Come dovrebbe funzionare questa applicazione CD4013?

Sto cercando di risolvere un problema in un sintetizzatore che ho, un sintetizzatore dei primi anni '80 di Roland chiamato RS-09. Sto solo iniziando a studiare la logica e sono perplesso per quello che sta succedendo. In questo sintetizzatore, un 4013 viene utilizzato come divisore di frequenza per dividere o meno un segnale di trigger da un oscillatore principale in base al fatto che l'utente abbia selezionato una funzione chiamata "Ottava giù" tramite un interruttore. L'uscita Q del 4013 passa quindi a un "generatore di ottava superiore" che lo utilizza per generare le 12 note di una scala cromatica da cui vengono quindi create tutte le altre note. In questo momento funziona solo in modalità "Octave down"; senza "Octave down" selezionato, tutti i tasti producono solo rumore. Ecco un primo piano di questa parte dello schema. La linea verticale etichettata con "10" si collega allo switch,

Il 4013 è impostato in modo che la tensione "alta" sia 0 V e la tensione "bassa" sia -10 V (la freccia in giù è -10 V). Quando si seleziona "Octave down" e si suppone che il 4013 si divida, l'interruttore applica -10V che invia un po 'meno di quel -10V a SET (pin 8) tramite il resistore da 15kohm; quando "Octave down" non è selezionato, 0V è collegato a quel percorso. In modalità Octave down, quel -10V è anche in grado di passare attraverso il diodo D206 per RESET (pin 10) (meno 0,6-0,7 V dalla caduta del diodo) e con reset e impostazione mantenuti nello stato basso, il flip flop è in modalità orologio, rispondendo al segnale di trigger dall'oscillatore principale. Questo sembra funzionare bene. Con Q / collegato a D così com'è, il flip flop "divide binariamente" e Q emette un'onda quadra a 1/2 della frequenza del trigger.

Il mio problema è che non capisco cosa dovrebbe succedere quando "Octave down" non è selezionato. Non vedo come potrebbe funzionare, e non funziona. Questo è ciò che capisco, ma qualcosa deve essere sbagliato:

~ 0V su SET lo mantiene nello stato alto ma non può passare da D206 a RESET, lasciando il reset aperto alla ricezione delle sue "istruzioni" dall'oscillatore (modalità diretta). L'oscillatore di trigger inizia a oscillare tra +5 e -10 V, ma il diodo lo blocca a 0 V per tagliare la parte positiva e viene quindi inviato a RESET [modifica: questo non è esattamente ciò che sta realmente accadendo - vedere le immagini dell'oscilloscopio di seguito]. Ma con il Set tenuto alto, gli unici risultati possibili per Q sono lo stato alto quando l'oscillatore è al suo punto più basso inviando ~ -10V a Reset, quando Q è alto e Q / è 0 e lo "stato non consentito" di entrambi Imposta e resetta su alto, portando sia a Q che a Q / essendo alto, quando l'oscillatore è nel suo punto più alto. Pertanto, Q invia semplicemente una "alta tensione" costante (0V in questo caso) con un po 'di rumore. Questo è quello che mi aspetterei e quello che sto vedendo fare. Le misurazioni del mio misuratore e dell'oscilloscopio confermano che questo è ciò che sta accadendo.

Come dovrebbe funzionare? C'è qualcosa di chiaramente sbagliato sia nella mia interpretazione di come dovrebbe funzionare sia nel modo in cui il circuito sta effettivamente funzionando, ma l'ho esaminato così tante volte e ancora non riesco a capirlo.

Il tuo aiuto è molto apprezzato!

Modifica: sto aggiungendo questi scatti dell'oscilloscopio che mostrano diversi ingressi e uscite nell'impostazione che non funziona (ottava più alta). Ho lasciato la posizione verticale in cui il centro è 0 V per mostrare le loro posizioni relative. Sono su 0,5 V / div. Sono stato sorpreso di vedere quanto sia negativa la forma d'onda a Reset e quanto piccola sia l'ampiezza. Questo è un po 'diverso da quello che pensavo di aver osservato prima e apparentemente "errato".

L'uscita dell'oscillatore principale (dove arriva a CLOCK) non è nemmeno una forma d'onda di trigger di bell'aspetto, e la mia comprensione era che 4013 richiede un buon trigger, ma sembra funzionare in modalità clock, quindi forse non è un problema.

So che questa discussione è andata in letargo, ma ho pensato che sarebbe una buona idea pubblicare comunque nel caso in cui sarebbe utile a qualcuno che lavora su un vecchio synth Roland con problemi basati su 4013.

In particolare, ho lavorato sull'orologio dell'arpeggiatore interno sulla scheda di assegnazione dei tasti di un Roland Jupiter-4 (il Jupiter-4 è stato rilasciato lo stesso anno dell'RS-09). Il circuito in questione è di seguito:

Inizialmente, sembrerebbe che, con la linea Set (pin 6) del primo flip-flop legato in alto, non ci sarebbe modo che il 1Q (pin 1) fosse diverso dall'alto, in modo che il segnale in CP5 sarebbe essere fissato in alto, decisamente non l'onda del polso mostrata nel diagramma. E questo è effettivamente ciò che accade se si utilizza nel circuito un moderno CD4013 con il comportamento convenzionale di Set / Reset (ovvero, quando sia Set che Reset sono alti, sia Q che Q / sono alti). Tuttavia, sembra che non tutti i 4013 si comportino in questo modo.

