Mengapa synthesizer musik yang dibangun dari rangkaian multivibrator astabil menjadi "tidak selaras" setelah beberapa jam?

Saya membuat prototipe keyboard / sound synthesizer menggunakan rantai 13 sirkuit multivibrator astable yang outputnya terhubung ke chip penguat audio (LM386) dan speaker, semuanya dimatikan dengan baterai 9V DC.

Setiap sirkuit individu disetel ke salah satu dari 13 frekuensi dalam satu oktaf musik (C5, C #, D, dll hingga C6) dengan memvariasikan trimpot fine-tune yang ada dalam seri dengan nilai-nilai resistor spesifik dan yang mendapatkan osilasi ke dalam frekuensi rata-rata.

Osilasi adalah multivibrator astabil BJT klasik yang dapat Anda lihat pada Gambar 1 di sini dan yang dijelaskan dalam artikel ini .

Prototipe tetap dengan benar selaras untuk waktu yang singkat (hingga satu hari).

Anda bisa mendengar suaranya di sini. (Aman untuk memulai pada 0: 49s - konstanta Wadsworth ;))

Apa yang tidak bisa saya pahami adalah mengapa sirkuit tersebut nampak terpisah secara spontan, yaitu satu atau lebih sirkuit individu berakhir dengan frekuensi yang berbeda dari apa yang mereka setel (diperiksa dengan oscope dan piano referensi) .

Deviasi frekuensi detuning biasanya 2-5%, yang terlihat jelas (misalnya C5 pada 523Hz mungkin mengembara ke 540Hz atau 510Hz). Menariknya, detuning tidak pernah terjadi saat bermain. Tetapi beberapa jam kemudian, tombolnya tidak lagi terdengar sama.

Saya awalnya berpikir mungkin pot pemangkas mekanis santai sendiri. Untuk menghilangkan ini saya mengganti pot pemangkas untuk mencoba "mengunci" frekuensi tertentu berdasarkan nilai-nilai resistor saja sehingga tidak ada variabilitas yang tersisa dalam desain.

Tetapi masalah de-tuning tetap ada bahkan setelah mengganti trimpots dengan nilai resistor tetap.

Sebelum: synthesizer analog 13-kunci dengan nilai resistor tetap

Resolusi: Terima kasih semua atas umpan balik yang bermanfaat, ide-ide desain digital, dan konteks historis untuk lebih memahami tantangan dari desain analog murni. Semua jawaban sangat bagus. Saya telah menerima jawaban ToddWilcox ketika saya dapatkan dari itu bahwa (a) detuning adalah bagian yang diharapkan dari desain analog murni, (b) kesenian terletak pada bagaimana membangun cara licik menyetel instrumen dengan cepat.

Untuk mengatasi masalah langsung, saya telah menempatkan pot pemangkas (1-2K ohm) kembali dalam desain untuk memberikan tuneability 2-5% untuk setiap tombol. Dibutuhkan beberapa menit di awal permainan untuk menyetel 13 osilator, setelah itu mereka tetap selaras selama beberapa jam pada suatu waktu. Lihat gambar baru di bawah ini.

Akan memposting hasil percobaan menggunakan kutil di dinding, baterai segar. Desain digital (menggunakan pembagi digital dan / atau 555 chip waktu) menarik, dan berpotensi memampatkan ukuran secara signifikan. Pembaruan di masa depan dapat ditemukan di halaman proyek di sini .

Setelah: 13-key analog synthesizer dengan pot pemangkas (1-2k ohm) untuk kemampuan menyetel

Apa yang tidak bisa saya pahami adalah mengapa sirkuit tersebut nampak terpisah secara spontan, yaitu satu atau lebih sirkuit individu berakhir dengan frekuensi yang berbeda dari apa yang mereka atur (menggunakan oscope, dan kemudian piano referensi).

Perubahan suhu, seperti yang disebutkan dalam jawaban lain.

Saya menambahkan jawaban di sini karena, sebagai seorang musisi, saya lebih suka suara osilator yang 100% analog daripada desain berdasarkan:

sirkuit yang digunakan sebagai osilator frekuensi tunggal yang lebih tinggi berdasarkan kristal toleransi dekat. Kemudian penggunaan penghitung digital digunakan untuk membagi frekuensi ini ke frekuensi yang diinginkan untuk setiap nada dalam skala.

EE pada Stack ini mungkin berkomentar tanpa akhir bahwa saya secara ilmiah tidak dapat mendengar perbedaannya. Percayalah ketika saya mengatakan bahwa dompet saya sangat berharap bahwa saya tidak bisa mendengar perbedaannya, tetapi saya bisa, dan itu tidak halus.

