Perché il sintetizzatore musicale costruito da una catena di circuiti multivibratori astabili diventa "stonato" dopo poche ore?

Ho costruito un prototipo di tastiera / sintetizzatore del suono utilizzando una catena di 13 circuiti multivibratori astabili le cui uscite sono collegate a un chip amplificatore audio (LM386) e un altoparlante, tutti alimentati da una batteria da 9 V CC.

Ogni singolo circuito viene sintonizzato su una delle 13 frequenze in un'ottava musicale (C5, C #, D, ecc. Fino a C6) variando un trimpot di messa a punto che è in serie con valori di resistenza specifici e che porta l'oscillazione nel frequenza del ballpark.

L'oscillazione è il classico multivibratore asta BJT che puoi vedere nella Figura 1 qui e che è spiegato in questo articolo .

Il prototipo rimane correttamente accordato per un breve periodo (fino a un giorno).

Puoi sentire come suona qui. (Sicuro di iniziare a 0: 49s - costante di Wadsworth ;))

Quello che non riesco a capire è il motivo per cui il circuito sembra essere staccato spontaneamente, ovvero uno o più dei singoli circuiti finiscono con frequenze diverse da quelle su cui erano sintonizzati (confrontati con un o'scope e un piano di riferimento) .

La deviazione di frequenza del detuning è in genere del 2-5%, il che è udibile in modo evidente (ad esempio, C5 a 523Hz potrebbe vagare a 540Hz o 510Hz). È interessante notare che il detuning non si verifica mai durante il gioco. Ma diverse ore dopo, i tasti non suonano più allo stesso modo.

Inizialmente avevo pensato che forse le pentole per trimmer si stavano rilassando meccanicamente da sole. Per eliminare questo, ho sostituito i potenziometri del trimmer per provare a "bloccare" le frequenze specifiche basandosi solo sui valori dei resistori, in modo che non fosse rimasta variabilità nel progetto.

Ma il problema di de-tuning persiste anche dopo aver sostituito i trimpot con valori di resistenza fissi.

Prima: sintetizzatore analogico a 13 tasti con valori di resistenza fissi

Risoluzione: grazie a tutti per l'utile feedback, le idee di design digitale e il contesto storico per comprendere meglio le sfide di un design analogico puro. Tutte le risposte sono state eccellenti. Ho accettato la risposta di ToddWilcox quando ne ricavo che (a) il detuning è una parte attesa dei progetti analogici puri, (b) l'arte sta nel modo di stabilire rapidamente un modo fluido di accordare lo strumento.

Per risolvere il problema immediato, ho reinserito i potenziometri (1-2K ohm) nel design per offrire una sintonizzazione del 2-5% per ciascun tasto. Ci vogliono un paio di minuti all'inizio della riproduzione per mettere a punto i 13 oscillatori, dopodiché rimangono in sintonia per diverse ore alla volta. Vedi la nuova immagine qui sotto.

Pubblicherà i risultati degli esperimenti usando batterie fresche e verruche da parete. I design digitali (utilizzando il divisore digitale e / o i chip timer 555) sono interessanti e potenzialmente comprimerebbero le dimensioni in modo significativo. Gli aggiornamenti futuri sono disponibili nella pagina del progetto qui .

Dopo: sintetizzatore analogico a 13 tasti con potenziometri (1-2k ohm) per la sintonizzazione

Quello che non riesco a capire è il motivo per cui il circuito sembra essere stonato spontaneamente, ovvero uno o più dei singoli circuiti finiscono con frequenze diverse da quelle su cui erano sintonizzati (usato un oscope e quindi un piano di riferimento).

Cambiamenti di temperatura, come indicato nell'altra risposta.

Sto aggiungendo una risposta qui perché, come musicista, preferisco il suono degli oscillatori analogici al 100% rispetto a un design basato su:

un circuito che utilizza come singolo oscillatore di frequenza superiore basato su un cristallo di tolleranza stretta. Quindi l'uso di contatori digitali viene utilizzato per dividere questa frequenza per la frequenza desiderata per ciascuna nota della scala.

Gli EE su questo Stack potrebbero commentare all'infinito che scientificamente non sono riuscito a sentire la differenza. Credetemi quando dico che il mio portafoglio desidera ardentemente non riuscire a sentire la differenza, ma posso, e non è sottile.

