Por que o sintetizador de música construído a partir de uma cadeia de circuitos multivibradores astáveis ​​fica "desafinado" após algumas horas?

Construí um protótipo de sintetizador de teclado / som usando uma cadeia de 13 circuitos multivibradores astáveis ​​cujas saídas são conectadas a um chip amplificador de áudio (LM386) e alto-falante, todos alimentados por uma bateria de 9V DC.

Cada circuito individual é sintonizado em uma das 13 frequências de uma oitava musical (C5, C #, D etc. até C6) variando um trimpot de ajuste fino que está em série com valores específicos de resistores e que obtém a oscilação no frequência de estádio.

A oscilação é o multivibrador astável BJT clássico que você pode ver na Figura 1 aqui e que é explicado neste artigo .

O protótipo permanece sintonizado corretamente por um curto período (até um dia).

Você pode ouvir como isso soa aqui. (É seguro iniciar às 0: 49s - constante de Wadsworth ;))

O que não consigo entender é por que o circuito parece ser espontaneamente desafinado, ou seja, um ou mais circuitos individuais terminam com frequências diferentes daquelas para as quais foram sintonizados (verificados em um osciloscópio e em um piano de referência) .

O desvio de frequência da desafinação é tipicamente de 2 a 5%, o que é perceptivelmente audível (por exemplo, C5 a 523Hz pode passar para 540Hz ou 510Hz). Curiosamente, a desafinação nunca ocorre durante o jogo. Porém, várias horas depois, as teclas não soam mais as mesmas.

Originalmente, pensei que talvez os potes aparadores relaxassem mecanicamente sozinhos. Para eliminar isso, troquei os potenciômetros do aparador para tentar "travar" as frequências específicas com base apenas nos valores do resistor, para que não houvesse variabilidade no projeto.

Mas o problema de desativação persiste mesmo após a substituição dos trimpots por valores fixos do resistor.

Antes: sintetizador analógico de 13 teclas com valores de resistor fixos

Resolução: agradeço a todos pelo feedback útil, idéias de design digital e contexto histórico para entender melhor os desafios de um design analógico puro. Todas as respostas foram excelentes. Aceitei a resposta de ToddWilcox ao concluir que (a) a desafinação é uma parte esperada de projetos analógicos puros, (b) a arte está em como estabelecer uma maneira inteligente de afinar o instrumento rapidamente.

Para resolver o problema imediato, coloquei os potes de corte (1-2K ohms) de volta no design para fornecer de 2 a 5% de sintonia a cada tecla. Demora alguns minutos no início da reprodução para ajustar os 13 osciladores, após o que eles permanecem em sintonia por várias horas por vez. Veja a nova imagem abaixo.

Colocará os resultados dos experimentos usando baterias novas e de verruga. Os projetos digitais (usando divisor digital e / ou chips de 555 timer) são interessantes e potencialmente comprimiriam o tamanho significativamente. Atualizações futuras podem ser encontradas na página do projeto aqui .

Depois: sintetizador analógico de 13 teclas com potes aparadores (1-2k ohm) para capacidade de sintonia

O que não consigo entender é por que o circuito parece ser espontaneamente desafinado, ou seja, um ou mais circuitos individuais terminam com frequências diferentes daquelas para as quais foram sintonizados (usava um osciloscópio e depois um piano de referência).

Mudanças de temperatura, conforme mencionado na outra resposta.

Estou adicionando uma resposta aqui porque, como músico, prefiro o som de osciladores 100% analógicos a um design baseado em:

um circuito que usa como oscilador de frequência mais alta baseado em um cristal de tolerância próxima. Em seguida, o uso de contadores digitais é usado para dividir essa frequência na frequência desejada para cada nota na escala.

As EEs nesta pilha podem comentar incessantemente que eu cientificamente não conseguia ouvir a diferença. Acredite em mim quando digo que minha carteira deseja muito que não ouça a diferença, mas posso, e não é sutil.

