Материал: МРБ 1074. Бирюков С.А. Цифровые устройства на интегральных микросхемах

Генераторы для музыкальных инструментов генератор для настройки музыкальных инструментов

Описываемый генератор позволяет получить на выходе сигнал с ча­стотой, соответствующей любой ноте от контроктавы до пятой октавы.

Частота каждой ноты может быть установлена как точно в соответствии с хроматической гаммой, так и с поправкой до ±50 центов относительно это­го значения, что позволяет настраивать инструменты по любой зависимости, в том числе и в соответствии с кривыми Мейнеля и Рейнсбека. Выбор ча­стоты осуществляется тремя переключателями — Октава, Нота, Поправка. Дискретность установки частоты — 1 цент, ошибка в любой точке не превы­шает ±0,6 цента. Выходной сигнал генератора — меандр в уровнях ИС ТТЛ.

Схема генератора приведена на рис. 83. Задающий генератор собран на элементе DD1.1 и кварцевом резонаторе 11 на частоту 10 МГц. Через бу­ферный каскад DD1.2 сигнал поступает на преобразователь частоты на ин­тегральных микросхемах DD2 и DD3 типа К155ИЕ8. Выходная частота преоб­разователя в зависимости от сочетания сигналов, подаваемых на входы 1 — 32 DD2 и DD3, может составлять от 1/4096 до 4095/4096 входной частоты.

На входы 32 к 4 DD2 постоянно подан логический 0, логическая 1 — на входы 16, 8, 2, а также при показанном на схеме положении переключателя SAf.7 и на вход 1. При выключенных SA1.1 — SA1.6 на входы 1 — 32 DD3 также поступает уровень логического 0. В результате частота на выходе DD3 составляет (64+128 + 512+1024)/4096 = 1728/4096 от входной частоты. При включении SA1.6 коэффициент передачи DD2, DD3 увеличивается до (1728+1)/4096 от входной частоты. Относительное изменение выходной частоты составит 1729/1728=1,000 578 7, что очень близко к (2)^-1200, т. е. к изме­нению частоты на 1 цент. Напомним, что относительное изменение частоты на один полутон составляет (2)^-12, а на один цент — (2)^-1200 . Включение переключателя SA1.5 увеличит частоту на 2 цента, SA1.4 — на 4 и т. д. Совместное включение нескольких переключателей увеличивает часто­ту на суммарную величину. В результате включением шести переключателей SA1.1 — SA1.6 можно увеличить частоту на 63 цента.

Если включить SA1.7 при выключенных остальных переключателях, сиг­налы на входах 1 — 32 DD3 и на входе 1 DD2 изменятся на противополож­ные, суммарное изменение частоты составит 1+2 + 4 + 8+16+32 — 64= — 1 цент. Теперь включение SA1.6 будет уменьшать выходную частоту на 1 цент, вклю­чение SA1.5 — на 2 цента и т. д., т. е. включение SA1.7 изменяет знак воз­действия SA1.1 — SA1.6. В результате соответствующим включением переклю­чателей SA1.1 — SA1.7 выходную частоту преобразователя DD2, DD3 можно изменять на — 64- +63 цента. Указанная выше точность 0,6 цента выдержи­вается при введении поправки, не превышающей 50 центов.

Номинальная частота сигнала на выходе DD2, DD3 составляет 1728/4096Х Х10 МГц=4 218750 Гц. Этот сигнал через буферный инвертор поступает на вход еще одного преобразователя частоты на микросхемах DD4 и DD5. Уп­равление коэффициентом передачи этого преобразователя осуществляется шиф­ратором переключателя Нота. Каждой ноте соответствует определенный двоичный двенадцатиразрядный код, подаваемый на входы 1 — 32 DD4 — DJ5. Дли примера рассмотрим формирование сигнала с частотой ноты до. Для этой но­ты код шифратора составляет 1000 0010 0001₂=2081₁₀. Коэффициент передачи делителя составит 2081/4096=0,508 066 64, а выходная номинальная частота пре­образователя DD4, DD5 — 4 218 750X0,50 805 664=2 143 364 Гц.

Эта частота поступает на двоичный делитель на ИС. На выходе 12 DD8 частота уменьшится в 2⁹ = 512 раз и составит 4186,26 Гц, что соответствует до 5-й октавы с точностью до 0,25 Гц. Ошибка в 0,25 Гц составляет 6-10^-5 от точного значения, или приблизительно 0,1 цента.

Коды шифратора К для всех двенадцати нот приведены в табл. 4, там же указаны относительные отклонения Af/f получаемых частот от точного значения.

На других выходах ИС DD8, DD9 формируются частоты остальных октав, вплоть до контроктавы. Выбор нужной октавы осуществляется переключате­лем SA2. Схема соединения его контактов исключает замыкание выходов мик­росхем DD8, DD9 между собой при случайном включении двух кнопок.

