Школа примочкостроения. Часть 1

Автор: | 26.02.2016

Содержание

Предисловие

Итак история этого творения такова. Когда я начал конструировать гитарные примочки, мне начали задавать кучи вопросов уровня — а где у транзистора база. Или еще круче — а что такое резистор? Что это тоже что и сопротивление? Вот так и была рождена идея сделать школу примочкостроения для начинающих. Эту идею поддержали на форуме и вот эта серия статей начинается Она будет полезна не только начинающим, а и тем, кто просто любит читать про примочки (или электронику вообще). Про профессионалов я не говорю так как они занимаются совсем другим. На форуме проводилось обсуждение и в качестве подопытного образца был выбрана примочка «центр тяжести» или ЦТ. Да, кстати, для прочтения таки нужно знать — что такое резистор и что такое конденсатор

Сразу предупреждаю, что звук у “центра тяжести” оказался целиком и полностью отвратным, но статья была уже написана. В любом случае, она позволит вам изучить основы и применить их к любой другой примочке, коих в сети бесчисленное множество.

Итак проэкт! Центр Тяжести для начинающих

В той статейке используется схема из статьи журнала «Радио» №7/96. Автор — Т. Фатыхов., и все вроде бы ничего, да вот сделана примочка на элементарной базе 88 года… Непорядок подумал я и еще 10 человек, даешь на современных микросхемах завопил кто-то на ухо! Поэтому и пришлось на этих самых современных микросхемах делать. А в современных микросхемах отсутствует такая штука как цепь коррекции, Не буду сейчас рассказывать, что это такое просто скажу, что удаление этой цепи, позволяет исключить 6 конденсаторов из примочки, более того новые микросхемы меньше и потребляют меньше. Итак вот схема без цепей коррекции и с новыми микросхемами:

1_schem1

Попытка обьяснить как штука работает

Начнем мы наверное с объяснения что такое операционный усилитель (а все микросхемы в этой примочке как раз и есть этот самый усилитель). Итак — операционный усилитель (далее просто ОУ) это такая микросхема, у которой есть 2 входа и один выход. Один вход инвертирующий, а другой — неинвертирующий. И делает операционный усилитель такую штуку Uout=K(Unoninv-Uinv). А теперь по-русски — напряжение на выходе равняется разности напряжений между неинвертирующим и инвертирующим входами умноженной на коэффициент усиления ОУ. Все бы ничего, да коэффициент усиления у ОУ выбирается равным 30000-100000 а нам нужно получить, к примеру, 10. Для этого используют такую штуку как обратная связь — это связь выхода операционника со входом. Вот посмотрите на схему:

2_schem2

На ней мы видим операционный усилитель и 2 резистора. Сигнал подается на неинвентирующий вход (обозначим сигнал Unoninv) и снимается с выхода (Uout). Напряжение на инвентирующем входе ОУ(Uinv) за счет обратной связи равно (входы ОУ тока не потребляют) Uinv=Uout*R1/(R1+R2). Если подставить эту формулу в ту, что я писал раньше то получим Uout=K(Unoninv-Uout*R1/(R1+R2)) так как Kу стремится к бесконечности, то Uout=Unoninv*(R1+R2)/R1. Другими словами, эта схема — это просто усилитель с коэффициентом усиления в 11. Это был простой пример использования ОУ, но из него ты должен был понять что такое обратная связь и для чего ее используют.

А теперь подробнее про них, операционных усилителей! Кроме громадных удобств у операционников есть и недостатки. Есть такая штука — сигнал у нас двуполярный (то есть при подаче синусоидального сигнала присутствуют обе половины синусоиды — и та, что надо осью и та, что под осью) поэтому нам нужно задать эту самую ось, вокруг которой будет танцевать наш сигнал. Это делается подачей на один из входов половины напряжения питания (Посмотрите на схему — там где 1/2Uпит написано — это оно и есть). Эту «среднюю точку» мы будем получать с помощью делителя напряжения, который представляет из себя два сопротивления и конденсатор. Вот в той точке между двумя резисторами получается как раз пол питания.

3_schem3

Теперь я расскажу историю про то, что такое RC цепочки — Повесть будет краткой. В общем они образуют фильтры нижних или верхних частот в зависимости от включения. Фильтр нижних частот (ФНЧ, левая картинка) пропускает только нижние частоты, а верхних (ФВЧ, правая картинка) — только верхние.