De qualquer forma, os principais fabricantes 100% de sintetizadores analógicos, como Moog Music e Sequential Circuits (anteriormente DSI), resolveram esse problema de maneiras diferentes ao longo dos anos. A solução antiga exige intervenção do usuário e ajustes freqüentes. O Moog Minimoog original (também conhecido como "Modelo D" após sua variante mais popular) tinha um circuito oscilador de cristal embutido que não fazia parte do caminho do sinal, mas criaria um tom estável de 440 Hz. Você ativa o tom de cristal de 440Hz, toca um A no teclado e depois gira o botão Master Tuning para reajustar o sintetizador de ouvido. Isso foi prático porque o Minimoog foi / é (foi reeditado com algumas melhorias tecnológicas) um monossintético. Depois de ajustar o banco de três osciladores, você estará pronto.

O Profeta de Circuitos Sequenciais 5 é uma coisa diferente. Toda a geração de áudio e caminho do sinal são analógicos e propensos a desvios e, de certa forma, um processo semelhante é usado no Minimoog para ajuste, mas em vez do usuário ouvir um tom de oscilador de cristal e ajustar manualmente os osciladores analógicos, o Profeta 5 apresentou calibração de sintonia automática controlada por microprocessador. Segundo uma fonte, o ajuste levou cerca de 15 segundos depois que o botão Tune foi pressionado.

Uma razão pela qual um sistema de sintonia automática era necessário para o Profeta 5 era que, em vez de ser um sintetizador monofônico de 3 osciladores, era polifônico com 5 vozes de 2 osciladores cada, para um total de dez osciladores. Como a deriva poderia acontecer no meio de um show, era necessária uma maneira bastante rápida de sintonizar o sintetizador para torná-lo útil para os músicos.

Então, o que estou sugerindo é que, se você estiver construindo seus próprios osciladores para obter esse tom 100% analógico, precisará de algum mecanismo de ajuste. Você também pode ter que brincar com os designs dos osciladores para tentar torná-los o mais termicamente estáveis ​​possível.

Se eu estivesse caminhando por esse caminho, começaria com o método Moog e me asseguraria de saber como projetar um botão de sintonia mestre que eu possa usar para reajustar rapidamente o sintetizador e trabalhar para obter um design estável por pelo menos uma hora em uma sala comum. Então eu poderia olhar para "graduando" para aderir a um microprocessador que pode comparar eletricamente os osciladores ao cristal de referência e ajustar automaticamente o botão de ajuste.

Hoje, tanto o Sequential Circuits quanto o Moog Music têm ajuste em tempo real controlado por microprocessador nos produtos Prophet 6 e Model D Reissue, e o Sequential ainda oferece um controle adicional que permite controlar o quão bem o microprocessador mantém o ajuste, para obter mais estilo oscilador deriva no som.

Mais sobre o design do Profeta 5

Uma maneira de tornar os osciladores do Profeta 5 mais estáveis ​​era usando circuitos analógicos integrados que possuíam o máximo de um oscilador completo possível em um chip. Isso significava que todos os componentes do chip alteravam a temperatura juntos (pelo menos mais próximos que os componentes discretos).

Havia também "circuito de compensação de temperatura no chip". Não sei exatamente o que isso envolve, mas meu palpite é que o design do circuito usa componentes no chip para fazer variações de tensão reais devido à temperatura do chip "cancelar", o máximo possível.

A página 2-19 do Manual de Serviço do Profeta 5 é muito interessante sobre este tópico: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

E encontrei um artigo interessante sobre projetos de circuitos analógicos de compensação de temperatura para osciladores de cristal: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Você construiu claramente um circuito totalmente analógico por natureza e produz uma frequência em cada oscilador que depende de vários fatores, como:

1. Alterações no nível de tensão da fonte de alimentação do oscilador.
2. Alterações do nível Vbe dos transistores com a temperatura.
3. Mudanças nos valores dos resistores ao longo do tempo e temperatura.
4. Mudanças nos valores dos capacitores ao longo do tempo e da temperatura.
5. Alterações nas características dielétricas do capacitor na configuração do oscilador astável.
6. O comportamento do circuito disperso muda devido a coisas próximas ao protótipo.
7. Posição da lua em relação ao sol, visto da terra.

