Como esse aplicativo CD4013 deve funcionar?

Estou tentando solucionar um problema do sintetizador que tenho, um sintetizador do início dos anos 80 da Roland chamado RS-09. Estou apenas começando a estudar lógica e estou perplexo com o que está acontecendo. Neste sintetizador, um 4013 está sendo usado como um divisor de frequência para dividir ou não dividir um sinal de acionador de um oscilador principal com base em se o usuário selecionou um recurso chamado "Octave down" através de um comutador. A saída Q do 4013 passa para um "gerador de oitava superior" que o utiliza para gerar as 12 notas de uma escala cromática a partir da qual todas as outras notas são feitas. No momento, ele está funcionando apenas no modo "Octave para baixo"; sem "Octave down" selecionado, todas as teclas produzem ruído. Aqui está um close desta parte do esquema. A linha vertical rotulada com "10" se conecta ao comutador,

O 4013 é configurado para que a tensão "alta" seja 0V e a tensão "baixa" seja -10V (a seta para baixo é a fonte de -10V). Quando a opção "Octave down" é selecionada e o 4013 deve se dividir, o comutador aplica -10V, que envia um pouco menos que -10V para SET (pino 8) através do resistor de 15kHz; quando "Octave down" não está selecionado, 0V é conectado a esse caminho. No modo Octave down, esse -10V também é capaz de passar pelo diodo D206 para RESET (pino 10) (menos 0,6-0,7V da queda do diodo) e com o reset e o ajuste mantidos no estado baixo, o flip-flop está em no modo de relógio, respondendo ao sinal de disparo do oscilador principal. Isso parece estar funcionando muito bem. Com Q / conectado a D como está, o flip-flop também "divide binário" e Q emite uma onda quadrada com 1/2 da frequência do gatilho.

Meu problema é que não entendo o que deveria estar acontecendo quando "Octave down" não está selecionado. Não vejo como isso poderia funcionar, e não funciona. Isto é o que meu entendimento é, mas algo deve estar errado:

O ~ 0V em SET o mantém no estado alto, mas não pode passar pelo D206 para RESET, deixando o reset aberto para receber suas "instruções" do oscilador (modo direto). O oscilador de gatilho começa a oscilar entre +5 e -10V, mas o diodo fixa-o em 0V para cortar a parte positiva e é enviado para RESET [editar: isto não é exatamente o que está realmente acontecendo-- veja as imagens do osciloscópio abaixo]. Porém, com o conjunto mantido alto, os únicos resultados possíveis para Q são o estado alto quando o oscilador está em seu ponto baixo enviando ~ -10V para redefinir, quando Q é alto e Q / é 0 e o "estado não permitido" de ambos Definir e redefinir sendo alto, resultando em Q e Q / alto, quando o oscilador estiver em seu ponto alto. Portanto, Q apenas envia uma "alta tensão" constante (0V neste caso) com um pouco de ruído. Isso é o que eu esperaria e o que eu estou vendo fazer. Minhas medições de medidor e osciloscópio confirmam que é isso que está acontecendo.

Como é que isso deveria funcionar? Algo está claramente errado, tanto na minha interpretação de como deve funcionar quanto na maneira como o circuito está realmente funcionando, mas já o examinei tantas vezes e ainda não consigo descobrir.

Sua ajuda é muito apreciada!

Editar: estou adicionando essas fotos do osciloscópio mostrando diferentes entradas e saídas na configuração que não está funcionando (oitava mais alta). Deixei a posição vertical onde o centro é 0V para mostrar suas posições relativas. Estou em 0.5V / div. Fiquei surpreso ao ver quão negativa é a forma de onda em Reset e quão pequena é a amplitude. Isso é um pouco diferente do que eu pensava ter observado antes e mais aparentemente "incorreto".

A saída do oscilador principal (onde chega ao CLOCK) também não é uma forma de onda de gatilho atraente, e meu entendimento era que o 4013 requer um bom gatilho, mas parece estar funcionando no modo de relógio, então talvez isso não seja um problema.

Eu sei que esse segmento ficou inativo, mas achei que seria uma boa ideia postar de qualquer maneira, caso fosse útil para alguém que trabalha em um sintetizador Roland antigo com problemas baseados em 4013.

Especificamente, eu tenho trabalhado o relógio do arpejador interno no quadro de atribuição de teclas de um Roland Jupiter-4 (o Jupiter-4 foi lançado no mesmo ano que o RS-09). O circuito em questão está abaixo:

Inicialmente, parece que, com a linha Set (pino 6) do primeiro flip-flop empatada, não havia como o 1Q (pino 1) ser diferente de alto, de modo que o sinal no CP5 ser fixo alto, decididamente não a onda de pulso mostrada no diagrama. E isso é realmente o que acontece se alguém usa no circuito um CD4013 moderno com o comportamento convencional de Set / Reset (ou seja, quando Set e Reset estão altos, Q e Q / estão altos). No entanto, parece que nem todos os 4013s se comportam dessa maneira.