Если в генератор установить кварцевый резонатор с частотой 5 МГц, на выходе 8 DD9 можно получать частоты субконтроктавы, а частоты 5-й ок­тавы — на выходе 11 DD7. Такой же результат можно получить, добавив в схему генератора еще один счетный триггер между выходом 6 DD5 и входом 14 BD6.

Рис. 83. Генератор для настройки музыкальных инструментов

Таблица 4

Нетрудно видеть, что генератор вообще некритичен к исходной частоте. Практически возможно использование кварцевого резонатора на частоту от 1 до 15 МГц, необходимо лишь заново рассчитать коды шифратора ноты и соответственно изменить число двоичных делителей DD6 — DD9. Наиболее удобно использование кварцев с частотой от 9 592 200 Гц до 10 161000 Гц или с вдвое, или вчетверо, или в 8 раз более низкой часто­той. Для них коэффициенты передачи преобразователя DD4, DD5, находятся в пределах приблизительно от 0,5 до 1, что обеспечивает максимальную точ­ность формирования выходных частот.

При использовании кварцевых резонаторов с частотой менее 8 МГц мо­жет потребоваться изменение схемы кварцевого генератора.

Покажем, как рассчитать коды шифратора ноты для произвольной часто­ты кварца, превышающей 9 592 200 Гц. В табл. 4 приведены значения частот нот 5-й октавы, увеличенные в 2⁹=512 раз, т. е. соответствующие выходной частоте преобразователя DD4, DD5 при частоте кварца, близкой к 10 МГц» Эти частоты следует разделить на номинальную выходную частоту преобра­зователя DD2, DD3, которая составляет 1728/4096 = 0,421 875 от частоты квар­цевого генератора. В результате получится для каждой ноты коэффициент пе­редачи преобразователя DD4, DD5, его следует умножить на 4096, округлить до ближайшего целого числа и перевести в двоичную форму.

Старший разряд двоичного эквивалента определит сигнал, который необ­ходимо подать на вывод 3 DD4 (вход 2048), младший — на вывод 4 DD5 (вход 1). Если частота кварцевого резонатора близка к 10; 5; 2,5 или 1,25 МГц и находится в указанных выше пределах, все коэффициенты передачи, как-указывалось выше, заключены в интервале 0,5 — 1 и в старшем разряде двоич­ного эквивалента 1, что определяет подачу на вход 2048 логической единиц» независимо от ноты.

Если частота кварцевого резонатора ниже указанной, то ее перед расче­том следует умножить на 2, 4 или 8 так, чтобы она стала больше этого зна­чения. Порядок расчета полностью сохраняется, а из схемы рис. 83 следует ис­ключить соответственно 1, 2 или 3 разряда двоичного делителя.

Рис. 84. Схема шифратора для частоты кварцевого резонатора 10 МГц

По полученной таблице двоичных эквивалентов следует составить схему шифратора. Наиболее просто шифратор можно построить, используя переклю­чатель П2К с взаимовыключением. Переключатель должен иметь 12 кнопок, каждая по 8 контактных групп на переключение. Если сгруппировать неко­торые цепи шифратора, можно уменьшить число контактных групп. Схема шиф­ратора для частоты кварцевого резонатора 10 МГц (естественно, пригодна» и для 5; 2,5; 1,25 МГц) приведена на рис. 84. Переключатель этого шифра­тора использует секции на четыре контактные группы.

При отсутствии переключателей с необходимым числом контактных групп Шифратор можно собрать на любых маломощных диодах. Необходимое число диодов соответствует общему числу нулей в двоичных эквивалентах коэффи­циентов передачи, для частоты кварца 10 МГц необходимо 65 диодов. Фраг­мент схемы диодного шифратора приведен на рис. 85.

Рис. 85. Схема диодного шифратора

Переключатель SA1 — П2К с независимой фиксацией, SA2 — П2К с взаимо­выключением (см. рис. 83).

Блок питания генератора должен обеспечивать напряжение 5 В при токе 0,6 А.

Настройка генератора сводится к точной установке частоты кварцевого ге­нератора подбором С1 и, возможно, конденсатора, дополнительно включенного последовательно с кварцевым резонатором. Правильность формирования частот следует проверить с помощью цифрового частотомера. Контролировать часто­ты генератора целесообразно на выходе 6 DD5, они должны соответствовать указанным в табл. 4. Если отклонение частоты от необходимого значения пре­вышает 0,025%, допущена ошибка в расчете или монтаже шифратора ноты.

Для настройки музыкальных инструментов не по хроматической гамме для каждой ноты следует вводить поправку, набирая ее на переключателе SA1. График или таблицу зависимости поправки от настраиваемой ноты целесооб­разно подложить под фальшпанель генератора, выполненную из органического стекла.