4_schem4

Ну и последнее (надеюсь), что нужно знать для того, чтобы понять как работает примочка — это нелинейные свойства диода. Ну начнем с основного свойства диода — он пропускает ток только в одну сторону. Но на этом свойства диода не заканчиваются у него есть еще две особенности. Первая и главная — это напряжение насыщения. Дело в том, что диоду нужно около 0,4В (для германиевых диодов ) или 0.6В (для кремниевых диодов ) для того, чтобы открыться и начать проводить ток. На этом свойстве основаны 80% транзисторных distortion-эффектов, то есть, простейший distortion— это усилитель с двумя диодами включенными встречно-параллельно и присоединенными к заземлению. А простейший шумодав это усилитель с такимиже двумя диодами, только второй конец этой пары пускается не на землю, а через него пропускается сигнал. Второе свойство диода — это экспоненциальная зависимость тока через диод от напряжения на нем. На этом основаны overdrive эффекты. Креатив, который ниже, представляет из себя вольт-амперную характеристику диода. Если ее внимательно рассмотреть, то можно понять как это все работает.

5_schem5

Чтобы поняли совсем все приведу две картинки, которые поясняют как раз два типа включения, о которых рассказано выше.

Вот собственно диодный ограничитель и осцилограммы в двух точках. Первая (на графике синим и снимается с точки, которая на схеме обозначена синим квадратиком) — это чистая синусоида частотой 500Гц и амплитудой 1,7 вольта. Красное — это то, что получилось после диодного ограничителя. (соответственно на картинке это красным обозначено)

6_dioddist

Теперь про диодные шумодавы. Соответственно все обозначено также как и для случая с ограничителем. Заметьте, что после шумодава есть некоторый диапазон синусоиды в котором напряжение на выходе равно нулю. Благодаря этому шум и уходит.

7_diodnoise

Пару слов о разделительных конденсаторах. Дело в том, что сигнал может быть смещен на некоторое постоянное напряжение относительно нуля. Например синусоида +1В и -1В может колебаться от +4в до 1В вот для того, чтобы убрать эту постоянную составляющую и применяется разделительный конденсатор. Проще говоря он пропускает только переменный ток, но не пропускает постоянный. Чтоб это пояснить вот вам картинка.

8_cap

Синим цветом обозначен сигнал до конденсатора, а красным — уже после.

Изучаем живую примочку

1_schem1

Вот вам схемка еще раз. Итак приступим. И так, что-же такое distortion? С английского distortion— это типа искажение. Ага, значим мы будем искажать сигнал. А зачем спросите вы? А дело в том, что когда искажается сигнал к нему добавляются гармоники и чем их больше, тем звук будет приятнее.. Но есть у уха такое свойство — оно не любит сильно высоких гармоник (вам что нравится звук дрели или пилорамы?) поэтому нам нужно будет от них избавляться.

Отследим путь сигнала от входа к выходу (это наиболее естественный путь наблюдения за сигналом). Итак смотрим. Сигнал поступает на вход, и сразу попадает на цепочку C1R1 узнали что это такое ? Правильно! Это тот самый ФВЧ дело в том, что при самом процессе искажения получается очень много гармоник но если во входном сигнале будет присутствовать слишком низкочастотная составляющая, то примочка будет «захлебываться». Поэтому, если мы хотим получить нормальный звук, то нам нужно отфильтровать низкие частоты в сигнале еще до искажения.
Теперь еще один конденсатор, он называется разделительным — он пропускает только переменный ток, но не пропускает постоянный.

И вот наш первый каскад на операционном усилителе (да, это звучит гордо) на неинвентирующий вход (ножка 3) подается пол-питания, чем задается та ось, про которую я говорил раньше. Резистор R3 и кондетсатор C3 образуют обратную связь (притом из-за наличия конденсатора она зависит от частоты — тоже своеобразный ФНЧ). Коэффициент усиления этого каскада по постоянному напряжению — около 17 (разделите R3/R2), и так если мы подали сигнал с гитары и он дожил R2 (например дожило 100мВ) после такого усилителя мы получим 1,7В.