Comunque, i maggiori produttori di sintetizzatori analogici al 100% come Moog Music e Sequential Circuits (precedentemente DSI) hanno risolto questo problema in diversi modi nel corso degli anni. La soluzione di vecchia scuola richiede l'intervento dell'utente e la messa a punto frequente. Il Minimoog originale Moog (AKA "Modello D" dopo la sua variante più popolare) aveva un circuito oscillatore a cristallo incorporato che non faceva parte del percorso del segnale, ma avrebbe creato un tono stabile a 440 Hz. Accendi il tono di cristallo a 440Hz, quindi suoni una A sulla tastiera, quindi ruota la manopola Master Tuning per risintonizzare il synth a orecchio. Questo è stato pratico perché il Minimoog era / è (è stato ristampato con alcuni miglioramenti tecnologici) un monosynth. Dopo aver sintonizzato la banca di tre oscillatori tutti insieme, il gioco è fatto.

Il sequenziale Circuits Prophet 5 è una cosa diversa. Tutta la generazione audio e il percorso del segnale sono analogici e inclini alla deriva e, in un certo senso, viene utilizzato un processo simile per quanto riguarda il Minimoog per la sintonizzazione, ma invece che l'utente ascolta un tono di oscillatore di cristallo e sintonizza manualmente gli oscillatori analogici, il Prophet 5 presentava una calibrazione di regolazione automatica controllata da microprocessore. Secondo una fonte, l'accordatura ha richiesto circa 15 secondi dopo la pressione del pulsante Tune.

Uno dei motivi per cui era necessario un sistema di sintonizzazione automatica per il Prophet 5 era che invece di essere un synth monofonico a 3 oscillatori, era polifonico con 5 voci da 2 oscillatori ciascuna, per un totale di dieci oscillatori. Dato che la deriva poteva accadere nel mezzo di uno spettacolo, era necessario un modo abbastanza veloce per risintonizzare il synth per renderlo utile ai musicisti.

Quindi, ciò che sto suggerendo è se stai costruendo i tuoi oscillatori per ottenere quel tono analogico al 100%, ti consigliamo di trovare un meccanismo di accordatura. Potrebbe anche essere necessario giocare con i design degli oscillatori per cercare di renderli il più termicamente stabili possibile.

Se stavo percorrendo questa strada, inizierei con il metodo Moog e mi assicurerei di sapere come progettare una manopola di sintonia principale che posso usare per risintonizzare rapidamente il synth e lavorare per ottenere un design che sia stabile per almeno un'ora in una tipica stanza di casa. Quindi potrei considerare la "laurea" alla virata su un microprocessore in grado di confrontare elettricamente gli oscillatori con il cristallo di riferimento e regolare automaticamente la manopola di sintonia.

Oggi, sia Sequential Circuits che Moog Music hanno una regolazione in tempo reale controllata dal microprocessore nei prodotti Prophet 6 e Model D Reissue e Sequential offre anche un controllo aggiuntivo che ti consente di controllare quanto il microprocessore mantiene l'accordatura, per ottenere un po 'di vintage oscillatore stile deriva nel suono.

Ulteriori informazioni sul progetto Prophet 5

Un modo in cui gli oscillatori per il Prophet 5 sono stati resi più stabili è stato l'uso di circuiti integrati analogici che avevano il maggior numero possibile di oscillatori completi su un chip. Ciò significa che tutti i componenti sul chip hanno cambiato la temperatura insieme (almeno più vicini dei componenti discreti).

Esistevano anche "circuiti di compensazione della temperatura su chip". Non sono sicuro di cosa significhi, ma la mia ipotesi è che è la progettazione di circuiti che utilizza componenti on-chip per fare derive di tensione effettive dovute alla "cancellazione" della temperatura del chip, per quanto possibile.

La pagina 2-19 del Manuale di servizio di Prophet 5 è molto interessante su questo argomento: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

E ho trovato un documento interessante sui progetti di circuiti di compensazione della temperatura analogici per oscillatori a cristallo: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Hai chiaramente costruito un circuito di natura completamente analogica e produce una frequenza in ciascun oscillatore che dipende da vari fattori come:

1. Modifiche al livello di tensione dell'alimentatore all'oscillatore.
2. Cambiamenti del livello Vbe dei transistor con la temperatura.
3. Variazioni dei valori dei resistori nel tempo e nella temperatura.
4. Variazioni dei valori dei condensatori nel tempo e nella temperatura.
5. Cambiamenti nelle caratteristiche dielettriche del condensatore nella configurazione dell'oscillatore astabile.
6. Il comportamento del circuito esterno cambia a causa di cose nelle vicinanze del prototipo.
7. Posizione della luna rispetto al sole vista dalla terra.

