Warum ist der Musiksynthesizer, der aus einer Kette von stabilen Multivibratorschaltungen aufgebaut ist, nach einigen Stunden „verstimmt“?

Ich habe einen Prototyp eines Tastatur- / Klangsynthesizers mit einer Kette von 13 stabilen Multivibratorschaltungen gebaut, deren Ausgänge mit einem Audioverstärkerchip (LM386) und einem Lautsprecher verbunden sind, die alle von einer 9-V-Gleichstrombatterie gespeist werden.

Jeder einzelne Schaltkreis wird in einer musikalischen Oktave (C5, C #, D usw. bis C6) auf eine der 13 Frequenzen abgestimmt, indem ein Feinabstimmungs-Trimpot variiert wird, der mit bestimmten Widerstandswerten in Reihe geschaltet ist und der die Oszillation in den Baseball-Frequenz.

Die Oszillation ist der klassische astabile BJT-Multivibrator, den Sie in Abbildung 1 sehen können und der in diesem Artikel erläutert wird .

Der Prototyp bleibt für kurze Zeit (bis zu einem Tag) in der richtigen Stimmung.

Hier können Sie hören, wie es sich anhört. (Sicher um 0: 49s zu beginnen - Wadsworths Konstante ;))

Was ich nicht herausfinden kann, ist, warum der Stromkreis spontan verstimmt zu sein scheint, dh einer oder mehrere der einzelnen Stromkreise haben Frequenzen, die sich von denen unterscheiden, auf die sie gestimmt wurden (gegen ein Oscope und ein Referenzpiano geprüft). .

Die Frequenzabweichung der Verstimmung beträgt typischerweise 2-5%, was hörbar ist (z. B. C5 bei 523 Hz kann zu 540 Hz oder 510 Hz wandern). Interessanterweise tritt die Verstimmung beim Spielen nie auf. Aber einige Stunden später klingen die Tasten nicht mehr gleich.

Ich hatte ursprünglich gedacht, dass die Trimmer-Töpfe sich von selbst mechanisch entspannen könnten. Um dies zu beseitigen, habe ich die Trimmer-Potis ausgetauscht, um zu versuchen, die spezifischen Frequenzen nur auf der Basis der Widerstandswerte zu "verriegeln", so dass keine Variabilität im Design übrig blieb.

Das Abstimmungsproblem bleibt jedoch auch nach dem Ersetzen der Trimmpotentiometer durch feste Widerstandswerte bestehen.

Vorher: 13-Tasten-Analogsynthesizer mit festen Widerstandswerten

Lösung: Vielen Dank für das nützliche Feedback, die Ideen für digitales Design und den historischen Kontext, um die Herausforderungen eines rein analogen Designs besser zu verstehen. Alle Antworten waren ausgezeichnet. Ich habe die Antwort von ToddWilcox akzeptiert, als ich herausfand, dass (a) Verstimmung ein erwarteter Teil von rein analogen Designs ist, (b) die Kunst darin besteht, eine clevere Methode zum schnellen Stimmen des Instruments zu finden.

Um das unmittelbare Problem zu lösen, habe ich Trimmer-Potis (1-2K Ohm) wieder in das Design eingesetzt, um jedem Key eine Abstimmbarkeit von 2-5% zu verleihen. Zu Beginn des Spiels dauert es einige Minuten, bis die 13 Oszillatoren gestimmt sind. Danach bleiben sie mehrere Stunden am Stück gestimmt. Siehe neues Bild unten.

Veröffentlichen Sie die Ergebnisse der Experimente mit frischen Batterien. Die digitalen Designs (unter Verwendung von digitalen Teilern und / oder 555 Timer-Chips) sind interessant und würden möglicherweise die Größe erheblich komprimieren. Zukünftige Updates finden Sie auf der Projektseite hier .