Ou seja, posteriormente no manual de serviço Jupiter-4, a Roland especifica que o TC4013 da Toshiba deve ser usado (especificamente, o TC4013BP, de acordo com a lista de materiais):

Ainda mais tarde no manual de serviço, a Roland fornece a tabela de pinagem e de verdade para o TC4013 e, eis que o TC4013 usa uma funcionalidade Set / Reset que difere do CD4013 convencional. Especificamente, o TC4013 se comporta de modo que, quando Set e Reset são altos, Q é baixo e Q / é alto; ou seja, a redefinição tem precedência sobre o conjunto, pois esta tabela do manual de serviço indica:

É esse comportamento estranho de Set / Reset que é crítico para produzir a onda de pulso no CP5 no circuito Jupiter-4 acima. Acredito que os problemas baseados em 4013 nos sintetizadores Roland desta época - como o RS-09 neste segmento, bem como os problemas de "compatibilidade" identificados em outras partes do SH-101 - provavelmente resultam dessa divergência em relação ao convencional CD4013 Set / Reset comportamento. Aparentemente, Roland tomou a duvidosa decisão de design de confiar no que os fabricantes de chips provavelmente consideravam uma configuração "não permitida" para Set / Reset ...

De qualquer forma, a Toshiba ainda faz o TC4013BP em um pacote DIP de 14 pinos , mas parece que, na folha de dados atual, a Toshiba adotou o comportamento convencional de Set / Reset do CD4013, semalterando o sufixo da peça. Não consigo encontrar nenhuma documentação para quando essa mudança ocorreu, mas, a julgar pelas folhas de dados que vi na Web, parece que essa mudança de comportamento foi implementada algum tempo antes do final dos anos 90. Isso significa que, embora os TC4013s mais antigos estejam disponíveis, por exemplo, no eBay, não sei como você saberia se eles teriam idade suficiente para anteceder essa alteração na funcionalidade. Você provavelmente precisaria testar o chip em uma placa de ensaio - amarrando as linhas Set e Reset e ver como a saída Q reage - para poder determinar se um TC4013BP antigo pode ser usado em um sintetizador Roland. E, até onde eu sei, nenhum chip 4013 moderno exibe esse comportamento estranho de Set / Reset exigido pelos sintetizadores Roland desta época.

De qualquer forma, espero que isso ajude a entender melhor o que está acontecendo com o seu RS-09 ...!

Aqui está uma simulação de como deve funcionar. Explicação abaixo.

Observe que o IC204, o divisor de relógio principal do TC4013BP, falha no Roland RS-09. Aqui está uma gravação durante a qual falhou.

Se a revenda cuidadosa do IC204 com fluxo (para garantir que não seja apenas uma junta de solda a frio) não resolver o problema, você pode obter um IC de substituição aqui.

O pino RESET do IC204 é puxado para cima via resistor R215 e acionado a partir da linha do relógio através do diodo D205.

Quando o relógio fica baixo, o diodo D205 conduz e baixa RESET. Quando o relógio aumenta, o diodo para de conduzir e o R215 carrega lentamente a capacitância do pino RESET. Depois de um tempo, a tensão em RESET atinge a tensão lógica de limite alto e a saída Q é redefinida. A saída permanece baixa até a próxima borda do relógio aumentar. O efeito líquido é que a saída alterna na mesma frequência que o relógio.

Quando o interruptor Octave-Down está fechado, RESET é mantido baixo pelo diodo D206. Com RESET baixo, a saída alterna na metade da freqüência do relógio, porque o$\overline Q$ a saída está ligada à entrada D.

OK, não tenho certeza se isso conta como uma "resposta" porque não sinto que entendi por que isso aconteceu, mas resolvi pelo menos o problema do meu sintetizador.

Finalmente consegui que o RS-09 em questão funcionasse substituindo o 4013 por um que puxei de outro RS-09 (vou chamá-lo de RS-09-2 por uma questão de explicação). Quando coloquei um novo 4013 no RS-09-2, ele também não funcionou. Ao alterná-los (e voltar novamente) e colocar outro 4013 novo em cada um deles, caso o primeiro com o qual testei fosse ruim, confirmei que os dois RS-09s só funcionam com um CD4013 muito antigo. Eu diria que todos os RS-09 são assim. Já vi isso acontecer outra vez, em que um circuito projetado nos anos 80 não funcionará com um novo IC CMOS. Em nenhum dos casos havia algo sobre o circuito que oferecesse uma explicação sobre o porquê. Olhando para o esquema em 2017 ou 1982, uma pessoa teria a mesma reação: Sim, isso deve funcionar. Mas se você colocar um IC CMOS fabricado em 1982, ele funciona,

Não estou muito feliz com o resultado, porque a pergunta "Por que ?!" ainda permanece, mas aí está.

Gostaria de agradecer a todos que tentaram me ajudar a descobrir isso!