Ci sono modi per costruire circuiti che non hanno molta deriva nella frequenza operativa. Sono progettati per eliminare o cancellare i vari effetti sopra elencati. Un modo convenzionale è quello di progettare un circuito che utilizza come singolo oscillatore a frequenza più elevata basato su un cristallo a tolleranza stretta. Quindi l'uso di contatori digitali viene utilizzato per dividere questa frequenza per la frequenza desiderata per ciascuna nota della scala.

Per mostrare il valore di un approccio a circuito digitale ho creato un piccolo foglio di calcolo che mostra l'ottava delle note musicali da C5 a C6. (Le frequenze nominali sono valori presi da un grafico trovato su Google e non calcolati nel foglio di calcolo con formule di scala dal riferimento A [440]).

Usando una frequenza di cristallo di 22.1184 MHz (che è una frequenza MCU comune utilizzata nel business embedded a 8 bit) , puoi vedere che con un fattore di divisione digitale intero per ogni nota che la frequenza generata è molto vicina al nominale desiderato.

Ancora un altro fattore che non è stato menzionato è il fatto che il circuito è alimentato a batteria.

Poiché stai guidando un altoparlante, il consumo energetico sarà significativo (come evidenziato dall'uso di un LM386) e una batteria da 9 volt subirà una caduta di tensione significativa per un periodo di diverse ore. La tensione di alimentazione è un altro fattore nel determinare la frequenza operativa dell'oscillatore.

Prova a sostituire la batteria con una verruca da parete da 9 volt e guarda cosa succede.

Risposta: lo stordimento si verifica a causa del cambiamento delle caratteristiche delle parti a causa del riscaldamento, del cambiamento di temperatura, ecc. È possibile minimizzarlo inserendolo in una camera a temperatura controllata e lasciandolo stabilizzare prima di utilizzarlo.

Ho fatto la stessa cosa qui usando un microcontrollore per creare i 13 toni.

https://www.youtube.com/watch?v=4c8idXN4Pg0

Avevo solo 8 pulsanti quando ho fatto la demo. Ho usato un altoparlante autoalimentato per PC per riprodurli.

I toni vengono creati al livello di precisione del microsecondo. E poiché sono basati su una sorgente di clock a cristallo da 16 MHz, non vanno alla deriva.

L'UC, Atmega1284P, ha 32 IO, quindi 13 pulsanti e 13 uscite sono direttamente supportati.

Vuoi altre note? Aggiungi un altro processore e modifica l'array contenente i semafori dei toni.

Non ti piace il tono sostanzialmente a onda quadra? Aggiungi filtro alle uscite.

La frequenza di un tipico oscillatore RC è controllata dalla costante di tempo RC e dalla quantità di "decadimento RC" richiesta per ciascun ciclo. Uno dei motivi per cui il circuito 555 è più stabile rispetto a molti altri tipi di oscillatori di rilassamento è che il rapporto tra le tensioni tra le quali oscilla è relativamente non influenzato dalle caratteristiche dei transistor coinvolti. Al contrario, il monovibratore astabile in uso è molto sensibile alle caratteristiche di accensione dei transistor, che sono a loro volta sensibili alla temperatura.

Immagino che lo strumento impieghi un po 'di tempo per sintonizzarsi e che quando sarà accordato, tutti i transistor avranno raggiunto la temperatura operativa di equilibrio. Se uno spegne lo strumento, i transistor si raffreddano. Se uno accende l'alimentazione e inizia immediatamente a suonare, saranno più freddi di quanto non fossero quando lo strumento era sintonizzato, ma se si attende che i transistor raggiungano la temperatura alla quale erano sintonizzati, l'accordatura dovrebbe avvicinarsi a ciò che dovrebbe essere.

Per inciso, l'organo elettronico a tubo sottovuoto che avevo cresciuto utilizzava circuiti LC sintonizzati piuttosto che circuiti RC. La frequenza di un circuito LC sintonizzato sarà controllata principalmente dai valori del condensatore e dell'induttore sintonizzabile. Se si desidera ridurre al minimo il numero di componenti di amplificazione (l'organo utilizzava 1/2 del tubo a doppio triac per ciascun oscillatore), l'uso di circuiti LC potrebbe essere un approccio pratico, sebbene induttori accordabili di dimensioni adeguate costerebbero probabilmente più della maggior parte dei chip.