Bagaimanapun, 100% produsen synth analog utama seperti Moog Music dan Sequential Circuits (sebelumnya DSI) telah memecahkan masalah ini dengan cara yang berbeda selama bertahun-tahun. Solusi old-school membutuhkan intervensi pengguna dan penyetelan yang sering. Moog Minimoog asli (AKA "Model D" setelah varian yang paling populer) memiliki rangkaian osilator kristal yang dibangun di bagian yang bukan bagian dari jalur sinyal, tetapi akan menciptakan nada 440 Hz yang stabil. Anda mengaktifkan nada kristal 440Hz, kemudian memainkan nilai A pada keyboard, dan kemudian memutar kenop Master Tuning untuk menyetel kembali synth dengan telinga. Ini praktis karena Minimoog (sudah diterbitkan kembali dengan beberapa perbaikan teknologi) adalah monosint. Setelah Anda menyetel bank tiga osilator bersama-sama, Anda selesai.

Sirkuit Berurutan Nabi 5 adalah hal yang berbeda. Semua generasi audio dan jalur sinyal adalah analog dan rentan terhadap penyimpangan, dan dalam suatu cara, proses serupa digunakan untuk Minimoog untuk penyetelan, tetapi alih-alih pengguna mendengarkan nada osilator kristal dan secara manual menyetel osilator analog, Nabi 5 menampilkan kalibrasi tuning otomatis yang dikendalikan mikroprosesor. Menurut satu sumber, penyetelan membutuhkan waktu sekitar 15 detik setelah tombol Tune ditekan.

Salah satu alasan mengapa sistem tuning otomatis diperlukan untuk Nabi 5 adalah bahwa alih-alih menjadi synth osilator 3 monofonik, itu adalah polifonik dengan 5 suara masing-masing 2 osilator, dengan total sepuluh osilator. Karena penyimpangan dapat terjadi di tengah-tengah pertunjukan, diperlukan cara yang cukup cepat untuk menyetel ulang synth yang diperlukan untuk membuatnya berguna bagi para musisi.

Jadi, yang saya sarankan adalah jika Anda sedang membangun osilator Anda sendiri untuk mendapatkan nada analog 100%, Anda akan ingin membuat beberapa mekanisme penyetelan. Anda juga mungkin harus bermain dengan desain oscillator untuk mencoba membuatnya se-stabil mungkin.

Jika saya menuju ke jalan ini, saya akan mulai dengan metode Moog dan memastikan saya tahu bagaimana merancang master tune knob yang dapat saya gunakan untuk dengan cepat menyetel kembali synth dan bekerja untuk mendapatkan desain yang stabil untuk setidaknya satu jam di ruang rumah yang khas. Kemudian saya mungkin melihat "lulus" untuk menempel pada mikroprosesor yang secara elektrik dapat membandingkan osilator dengan kristal referensi dan secara otomatis menyesuaikan tombol tuning.

Saat ini, baik Sequential Circuits dan Moog Music memiliki penyesuaian tuning yang dikontrol mikroprosesor waktu-nyata dalam produk Nabi 6 dan Model D yang diterbitkan ulang, dan Sequential bahkan menawarkan kontrol tambahan yang memungkinkan Anda mengontrol seberapa baik mikroprosesor mempertahankan penyetelan, untuk mendapatkan beberapa vintage Osilator-gaya hanyut dalam suara.

Lebih lanjut tentang desain Nabi 5

Satu cara osilator untuk Nabi 5 dibuat lebih stabil adalah dengan menggunakan sirkuit terintegrasi analog yang memiliki sebanyak mungkin osilator lengkap pada satu chip. Itu berarti bahwa semua komponen pada chip mengubah suhu bersama (setidaknya lebih dekat bersama-sama daripada komponen diskrit).

Ada juga "sirkuit kompensasi suhu on-chip". Saya tidak yakin persis apa yang terlibat, tetapi dugaan saya adalah bahwa desain sirkuit yang menggunakan komponen on-chip untuk membuat tegangan aktual melayang karena suhu chip "batal", sebanyak mungkin.

Halaman 2-19 dari Manual Layanan Nabi 5 sangat menarik pada topik ini: https://medias.audiofanzine.com/files/ berikutnyaentialcircuitsprophet- 5servicemanual-text-470674.pdf

Dan saya menemukan makalah yang menarik tentang desain sirkuit kompensasi suhu analog untuk osilator kristal: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Anda telah dengan jelas membangun sirkuit yang sepenuhnya analog dan menghasilkan frekuensi di setiap osilator yang bergantung pada berbagai faktor seperti:

1. Perubahan tingkat tegangan catu daya ke osilator.
2. Perubahan tingkat Vbe dari transistor dengan suhu.
3. Perubahan nilai resistor dari waktu ke waktu dan suhu.
4. Perubahan nilai kapasitor dari waktu ke waktu dan suhu.
5. Perubahan karakteristik dielektrik kapasitor dalam konfigurasi osilator astabil.
6. Perilaku sirkuit liar berubah karena hal-hal di sekitar prototipe.
7. Posisi bulan relatif terhadap matahari seperti yang dilihat dari bumi.

