Digitizer или исследование аналоговой оцифровки.

By | 18.08.2016

Предисловие.

 

Прежде всего, хочется отметить, что эта статья по большому счету — исследование, так как при создании схемы в интернете даже и намёка не было на реализацию такого эффекта.

Идея: получить такую форму сигнала на выходе, которая бы описывала входной сигнал ступенчато, при этом следовало сделать наиболее легкую по сложности схему. Так же, как бы бонусом к решению было сделать изменение временного интервала ступенек выходного сигнала без «звуковых артефактов».

digitizer pic1

Наброски.

Из данной иллюстрации понятно, что для создания такой формы нам потребуется генератор, ведь ступеньки будут иметь одинаковый временной интервал. Здесь есть ещё небольшая уловка (*) но об этом позже.

После того, как генератор был спроектирован, проблемой №1 для продвижения дела было то, что известные мне методы запоминания сигнала были цифровые, то есть логический уровень 0 — напряжение «земли», «массы» и логическая 1 — напряжение «питания». Скрепив цифровые счетчики некоторым способом можно организовать ступенчатую форму выходного сигнала, однако этот метод перечеркивает задачу изменения частоты тактования в реальном времени. Идея с цифровыми микро-сборками была вскоре выброшена из головы.

Несколько позже, случайно наткнулся на аналоговые запоминающие «звенья», которые прежде всего входят в микро-сборки аналоговой задержки сигналов. К моему удивлению, они придуманы были очень давно, и даже на их основе я сам собирал эффекты такие как flanger и chorus.

Обнаруженные мной звенья аналоговой задержки сигнала, основанные на выборках и хранении напряжения были на 2 операционных усилителях (ОУ). Но меня это не устраивало — т.к. Мало того что 2 каскада операционного усилителя, так все равно ещё нужен ключ, чтобы создавать «порции» напряжения для запоминания. Покрутив в симуляторе некоторые варианты схем, я остановился на 2-х транзисторах: ключе и повторителе сигнала. Вот и всё! Правда очень просто? Всего 2 транзистора!

Расскажу по порядку как такое звено задержки сигнала работает и причем здесь задержка сигнала.

Безусловно, нашей педали задержка сигнала во времени не нужна. Но, чтобы знать ту суть, почему она работает, это необходимо оговорить.

Представим, что наш прибор уже создан и преобразовывает из поданного сигнала — сигнал ступенчатой формы. Таким образом, и здесь мы не получаем фактической задержки ступенчатого сигнала. Вся суть в том, что, если мы добавим хотя бы ещё один такой же прибор последовательно и подадим на «выборки» сформированные необходимым образом сигналы генератора в противофазе, чередуя фазы через каждый прибор, то, начиная с выхода второго прибора, мы получаем сигнал, который будет задержан во времени на время одного периода генератора, умноженное на количество таких «приборов-звеньев» минус один — потому, что первый не задерживает.

Первая редакция.

Первой редакцией, я называю спроектированную и собранную в первый раз схему для тестов и выявления ошибок. Здесь допускаются грубые нарушения схемотехники, возможно отсутствие смещений и другие аналогичные дефекты. Давайте рассмотрим работу одного такого «звена». Для примера стенда родилась такая схема:

digitizer pic2

Исходный сигнал будем подавать на J1. Далее сигнал поступает на обязательно полевой JFET транзистор. Пусть мы подключаем генератор прямоугольных импульсов к проводнику «выборка» на схеме — это означает, что наш транзистор будет открываться и пропускать поданный на сток сигнал через себя только в том случае, если на затвор этого транзистора поступает напряжение, отпирающее транзистор. Следовательно, после данного транзистора мы будем иметь практически полноценный эффект TREMOLO.

Следующая очень важная деталь — это конденсатор С1. Его функция — запоминать напряжение, которое было к нему приложено. Безусловно, с течением некоторого времени, напряжение на нем будет истощаться, но, для наших импульсов очень коротких по времени, это не принципиально. Почему С1 не разряжается, как обычный конденсатор в любой другой схеме за миллисекунды? Дело в том, что со стороны транзистора Q1, у которого в режиме хранения (когда огромное сопротивление между стоком и истоком — транзистор закрыт) через такое сопротивление не может разряжаться С1 быстро; а с другой стороны наш следующий каскад — Q2 с сопротивлением R1 — это повторитель сигнала. Почему не разряжается С1 через Q2? Потому что я выбрал транзистор Q2 — типа MOSFET — с изолированным затвором; разряжаться С1 через него быстро не сможет — по сути Q2 управляется электрическим полем. А слушать итоговый сигнал будем с разъема J2.

Давайте рассмотрим результаты работы этой схемы по графикам:

digitizerpic3

Что мы видим? Ну во первых, схема работает, что в принципе радует, а значит, направление выбрано верно.

  • красный прямоугольный сигнал — импульсы генератора, поданные на вход «выборка» схемы. То есть на затвор транзистора Q1
  • серый сигнал — наш сигнал, гитара или какой-то музыкальный фрагмент. Для наглядности я изобразил один период синуса.
  • Синие ступеньки — это тот самый наш ступенчатый сигнал, который по некоторым причинам сформирован на 50%.

Почему мы не получили сигнал натуральной ступенчатой формы? Всё правильно, вернёмся к той «уловке» (*) о которой я упоминал в начале исследования.

Если обратить внимание на сигнал генератора, и одновременно на поданный сигнал, видно, что, во время «выборки», когда сигнал генератора равен напряжению питания, нашему сигналу ничего не мешает и он перезаряжает конденсатор С1 в соответствии с напряжением, которое на него поступает. Как только генератор «выборки» переходит в состояние логического нуля (напряжение равно напряжению земли, массы) — попадание нашего музыкального сигнала на конденсатор С1 прекращается, и последнее напряжение благополучно сохраняется, повторяется каскадом Q2 и весело поступает на выход в виде постоянного напряжения сигнально-ступенчатой формы. Далее всё по циклу повторяется с частотой импульсов генератора.

