Генератор звукових частот - найголовніша частина будь-якого електронного музичного інструменту. Він потребує найбільшої уваги при розробці, від генератора частот залежить стабільність тональності, як часто доведеться налаштовувати частоту тону, та й остаточний голос інструменту.
В першій частині була розглянута система з 12-ма незалежними осциляторами для кожної ноти. З кінця 70-их років мин. ст. така схема вважається застарілою, але, на сьогоднішній день є найбільш прийнятною для відтворення у сенсі кількості компонентів та, відповідно, габаритів інструмента. Єдиним її недоліком є те, що доведеться вручну налаштовувати всі 12 осциляторів. Система, а точніше електронний чіп, який називають Top Octave Generator, або Top Octave Synthesizer (TOS) вільна від цього недоліку, але я одразу відкинув її з відомих причин - пошук давно знятих з виробництва мікросхем не вартий часу та коштів, а створювати їх аналог з десятків двійково-десяткових лічильників - це дурна справа. Крім того TOS має фазову одноманітність, так як всі 12 нот отримуються за допомогою частотних дільників з одного осцилятора, який задає високу частоту, що органному звучанню не йде на користь. Тому альтернативи 12-ом незалежним осциляторам я не знайшов.
В наші часи, коли цифра вбила розвиток у цьому напрямку, важко застосувати якісь сучасні технології, які б, у музичному сенсі, значно перевершували старі транзисторні органи, але в сенсі собівартості та кількості компонентів є деякий прогрес.
Генератор частот складається з дванадцяти осциляторів частоти (frequency oscillators, master oscillators) та певної кількості дільників частот кожного осцилятора. Сьогодні простий осцилятор частоти можна зробити на логічних елементах NOT, NAND, NOR, або, ще простіше, на трігерах Шмітта CD40106 (малюнок нижче).
В приведених схемах частота сигналу залежить від ємності конденсатора С1, та опору резистора R1. На практиці резистор R1 доцільно використовувати змінний, або виконати послідовний ланцюг з двох резисторів, один з яких змінний, так як налаштування на потрібну ноту проводиться саме ним. Також, для стабільності частоти осцилятора, до цього резистора вимагається висока точність.
Недоліком, в музичному сенсі, цих осциляторів є те, що на виході вони видають практично квадратну форму сигналу. Як відомо, через це окрім основної ноти у звуці присутні непарні гармоніки, які неприємно сприймаються на слух. Простим рішенням є перетворення сигналу у прямокутну форму, що можна зробити різними способами. Наприклад, останній, на трігері, легко модифікувати в прямокутний сигнал за наступною схемою:
В якості резистора підлаштування я використав СП5-2В. Знадобилось би всього дві мікросхеми CD40106 щоб реалізувати 12 осциляторів частоти. В порівнянні с транзисторними осциляторами їхня частота більш залежна від напруги живлення. Із стабілізаторами напруги типу LM... це не повинно ставити під сумнів стабільність частоти осциляторів на CMOS трігерах CD40106, але, зрештою, вони більш підходять для аналогових синтезаторів, ніж для електроорганів. Такий висновок я зробив зі спостереженням за сигналом на осцилоскопі, коли порівнював цей осцилятор з транзисторним (про транзисторну схему буде далі):
Дивлячись на форму сигналу транзисторного осцилятора можна помітити невеликі фазові коливання, це робить трохи природнішим органне звучання, при цьому частота надзвичайно стабільна. Коливання також помітні і в роботі осцилятора на CMOS трігері CD40106, але вони більш схожі на коливання частоти разом з фазою сигналу. Звісно, вони незначні і важко помітні на слух. Крім того, сигнал транзисторного осцилятора з більш плавними кутами, що дає набагато музичніший тон. Хоча в моєму випадку форма сигналу не має значення, я віддав перевагу старому транзисторному осцилятору. Це збільшить розмір плати всього генератора частот, проте конструкція буде заснована на класичній схемі, що було заплановано спочатку проєктування.
Майже всі транзисторні генератори частоти електроорганів складаються з двох контурів (на германієвих або кремнієвих транзисторах). Перший - осцилятор синусоїдального сигналу зроблений за схемою Хартлі (Ralph Hartley) або Колпітца (Edwin H. Colpitts), другий - бафер для зниження вихідного імпедансу осцилятора та перетворення синусоїдального сигналу на прямокутний (або близький до прямокутного), що необхідно для подальшого ділення частот. Цікаве рішення було реалізовано в електроорганах Farfisa FAST - де осцилятор прямокутного сигналу на одному pnp транзисторі Q1 (див.схему нижче). Такий осцилятор не потребує другого транзисторного каскаду, що зменшує кількість компонентів і наближує мене до мети створити дійсно компактний інструмент.
В осциляторах частоти я використав 2N4403 pnp транзистори, але також непогані результати показали транзистори і з меншим коефіцієнтом посилення, наприклад BC558. В якості D1 може бути будь-який кремнієвий малопотужний діод , наприклад КД521.
Індукційні катушки для 12-ти осциляторів я виготовив на мініатюрних каркасах від високочастотних фільтрів радіоприймачів за вказаними нижче розмірами:
Обмотка здійснена подвійним дротом діаметром 0.07мм 420 витків. Таким чином намотуються одразу дві однакові обмотки. Для налаштування потрібної частоти в середину каркасу з катушкю вкручується феритовий стрижень:
Готовий індуктор розташований в алюмінієвому екрануючому ковпачку. Також важливо, щоб катушка знаходилась в середині феритового кільця! Це запобігатиме впливу алюмінієвого екрану на індукцію катушки.
Такі маленькі індуктори та невелика кількість витків обумовлені підвищеною частотою осциляторів. Як зазначалось в першій частині, вихідний сигнал з осциляторів подається тільки на дільники частоти, тому вони (осцилятори) працюють з вищою в два рази частотою, ніж найвищі відтворювані ноти:
C ≈ 16746ГцB ≈ 15804Гц
A# ≈ 14916Гц
A ≈ 14080Гц
G# ≈ 13288Гц
G ≈ 12544Гц
F# ≈ 11840Гц
F ≈ 11176Гц
E ≈ 10548Гц
D# ≈ 9956Гц
D ≈ 9396Гц
C# ≈ 8868Гц
Оскільки 12 осциляторів повинні працювати з різною частотою (незалежно один від одного), а катушки індукторів зроблені майже всі однаково, потрібна різна ємність конденсаторів, які шунтують обмотки, для роботи на вказаних частотах. Нижче приведена оригінальна таблиця ємностей осциляторів електрооргану Farfisa Fast 4:
Для моїх осциляторів, з іншими індукторами, та вищими частотами, ємності С1,С3 довелось підбирати дослідним шляхом. В результаті я отримав:
Багато ємностей вийшли ненормовані, їх довелось створювати з двох паралельно з'єднаних конденсаторів. Також необхідно перевіряти всі конденсатори, в тому числі і з'єднані, приладом визначення ємностей.
Мені не вдалось знайти виробника, який би був здатен виготовити PCB плату потрібних розмірів і в одному екземплярі, тому 12 осциляторів зроблені на універсальній перфарованій платі.
Від однобічної плати розміром 300/180мм, яка обійшлась мені $4.20, я здобув потрібний відрізок розміром 240/37мм.
Резистори R2, R3 встановлені вертикально, конденсатори С1 розташовані на зворотному боці плати.
Лейаут плати можна завантажити з мого Github у теці master_oscillators: Spooky-Organ
Далі буде.