After: 13-Tasten-Analogsynthesizer mit Trimmerpotentiometern (1 bis 2 kOhm) für optimale Abstimmung

Was ich nicht herausfinden kann, ist, warum der Stromkreis spontan verstimmt zu werden scheint, dh einer oder mehrere der einzelnen Stromkreise haben Frequenzen, die sich von denen unterscheiden, auf die sie abgestimmt wurden (verwendet wurden ein oscope und dann ein Referenzklavier).

Temperaturänderungen, wie in der anderen Antwort erwähnt.

Ich füge hier eine Antwort hinzu, weil ich als Musiker den Klang von Oszillatoren, die zu 100% analog sind, einem Design vorziehen, das auf Folgendem basiert:

Eine Schaltung, die auf der Grundlage eines eng tolerierten Kristalls einen einzelnen Oszillator mit höherer Frequenz verwendet. Dann werden digitale Zähler verwendet, um diese Frequenz für jede Note in der Skala auf die gewünschte Frequenz herunter zu teilen.

EEs auf diesem Stack könnten endlos kommentieren, dass ich den Unterschied wissenschaftlich nicht hören konnte. Glauben Sie mir, wenn ich meine Brieftasche sage, dass ich den Unterschied nicht hören kann, aber ich kann, und es ist nicht subtil.

Wie auch immer, große Hersteller von 100% analogen Synthesizern wie Moog Music und Sequential Circuits (ehemals DSI) haben dieses Problem im Laufe der Jahre auf unterschiedliche Weise gelöst. Die Lösung der alten Schule erfordert Benutzereingriffe und häufiges Einstellen. Der ursprüngliche Moog Minimoog (AKA "Model D" nach seiner populärsten Variante) hatte eine eingebaute Quarzoszillatorschaltung, die nicht Teil des Signalwegs war, aber einen stabilen 440-Hz-Ton erzeugen würde. Sie schalten den 440-Hz-Quarzton ein, spielen dann ein A auf der Tastatur und drehen dann den Master-Tuning-Knopf, um den Synth nach Gehör neu abzustimmen. Dies war praktisch, da der Minimoog ein Monosynth war / ist (er wurde mit einigen technischen Verbesserungen neu aufgelegt). Sobald Sie die Bank von drei Oszillatoren alle zusammen gestimmt haben, sind Sie fertig.

Der Sequential Circuits Prophet 5 ist etwas anderes. Die gesamte Audioerzeugung und der gesamte Signalweg sind analog und driftanfällig. In gewisser Weise wird ein ähnlicher Prozess wie beim Minimoog zum Stimmen verwendet, aber anstatt dass der Benutzer einen Quarzoszillatorton hört und die Analogoszillatoren manuell abstimmt. Der Prophet 5 verfügt über eine mikroprozessorgesteuerte automatische Abstimmkalibrierung. Einer Quelle zufolge dauerte die Abstimmung etwa 15 Sekunden, nachdem die Taste Tune gedrückt wurde.

Ein Grund, warum ein automatisches Stimmsystem für den Prophet 5 erforderlich war, war, dass er kein monophoner 3-Oszillatorsynth war, sondern polyphon mit 5 Stimmen mit jeweils 2 Oszillatoren für insgesamt zehn Oszillatoren. Da Drift mitten in einer Show auftreten konnte, musste der Synth relativ schnell neu gestimmt werden, um ihn für Musiker nützlich zu machen.

Ich schlage vor, dass Sie, wenn Sie Ihre eigenen Oszillatoren bauen, um diesen 100% analogen Klang zu erzielen, einen Abstimmungsmechanismus entwickeln möchten. Möglicherweise müssen Sie auch mit Oszillatorkonstruktionen spielen, um diese so thermisch stabil wie möglich zu machen.

Wenn ich diesen Weg beschreiten würde, würde ich mit der Moog-Methode beginnen und sicherstellen, dass ich weiß, wie man einen Master-Tune-Regler entwirft, mit dem ich den Synth schnell neu stimmen und arbeiten kann, um ein Design zu erhalten, das zumindest stabil ist eine Stunde in einem typischen häuslichen Raum. Dann könnte ich einen Mikroprozessor verwenden, der die Oszillatoren elektrisch mit dem Referenzkristall vergleicht und den Abstimmknopf automatisch einstellt.