Возникает правомерный вопрос: для чего нам время выборки сигнала такое большое, что конденсатор С1 «перезаряжается» выходным музыкальным сигналом долгое время? Нам нужно всего лишь перезарядить конденсатор C1 «мгновенным» напряжением музыкального сигнала а дальше пусть наступает состояние логического нуля. В итоге форма сигнала и схема сигнала генератора стала следующей:

digitizer pic4

Теперь, когда время выборки стало буквально импульсом, а время хранения увеличилось где-то в 1,8 раза, придется в такое же количество раз увеличить частоту генератора. «Клиническая» картина будет следующей:

digitizerpic5

  • Красного цвета сигнал — генератор импульсов.
  • Серого цвета — музыкальный сигнал.
  • Синего цвета — сигнал на выходе нашего прибора.

Ну, не правда ли, похоже на идею из начала исследования? Ура. Следующей картинкой будет результат симулирования схемы:

digitizer fig1

Хотел бы обратить внимание на некоторую проблему в выходном сигнале. Всё работает исключительно, но в выходной сигнал прокрадываются импульсы генератора. А частота генератора варьируется от 20000 герц и до той частоты, в общем-то, которую вы захотите поставить. Например до 1000 герц. А это звуковой диапазон, и, даже малейшие изменения формы сигнала этими тактами — будут слышны в выходном сигнале.

Итак, что будет слышно, если мы не будем подавать музыкальный сигнал на данное устройство? К нашему разочарованию, мы будем слышать звучание генератора импульсов. Поразмыслив над этим, единственным методом, который бы не портил выходной сигнал, было взаимное уничтожение сигналов генератора импульсов на выходе устройства. Как это сделать? Надо просто резистивно ссумировать в противофазе наш музыкальный сигнал и сигнал генератора в определенной пропорции. Эту пропорцию необходимо настроить на слух. (**)

Давайте взглянем на принципиальное схемотехническое решение устройства:

digitizer scheme

Далее, я представлю печатную плату с электронной кнопкой байпас. Почему так? Потому, что это моё «клише» для любого музыкального эффекта (Внимание, DIP монтаж очень плотный):

digitizerdetales1

Демонстрация работы.

Ниже представлены фрагменты изменения частоты после каждого сэмпла(аудио) и видео оцифровки.

 

Список элементов.

Микросхемы:

  • T1 — К561КТ3
  • T2 — К561ЛН2

Транзисторы:

  • Q1-Q3 — КТ3102 (КТ315)
  • Q4 — BS170 или любой другой мосфет (с изолированым затвором)
  • Q5 — КП303А (буква от Б до И — будет работать некорректно, но работать будет)

Диоды:

  • D1 — я использую 1n4007

Конденсаторы:

  • C1 — 470u 16в
  • С7 — 4.7u
  • C8, C9 — 22u
  • C12 — 47u
  • C2 — 103 — 10n
  • C3 — 223 — 22n
  • C4 — 104 — 100n
  • C5 — 104 — 100n
  • C6 — 104 — 100n
  • C10 — 473 — 47n
  • C11 — 221 — 220p
  • C13 — 221 — 220p
  • C14 — 104 — 100n

Резисторы:

  • R1, R6, R16, R19, R20, — 10k
  • R2 — 910k
  • R3, R5, R8, R25 — 100k
  • R4 — 3k
  • R7, R18, — 510k
  • R9 — 610 ohm
  • R10, R11, R12 — 370k
  • R13, R15, R17 — 22k
  • R14, R21, R24 — 1k
  • R21, R23 — (**)

Заключение.

В заключение, хочу представить вашему вниманию спектрограммы выходного сигнала такого устройства при разной частоте генератора и даже при изменяющейся частоте генератора.

Каждый раз, глядя на них, я ощущаю огромный потенциал данного устройства, однако куда его можно применить, пока что не могу придумать. Вот некоторые из спектрограмм, сделанные в программе baudline:

digitizer spectro1

На этой картинке представлен динамический процесс изменения частоты генератора импульсов. Те, кто более внимательны, узнают эту картину: очень похоже на спектрограмму эффекта Flanger на белом шуме. Однако это будет темой моего следующего исследования. На практике же ничего общего эта спектрограмма с Flanger’ом не имеет.

digitizer spectro2

«Что это означает? Как так может быть?» — многие зададут такие вопросы. Однако свойства ступенчатого сигнала на спектрограмме удивительны. Давайте рассмотрим.

Вертикальные 3 линии на этой картинке и есть «пролезание» генератора импульсов в выходной сигнал. Я это сделал специально, чтобы повторения частотной характеристики были более очерчены. Также здесь мы можем наблюдать, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) входного сигнала как бы зеркалируется и дополняется к реальной АЧХ. Постепенное уменьшение частоты тактования — увеличивает количество таких «копий» АЧХ сигнала.

digitizer spectro3

На данном рисунке видно, что копий весьма много, а это в свою очередь означает, что частота выборок низкая, по качеству этот звук будет напоминать что-то вроде звука в игре Mario на процессоре Z80.

Пока печатал этот текст, в голову влезла невероятная мысль, к сожалению не музыкальная. Эти картинки — полноценные стерео-картинки, как в журнале «Один дома» или «Каламбур». Вот как бывает! А ведь случайно получилось. На последней картинке можно увидеть, например, стену с обоями и плитой перекрытия под потолком. Хаха! :)

Всем удачи!