора (~1 МОм). Сигнал ГПСП будет суммироваться с сигналом ФГ, и после интегрирования исказит линейную форму модуляции, придав ей естественную нестабильность.
Кстати говоря, треугольная форма модулирующего сигнала ФГ для хоруса не является оптимальной. Гораздо интереснее звучание, полученное модуляцией тактовой частоты синусоидой.
Преобразовать треугольник в сигнал, похожий по форме на синусоиду, можно с помощью схемы, приведенной на Рис. 14.
В качестве активного элемента здесь использован обычный логический элемент - инвертор (практически любой логический элемент, имеющий инвертор на выходе), который путем ООС по постоянному току переводится в режим, близкий к линейному. Верхушки треугольника при этом несколько обрезаются. Величину "обрезания" можно регулировать, изменяя уровень входного напряжения на входе "обрезателя", и величиной резистора обратной связи. Разумеется, чистую синусоиду таким образом получить не удастся, но "причесать" верхушки треугольника вполне можно.
Достоиством такого ограничителя является "мягкость" ограничения, при которой форма сигнала не ограничивается резко, а как бы плавно искажается, придавая обрезаемой верхушке треугольника форму, напоминающую верхушку синусоиды.
Следует иметь в виду, что регулировать уровень модулирующего сигнала и поступающего с этого узла на ТГ нужно непосредственно перед входом ТГ
Для получения максимального хорового эффекта желательно сделать два одинаковых БТГ, в состав которого будут входить ТГ, ФГ и ГПСП. Сигналом с БТГ1 тактировать первую линейку, а сигналом с БГТ2 - вторую. Еще лучший результат можно будет получить, используя в качестве линий задержки две отдельные микросхемы 528БР2, с последовательным включением линеек в каждой из них.
Ну а если применить еще парочку БР-ок, да столько же дополнительных БТГ, то на выходе уже получится хор имени Пятницкого!
Описанных выше схемных решений с использованием ГПСП я не встречал ни в одной известной мне музыкальной примочке.
Впервые я применил подобную схемотехнику еще в конце 70-х годов прошлого века, когда серьезно занимался анализом психоакустики, и активно конструировал собственные различные музыкальные эффекты. По отзывам тех, кто слышал мой первый хорус, построенный по такому принципу, и собранный еще на микросхемах 528БР1, естественность звучания эффекта была на много выше, чем у доступных в то время фирменных приставок.
Сообщение отредактировал Valentinych: 13 июля 2009 - 13:31
Помощь