Heute verfügen sowohl Sequential Circuits als auch Moog Music bei den Produkten Prophet 6 und Model D Reissue über eine mikroprozessorgesteuerte Tuning-Anpassung in Echtzeit. Sequential bietet sogar eine zusätzliche Steuerung, mit der Sie steuern können, wie gut der Mikroprozessor das Tuning aufrechterhält, um einen gewissen Vintage-Wert zu erzielen Oszillator driften im Klang.

Mehr zum Prophet 5-Design

Eine Möglichkeit, die Oszillatoren für den Prophet 5 zu stabilisieren, bestand darin, analoge integrierte Schaltkreise zu verwenden, die so viel wie möglich von einem vollständigen Oszillator auf einem Chip enthielten. Dies bedeutete, dass alle Komponenten auf dem Chip gemeinsam die Temperatur änderten (zumindest näher beieinander als einzelne Komponenten).

Es gab auch "On-Chip-Temperaturkompensationsschaltungen". Ich bin mir nicht sicher, worum es genau geht, aber ich vermute, dass es sich um ein Schaltungsdesign handelt, das On-Chip-Komponenten verwendet, um tatsächliche Spannungsdriften aufgrund der Chiptemperatur so weit wie möglich auszugleichen.

Seite 2-19 des Prophet 5-Servicehandbuchs ist zu diesem Thema sehr interessant: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

Und ich habe ein interessantes Papier über analoge Temperaturkompensationsschaltungsdesigns für Quarzoszillatoren gefunden: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Sie haben eindeutig eine Schaltung aufgebaut, die völlig analog ist und in jedem Oszillator eine Frequenz erzeugt, die von verschiedenen Faktoren abhängt, wie z.

1. Ändert den Spannungspegel der Stromversorgung zum Oszillator.
2. Änderungen des Vbe-Pegels der Transistoren mit der Temperatur.
3. Änderung der Widerstandswerte über Zeit und Temperatur.
4. Änderungen der Werte der Kondensatoren über Zeit und Temperatur.
5. Änderungen der dielektrischen Eigenschaften des Kondensators in einer stabilen Oszillatorkonfiguration.
6. Das Verhalten des Streuschaltkreises ändert sich aufgrund von Dingen in der Nähe des Prototyps.
7. Position des Mondes relativ zur Sonne von der Erde aus gesehen.

Es gibt Möglichkeiten, Schaltkreise zu bauen, deren Betriebsfrequenz nicht so stark abweicht. Sie wurden entwickelt, um die verschiedenen oben aufgeführten Effekte zu eliminieren oder aufzuheben. Ein herkömmlicher Weg besteht darin, eine Schaltung zu entwerfen, die auf der Grundlage eines eng tolerierten Kristalls einen einzelnen Oszillator mit höherer Frequenz verwendet. Dann werden digitale Zähler verwendet, um diese Frequenz für jede Note in der Skala auf die gewünschte Frequenz herunter zu teilen.

Um den Wert eines digitalen Schaltungsansatzes zu zeigen, habe ich eine kleine Tabelle erstellt, die die Oktave der Noten von C5 bis C6 zeigt. (Die nominalen Häufigkeiten sind Werte, die einem Diagramm bei Google entnommen und nicht in der Tabelle mit Skalierungsformeln aus der A [440] -Referenz berechnet wurden.)

Wenn Sie eine Quarzfrequenz von 22,1184 MHz verwenden (das ist eine übliche MCU-Frequenz, die im 8-Bit-Embedded-Geschäft verwendet wird) , können Sie mit einem ganzzahligen digitalen Teilungsfaktor für jede Note feststellen, dass die erzeugte Frequenz sehr nahe am gewünschten Nennwert liegt.