Existem maneiras de construir circuitos que não têm tanto desvio na frequência operacional. Eles são projetados para eliminar ou cancelar os vários efeitos enumerados acima. Uma maneira convencional é projetar um circuito que use como oscilador de frequência mais alta baseado em um cristal de tolerância próxima. Em seguida, o uso de contadores digitais é usado para dividir essa frequência na frequência desejada para cada nota na escala.

Para mostrar o valor de uma abordagem de circuito digital, criei uma pequena planilha que mostra a oitava de notas musicais de C5 a C6. (As frequências nominais são valores retirados de um gráfico encontrado no Google e não computados na planilha com fórmulas de escala da referência A [440]).

Usando uma frequência de cristal de 22,1184 MHz (que é uma frequência MCU comum usada nos negócios embarcados de 8 bits), você pode ver que, com um fator de divisão digital inteiro para cada nota, a frequência gerada está muito próxima da nominal desejada.

Ainda outro fator que não foi mencionado é o fato de o circuito ser alimentado por bateria.

Como você está dirigindo um alto-falante, o consumo de energia será significativo (como evidenciado pelo uso de um LM386) e uma bateria de 9 volts sofrerá uma queda significativa de tensão durante um período de várias horas. A tensão de alimentação é outro fator para determinar a frequência de operação do seu oscilador.

Tente substituir sua bateria por uma parede de 9 volts e veja o que acontece.

Resposta: a desconexão ocorre devido à alteração das características das peças devido ao aquecimento, mudança de temperatura, etc. Você pode minimizar isso colocando-as em uma câmara com temperatura controlada e deixando-a estabilizar antes de usá-la.

Fiz a mesma coisa aqui usando um microcontrolador para criar os 13 tons.

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

Eu só tinha 8 botões quando fiz a demo. Usei um alto-falante auto-alimentado para PC para reproduzi-los.

Os tons são criados no nível de precisão de microssegundos. E, como são baseados em uma fonte de relógio de cristal de 16 MHz, não oscilam.

O uC, Atmega1284P, possui 32 IO, portanto, 13 botões e 13 saídas são diretamente suportados.

Quer mais notas? Adicione outro processador e altere a matriz que contém os meios períodos dos tons.

Não gosta do tom de onda quadrada? Adicione filtragem às saídas.

A frequência de um oscilador RC típico é controlada pela constante de tempo RC e pela quantidade de "decaimento RC" necessária para cada ciclo. Uma das razões pelas quais o circuito 555 é mais estável do que muitos outros tipos de osciladores de relaxamento é que a razão de voltagens entre as quais oscila não é afetada pelas características dos transistores envolvidos. Por outro lado, o monovibrador astável que você está usando é muito sensível às características de ativação dos transistores, que por sua vez são sensíveis à temperatura.

Eu acho que o instrumento leva algum tempo para sintonizar e que, quando estiver sintonizado, todos os transistores terão atingido a temperatura operacional de equilíbrio. Se alguém desligar o instrumento, os transistores esfriarão. Se alguém ligar a alimentação e começar a tocar imediatamente, eles ficarão mais frios do que quando o instrumento foi afinado, mas se esperar que os transistores atinjam a temperatura em que foram afinados, a afinação deve se aproximar do que deveria. estar.

Aliás, o órgão eletrônico do tubo de vácuo que eu cresci usava circuitos LC sintonizados em vez de circuitos RC. A frequência de um circuito LC sintonizado será controlada principalmente pelos valores do capacitor e do indutor sintonizável. Se alguém quiser minimizar o número de componentes de amplificação (o órgão usou 1/2 do tubo triac duplo para cada oscilador), o uso de circuitos LC pode ser uma abordagem prática, embora indutores ajustáveis ​​de tamanho adequado provavelmente custem mais do que a maioria dos chips.