Генератор аккордов для эми

Описываемый генератор аккордов для электромузыкальных инстру­ментов позволяет получать на выходе аккорды мажор, минор, септ-аккорд на­жатием на одну клавишу. Схема генератора приведена на рис. 86.

Входы четырех мультиплексеров DD5 — DD8 подключены к выходам соот­ветствующих делителей ЭМИ. Элементы DD1 — DD3 образуют шифратор кода 1 — 2 — 4 — 8. При нажатии на любую из кнопок переключателя SB1 на выходе шифратора образуется код, соответствующий нажатой кнопке. При нажатии, например, на кнопку SB1.7 (фа-диез) выключаются элементы DD2 и DD3-1 и на выходе шифратора появляется код 0110. Этот код поступает на адрес­ные входы мультиплексеров DD5 и DD6, и на выходах появляются сигналы со входов 6 этих микросхем — фа-диез 1-й октавы и до-диез 2-й. На входы мультиплексеров DD7 и DD8 тот же код поступает через сумматоры DD9 в DD10. На вторые входы сумматора DD9 может также поступить код О001₂=1ю при включении переключателя SA2.1 (мажор) или SA2.3 [септ-ак­корд). На вторые входы DD10 при нажатии SA2.1 (мажор) или SA2.2 (ми-пор) поступит код 0010₂=2io. Эти коды в сумматорах складываются с кодом с выхода шифратора и, поступая на адресные входы DD7 и DD8, сдвигают номера входов микросхем DD7 и DD8, сигналы с которых поступают на их выходы.

Рис. 86. Схема генерато­ра аккордов

Будем считать, для определенности, что включены SA2.1 nSA2.7. В этом случае на входах DD9 присутствуют коды 0110 и 0001, следовательно, на вы­ходе DD9 код суммы — 01112=7ю. Этот код определяет прохождение на вы­ход DD7 сигнала со входа 7 этой микросхемы — ля-диез 1-й октавы. Анало­гично на входах DD10 коды ОНО и 0010, на выходе — 1000₂-8₁₀. На выход DD8 проходит сигнал со входа 8 этой микросхемы, т. е. фа-диез 2-й октавы. В результате в общей точке соединения резисторов R4 — R7 сформируется сложный сигнал, содержащий четыре частоты — фа-диез 1, ля-диез 1, до-диез 2, фа-диез 2, т. е. мажорный аккорд, взятый от ноты фа-диез 1-й октавы. Если включен SA2.2, то выходной сигнал содержит фа-диез 1, ля 1, до-диез 2, фа-диез 2, формируется минорный аккорд от фа-диез 1-й октавы. При вклю­чении SA2.3 выходной сигнал состоит из фа-диез 1, ля-диез 1, до-диез 2, ми 2 — септ-аккорд. Если нажимать другие кнопки переключателя SB1, будут формироваться указанные аккорды, но от других начальных нот первой ок­тавы.

Для управления устройством формирования огибающей можно исполь­зовать сигнал с коллектора VT1. Если ни одна из кнопок SB1 не нажата, транзистор VT1 закрыт и на его коллекторе напряжение около +5 В. При нажатии любой из кнопок SB1 ток резистора R1 или входной ток микросхем-DD1 — DD3 включает VT1 и напряжение ОД — 0,2 В с его коллектора, посту­пая на вход управления УНЧ, включает формирователь огибающей.

Для того чтобы аккорды можно было брать не только от нот 1-й октавы, можно поступить так. Входы, подключаемые по схеме к выходам делителей 1-й октавы, подключить к соответствующим выходам 4-й октавы, подключае­мые по схеме к выходам 2-й октавы — к выходам 5-й. Между выходами DD5 — DD8 и резисторами R4 — R7 включить четыре переключаемых делителя на двух микросхемах К155ИЕ5 каждый. В результате, оперируя тремя пере­ключателями — SB1 Нота, SA2 — Аккорд и дополнительным переключателем Октава, можно будет взять любой аккорд от любой ноты ЭМИ.

На выходе сумматора схемы рис. 86 скважность импульсов каждой из частот, слагающих аккорд, соответствует скважности импульсов, поступающих на входы мультиплексеров. Если же формирователь дополнить делителями, как указано выше, скважность составляющих импульсов на выходе суммато­ра станет равной 2, если, конечно, не принять специальных мер.

Другим способом формирования аккордов может служить использование мультиплексеров на большее число входов. При таком способе скважность вы­ходных импульсов будет равна скважности входных, однако схема формиро­вателя и особенно его монтаж значительно усложняется.

При монтаже формирователя следует учесть, что в случае, если провод­ники, соединяющие контакты переключателей SB1 и SA2 с микросхемами DD1 и DD4, будут иметь длину более 100 — 200 мм, между этими проводниками и плюсом источника питания необходимо включить резисторы сопро­тивлением 5 — 10 кОм (аналогично R1), это исключит влияние помех на работу формирователя.