Теперь опять разделительный конденсатор С4 и почти такой же каскад усиления но в этот раз коэффициент усиления регулируется потенциометром (посмотрите в цепь обратной связи) от 1 (при нулевом сопротивлении потенциометра) до 85 при максимальном. Постой скажет сейчас кто-то. У нас было 1.7 вольта после первого каскада. И тут еще в 85 раз усиливаем ? Что за фигня ? У нас что 144.5 Вольт получается? Ведь питание у нас тока 9 вольт! В том и фишка отвечу я! Вот оно наше долгожданное искажение! Сигнал не может превысить напряжения питания, а потому просто «срезается» то есть становится почти прямоугольным с амплитудой почти 9 вольт! Ну вот и наш дисторшн. А зачем платить больше? Что это за фигня после этого каскада идет? Зачем дальше, если у нас есть уже вожделенные искажения? Да все просто — сейчас объясню. К примеру в сигнале (100мВ) был шум 1мВ (не дай бог вам такого шума) после этого искажения шум стал амплитудой около 2 вольт, а сигнал — 9 то есть разрыв у них уменьшился со 100 до 4 раз что очень плохо. То есть примочка будет шуметь и фонить, что очень плохо. Вот для исправления этого и предназначены последующие цепи. Но это не единственная их цель. Еще они должны сформировать так называемую АЧХ (Амплитудно-Частотную Характеристику — зависимость уровня сигнала от частоты)

Итак что-же происходит с сигналом дальше? А дальше он разделяется на высокочастотную и низкочастотную части и эти части обрабатываются раздельно. В цепи обратной связи ОУ2 присутствуют диоды (D1, D2) это — простейший шумодав (он не пропускает все, что ниже порога открытия диодов — то есть 0.6 вольт). Обработанный ими сигнал пропускается аж через 2 ФНЧ первый из них — R7C7, а второй — R8C8, естественно после такой обработки на инвертирующем входе ОУ3 будут одни басы, поэтому сигнал подается без разделительной емкости, которая бы все испортила (заодно и решается проблема с подачей пол питания так как ось уже установлена как надо). Естественно после такого фильтрования сигнала у нас уменьшается его амплитуда (а любой фильтр уменьшает амплитуду сигнала), и конечно же нам нужно его усилить. Для этого и предназначен ОУ3. В цепи его обратной связи стоит конденсатор, с помощью которого обрезаются совсем низкие частоты (ну зачем вам частота в 10 Гц?) далее идет ФВЧ R11C11 который убирает сигнал, который ниже 35Гц. Вот тут обработка низкочастотной составляющей и заканчивается.

Теперь перейдем к высоким частотам. Тут все очень аналогично. Сигнал, снятый с выхода ОУ2 через ФВЧ R14C13 поступает на пару диодов, которые, как вы уже догадались играют роль шумодава. Через разделительный конденсатор C14 сигнал подается на ОУ4 где отфильтровываются совсем высокие частоты далее сигнал поступает на ОУ5, задача которого перевернуть сигнал (то есть из нижней части синусоиды сделать верхнюю и наоборот). После такого злодеяния сигнал выпрямляется диодами D5 и D6 (эти диоды работают уже не как шумодавы, а как выпрямители и после них получается сигнал очень похожий на сигнал, снимаемый с диодного моста цель такой операции — подавить основную частоту и добавить четных гармоник). Далее сигнал поступает на ФВЧ R19C19 где подается на ОУ6. В цепь его обратной связи включены перестраиваемые ФВЧ (R21C12) и ФНЧ (R22C23) которыми можно регулировать тембр звука. И через уже знакомый шумодав D7D8 сигнал через ФВЧ R24C24 смешивается с низкочастотной составляющей (про которую я писал раньше) и через ФНЧ смесь поступает на выход

Фууххх, ели написал. Сейчас поднимется куча вопросов и наверное главный из них — зачем столько ФНЧ, ФВЧ ? Ответ прост — это для того, чтобы придать АЧХ сигнала такую форму, какую придумал автор этой педальки. А вообще половина этих фильтров используется как раз для разделения сигнала на высокочастотную и низкочастотную составляющие. Зачем столько диодов? Все дело в том, что эта примочка, как я предпологаю, расчитывалась из условия минимума шумов. Поэтому тут и используется столько шумодавов. Достоинство очевидно — шума — ноль. Недостаток тоже есть. Атака звука будет просто ужасающей. Когда вы будете дергать струны звук будет пробивать все. Поэтому зта примочка и рекомендована авторами для «начинающих металлистов». Блюз на ней можно и не пробовать играть.

Итог

Вот собственно я объяснил как оно работает. Только ненужно углубляться в теорию главное примерно понимать как что функционирует. На следующем уроке мы займемся следующим этапом — разводкой печатной платы.