Ein weiterer Faktor, der nicht erwähnt wurde, ist die Tatsache, dass die Schaltung batteriebetrieben ist.

Da Sie einen Lautsprecher steuern, ist der Stromverbrauch erheblich (wie durch die Verwendung eines LM386 belegt), und bei einer 9-Volt-Batterie tritt über einen Zeitraum von mehreren Stunden ein erheblicher Spannungsabfall auf. Die Versorgungsspannung ist ein weiterer Faktor bei der Bestimmung der Betriebsfrequenz Ihres Oszillators.

Ersetzen Sie die Batterie durch eine 9-Volt-Steckdose und sehen Sie, was passiert.

Antwort: Verstimmung tritt auf, wenn sich die Eigenschaften der Teile aufgrund von Erwärmung, Temperaturänderung usw. ändern. Sie können dies minimieren, indem Sie sie in eine temperaturgesteuerte Kammer legen und vor der Verwendung stabilisieren lassen.

Das gleiche habe ich hier mit einem Mikrocontroller gemacht, um die 13 Töne zu erzeugen.

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

Ich hatte nur 8 Knöpfe, als ich die Demo machte. Ich habe einen PC-Lautsprecher verwendet, um sie wiederzugeben.

Die Töne werden mit einer Genauigkeit von Mikrosekunden erstellt. Und da sie auf einer 16-MHz-Quarztaktquelle basieren, driften sie nicht.

Der uC Atmega1284P verfügt über 32 E / A, sodass 13 Tasten und 13 Ausgänge direkt unterstützt werden.

Möchten Sie weitere Notizen? Fügen Sie einen weiteren Prozessor hinzu und ändern Sie das Array, das die Halbperioden der Töne enthält.

Magst du den im Grunde genommen rechteckigen Ton nicht? Fügen Sie den Ausgängen Filter hinzu.

Die Frequenz eines typischen RC-Oszillators wird durch die RC-Zeitkonstante und den für jeden Zyklus erforderlichen "RC-Abfall" gesteuert. Einer der Gründe, warum die 555-Schaltung stabiler ist als viele andere Arten von Relaxationsoszillatoren, besteht darin, dass das Verhältnis der Spannungen, zwischen denen sie schwingt, von den Eigenschaften der beteiligten Transistoren relativ unberührt bleibt. Im Gegensatz dazu reagiert der verwendete astabile Monovibrator sehr empfindlich auf die Einschaltcharakteristik der Transistoren, die wiederum temperaturempfindlich sind.

Ich würde vermuten, dass das Instrument eine Weile braucht, um sich abzustimmen, und dass zu der Zeit, zu der es abgestimmt ist, alle Transistoren die Gleichgewichtsbetriebstemperatur erreicht haben werden. Wenn man das Instrument ausschaltet, werden die Transistoren abkühlen. Wenn man das Gerät einschaltet und sofort anfängt zu spielen, werden sie kälter als zu dem Zeitpunkt, als das Instrument gestimmt wurde. Wenn man jedoch darauf wartet, dass die Transistoren die Temperatur erreichen, bei der sie gestimmt wurden, sollte sich die Stimmung dem annähern, was sie sollte Sein.

Übrigens verwendete die elektronische Vakuumröhre, mit der ich aufgewachsen war, eher abgestimmte LC-Schaltkreise als RC-Schaltkreise. Die Frequenz eines abgestimmten LC-Schaltkreises wird hauptsächlich durch die Werte des Kondensators und der abstimmbaren Induktivität gesteuert. Wenn man die Anzahl der verstärkenden Komponenten minimieren möchte (das Organ verwendet 1/2 der Dual-Triac-Röhre für jeden Oszillator), kann die Verwendung von LC-Schaltkreisen ein praktischer Ansatz sein, obwohl abstimmbare Induktoren geeigneter Größe wahrscheinlich mehr kosten würden als die meisten Chips.