Ada cara untuk membangun sirkuit yang tidak memiliki banyak frekuensi operasional. Mereka dirancang untuk menghilangkan atau membatalkan berbagai efek yang disebutkan di atas. Salah satu cara konvensional adalah merancang rangkaian yang digunakan sebagai osilator frekuensi tunggal yang lebih tinggi berdasarkan kristal toleransi dekat. Kemudian penggunaan penghitung digital digunakan untuk membagi frekuensi ini ke frekuensi yang diinginkan untuk setiap nada dalam skala.

Untuk menunjukkan nilai dari pendekatan sirkuit digital, saya membuat spreadsheet kecil yang menunjukkan oktaf catatan musik dari C5 hingga C6. (Frekuensi nominal adalah nilai yang diambil dari bagan yang ditemukan di Google dan tidak dihitung dalam spreadsheet dengan rumus skala dari referensi A [440]).

Menggunakan frekuensi kristal 22,1184 MHz (yang merupakan frekuensi MCU umum digunakan dalam bisnis tertanam 8-bit) Anda dapat melihat bahwa dengan faktor pembagian digital integer untuk setiap catatan bahwa frekuensi yang dihasilkan sangat dekat dengan nominal yang diinginkan.

Namun faktor lain yang belum disebutkan adalah fakta bahwa rangkaian ini bertenaga baterai.

Karena Anda mengendarai speaker, konsumsi daya akan signifikan (sebagaimana dibuktikan dengan penggunaan LM386), dan baterai 9 volt akan mengalami penurunan tegangan yang signifikan selama beberapa jam. Tegangan pasokan adalah faktor lain dalam menentukan frekuensi operasi osilator Anda.

Coba ganti baterai Anda dengan kutil dinding 9 volt dan lihat apa yang terjadi.

Jawaban: pelepasan terjadi karena karakteristik bagian yang berubah karena pemanasan, perubahan suhu, dll. Anda dapat meminimalkannya dengan meletakkannya di ruang yang dikontrol suhu, dan membiarkannya stabil sebelum menggunakannya.

Saya melakukan hal yang sama di sini menggunakan mikrokontroler untuk membuat 13 nada.

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

Saya hanya punya 8 tombol ketika saya melakukan demo. Saya menggunakan speaker self-power PC untuk memutarnya.

Nada dibuat pada tingkat akurasi mikrodetik. Dan karena mereka didasarkan pada sumber jam kristal 16 MHz, mereka tidak melayang.

UC, Atmega1284P, memiliki 32 IO, sehingga 13 tombol dan 13 output langsung didukung.

Ingin lebih banyak catatan? Tambahkan prosesor lain dan ubah larik yang berisi setengah periode nada.

Tidak suka nada dasarnya gelombang-persegi? Tambahkan pemfilteran ke output.

Frekuensi osilator RC tipikal dikontrol oleh konstanta waktu RC dan jumlah "RC decay" yang diperlukan untuk setiap siklus. Salah satu alasan mengapa sirkuit 555 lebih stabil daripada banyak jenis osilator relaksasi lainnya adalah bahwa rasio voltase yang diayunkannya relatif tidak terpengaruh oleh karakteristik transistor yang terlibat. Sebaliknya, monovibrator astabil yang Anda gunakan sangat sensitif terhadap karakteristik penyalaan transistor, yang pada gilirannya sensitif terhadap suhu.

Saya menduga bahwa instrumen perlu beberapa saat untuk diperbaiki, dan pada saat itu sudah selaras, semua transistor akan mencapai suhu operasi kesetimbangan. Jika seseorang mematikan instrumen, transistor akan menjadi dingin. Jika seseorang menyalakan daya dan segera mulai bermain, mereka akan menjadi lebih dingin daripada ketika instrumen disetel, tetapi jika seseorang menunggu transistor mencapai suhu di mana mereka disetel, penyetelan harus mendekati apa yang seharusnya. menjadi.

Kebetulan, organ elektronik tabung hampa tempat saya tumbuh menggunakan sirkuit LC yang sudah disetel daripada sirkuit RC. Frekuensi rangkaian LC yang disetel akan dikontrol terutama oleh nilai kapasitor dan induktor yang dapat disetel. Jika seseorang ingin meminimalkan jumlah komponen penguat (organ yang digunakan 1/2 dari tabung triac ganda untuk setiap osilator), menggunakan sirkuit LC mungkin merupakan pendekatan praktis, meskipun induktor yang dapat disetel dengan ukuran yang sesuai mungkin akan lebih mahal daripada kebanyakan chip.