Vale a dire, più avanti nel manuale di servizio Jupiter-4, Roland specifica che deve essere utilizzato il TC4013 di Toshiba (in particolare, il TC4013BP, in base alla distinta materiali):

Anche più avanti nel manuale di assistenza, Roland fornisce la tabella dei pin-out e della verità per il TC4013 e, ecco, il TC4013 utilizza una funzionalità Set / Reset diversa dal CD4013 convenzionale. In particolare, il TC4013 si comporta in modo tale che, quando sia Set che Reset sono alti, Q è basso e Q / è alto; vale a dire, Reset ha la precedenza su Set, poiché questa tabella del manuale di servizio indica:

È questo strano comportamento di Set / Reset che è fondamentale per produrre l'onda di impulso su CP5 nel circuito Jupiter-4 sopra. Credo che i problemi basati su 4013 nei sintetizzatori Roland di questa epoca - come l'RS-09 in questo thread così come i problemi di "compatibilità" identificati altrove per l'SH-101 - probabilmente derivano da questa divergenza dal convenzionale Set / Reset CD4013 comportamento. Apparentemente Roland ha preso la dubbia decisione di progettazione di fare affidamento su quella che probabilmente i produttori di chip hanno pensato come una configurazione Set / Reset "non consentita" ...

In ogni caso, Toshiba produce ancora il TC4013BP in un pacchetto DIP a 14 pin , ma dal foglio dati attuale risulta che Toshiba ha adottato il comportamento convenzionale di Set / Reset CD4013, senzamodifica del suffisso della parte. Non riesco a trovare alcuna documentazione per quando si è verificato questo cambiamento, ma, a giudicare dai fogli dati che ho visto sul web, sembra che questo cambiamento nel comportamento sia stato implementato qualche tempo prima della fine degli anni '90. Ciò significa che, sebbene i TC4013 più vecchi potrebbero essere disponibili su eBay, per esempio, non so come faresti a sapere se sarebbero abbastanza grandi per anticipare questo cambiamento di funzionalità. Probabilmente avresti bisogno di testare il chip su una breadboard - legando le linee Set e Reset in alto e vedendo come reagisce l'output Q - per essere in grado di determinare se un vecchio TC4013BP è utilizzabile in un synth Roland. E, per quanto ne so, nessun chip 4013 moderno mostra questo strano comportamento Set / Reset richiesto dai sintetizzatori Roland di questa era.

Spero comunque che questo aiuti a capire meglio cosa sta succedendo con la tua RS-09 ...!

Ecco una simulazione di come dovrebbe funzionare. Spiegazione di seguito.

Si noti che IC204, il divisore di clock principale TC4013BP, è noto per non funzionare su Roland RS-09. Ecco una registrazione durante la quale non è riuscita.

Se un'attenta rivendita di IC204 con flusso (per garantire che non sia solo un giunto a saldare freddo) non risolve il problema , puoi ottenere un IC sostitutivo qui.

Il pin RESET di IC204 viene sollevato tramite la resistenza R215 e guidato dalla linea di clock attraverso il diodo D205.

Quando l'orologio si abbassa, il diodo D205 conduce e tira RESET in basso. Quando l'orologio si alza, il diodo smette di condurre e R215 carica lentamente la capacità del pin RESET. Dopo un po 'la tensione su RESET raggiunge la tensione di soglia massima logica e l'uscita Q viene ripristinata. L'uscita rimane bassa fino al successivo fronte di salita dell'orologio. L'effetto netto è che l'uscita cambia alla stessa frequenza dell'orologio.

Quando l'interruttore Octave-Down è chiuso, RESET viene mantenuto basso tramite il diodo D206. Con RESET basso, l'uscita cambia a metà della frequenza di clock perché il$\overline Q$ l'uscita è legata all'ingresso D.

OK, non sono sicuro che questo valga come una "risposta" perché non mi sento di capire perché sia ​​successo, ma almeno ho risolto il problema del mio sintetizzatore.

Alla fine sono riuscito a far funzionare la RS-09 sostituendo la 4013 con una estratta da un'altra RS-09 (la chiamerò RS-09-2 per ragioni di questa spiegazione). Quando ho inserito un nuovo 4013 in RS-09-2, ANCHE non ha funzionato. Riportandoli indietro (e viceversa) e inserendo un altro 4013 nuovo di zecca in ciascuno nel caso in cui il primo con cui ho provato fosse cattivo, ho confermato che entrambi gli RS-09 funzioneranno solo con un CD4013 molto vecchio in essi. Suppongo che tutti gli RS-09 siano così. L'ho visto succedere un'altra volta, in cui un circuito progettato negli anni '80 non funzionerà con un nuovo IC CMOS. In nessun caso c'era qualcosa nel circuito che offriva una spiegazione del perché. Guardando lo schema nel 2017 o nel 1982, una persona avrebbe la stessa reazione: Sì, dovrebbe funzionare. Ma se si inserisce un IC CMOS realizzato nel 1982 funziona,

Non sono molto contento del risultato perché la domanda "Perché ?!" rimane ancora, ma eccolo qui.

Vorrei ringraziare tutti coloro che hanno cercato di aiutarmi a capirlo!