¿Cómo se supone que funciona esta aplicación CD4013?

Estoy tratando de solucionar un problema en un sintetizador que tengo, un sintetizador de principios de los 80 de Roland llamado RS-09. Estoy empezando a estudiar lógica y estoy perplejo por lo que está sucediendo. En este sintetizador, se está utilizando un 4013 como un divisor de frecuencia para dividir o no dividir una señal de disparo de un oscilador maestro en función de si el usuario ha seleccionado una función llamada "Octave down" a través de un interruptor. La salida Q del 4013 luego pasa a un "generador de octava superior" que lo utiliza para generar las 12 notas de una escala cromática a partir de la cual se hacen todas las otras notas. En este momento solo funciona en el modo "Octave down"; sin "Octave down" seleccionado, todas las teclas solo producen ruido. Aquí hay un primer plano de esta parte del esquema. La línea vertical etiquetada con "10" se conecta al interruptor,

El 4013 está configurado para que el voltaje "alto" sea 0V y el voltaje "bajo" sea -10V (la flecha hacia abajo es -10V de suministro). Cuando se selecciona "Octave down" y se supone que el 4013 se divide, el interruptor aplica -10V que envía un poco menos que ese -10V a SET (pin 8) a través de la resistencia de 15kohm; cuando "Octave down" no está seleccionado, 0V está conectado a esa ruta. En el modo Octave down, ese -10V también puede pasar a través del diodo D206 para RESET (pin 10) (menos 0.6-0.7V desde la caída del diodo) y con el reinicio y el ajuste en estado bajo, el flip flop está en modo de reloj, respondiendo a la señal de activación del oscilador maestro. Esto parece estar funcionando bien. Con Q / conectado a D como está, el flip flop también se "divide binariamente" y Q emite una onda cuadrada a la mitad de la frecuencia del disparador.

Mi problema es que no entiendo lo que se supone que está sucediendo cuando "Octave down" no está seleccionado. No veo cómo podría funcionar, y no es así. Esto es lo que entiendo, pero algo debe estar mal:

El ~ 0V en SET lo mantiene en el estado alto pero no puede pasar a través de D206 para RESET, dejando el reset abierto para recibir sus "instrucciones" del oscilador (modo directo). El oscilador de activación comienza oscilando entre +5 y -10 V, pero el diodo lo sujeta a 0 V para cortar la parte positiva y luego se envía a RESET [editar: esto no es exactamente lo que realmente está sucediendo; vea las imágenes del osciloscopio a continuación]. Pero con el conjunto mantenido en alto, los únicos resultados posibles para Q son el estado alto cuando el oscilador está en su punto bajo enviando ~ -10V a Reset, cuando Q es alto y Q / es 0, y el "estado no permitido" de ambos Establecer y restablecer es alto, lo que lleva tanto a Q como a Q / alto, cuando el oscilador está en su punto más alto. Por lo tanto, Q simplemente envía un "alto voltaje" constante (0V en este caso) con un poco de ruido. Eso es lo que esperaría y lo que estoy viendo hacer. Las mediciones de mi medidor y osciloscopio confirman que esto es lo que está sucediendo.

¿Cómo se supone que esto funcione? Algo está claramente mal tanto en mi interpretación de cómo debería funcionar como en la forma en que funciona realmente el circuito, pero lo he revisado tantas veces y todavía no puedo entenderlo.

¡Su ayuda es muy apreciada!

Editar: estoy agregando estas tomas del osciloscopio que muestran diferentes entradas y salidas en la configuración que no funciona (octava superior). Dejé la posición vertical donde el centro es 0V para mostrar sus posiciones relativas. Estoy en 0.5V / div. Me sorprendió ver cuán negativa es la forma de onda en Reset y qué tan pequeña es la amplitud. Esto es un poco diferente de lo que pensé haber observado antes y más aparentemente "incorrecto".

La salida del oscilador maestro (donde llega a CLOCK) tampoco es una forma de onda de disparo de gran apariencia, y entiendo que 4013 requiere un buen disparador, pero parece estar funcionando en modo de reloj, así que tal vez eso no sea un problema.

Sé que este hilo se ha quedado inactivo, pero pensé que sería una buena idea publicar de todos modos en caso de que fuera útil para alguien que trabaja en un sintetizador Roland antiguo con problemas basados ​​en 4013.

Específicamente, he estado trabajando el reloj arpegiador interno en la placa de asignación de teclas de un Roland Jupiter-4 (el Jupiter-4 fue lanzado el mismo año que el RS-09). El circuito en cuestión está abajo:

Inicialmente, parecería que, con la línea Set (pin 6) del primer flip-flop atado alto, no habría forma de que el 1Q (pin 1) fuera distinto de alto, de modo que la señal en CP5 sería fijarse alto, decididamente no la onda de pulso que se muestra en el diagrama. Y esto es realmente lo que sucede si uno usa en el circuito un CD4013 moderno con el comportamiento convencional Set / Reset (es decir, cuando tanto Set como Reset son altos, Q y Q / son altos). Sin embargo, parece que no todos los 4013 se comportan de esta manera.

A saber, más adelante en el manual de servicio Jupiter-4, Roland especifica que se utilizará el TC4013 de Toshiba (específicamente, el TC4013BP, de acuerdo con la lista de materiales):

Incluso más adelante en el manual de servicio, Roland proporciona la tabla de pines y verdad para el TC4013 y, he aquí, el TC4013 usa una funcionalidad de Establecer / Restablecer que difiere del CD4013 convencional. Específicamente, el TC4013 se comporta de tal manera que, cuando tanto Set como Reset son altos, Q es bajo y Q / es alto; es decir, Reset tiene prioridad sobre Set, ya que esta tabla del manual de servicio indica:

Es este extraño comportamiento de Set / Reset el que es crítico para producir la onda de pulso en CP5 en el circuito de Júpiter-4 anterior. Creo que los problemas basados ​​en 4013 en los sintetizadores Roland de esta época, como el RS-09 en este hilo, así como los problemas de "compatibilidad" identificados en otros lugares para el SH-101, probablemente se derivan de esta divergencia del CD4013 Set / Reset convencional comportamiento. Al parecer, Roland tomó la dudosa decisión de diseño de confiar en lo que los fabricantes de chips probablemente consideraron como una configuración Set / Reset "no permitida" ...

En cualquier caso, Toshiba todavía fabrica el TC4013BP en un paquete DIP de 14 pines , pero de la hoja de datos actual parece que Toshiba ha adoptado el comportamiento convencional CD4013 Set / Reset, sincambiando el sufijo de la parte. No puedo encontrar ninguna documentación sobre cuándo ocurrió este cambio, pero, a juzgar por las hojas de datos que he visto en la web, parece que este cambio en el comportamiento se implementó en algún momento antes de fines de la década de 1990. Esto significa que, si bien los TC4013 más antiguos pueden estar disponibles en, por ejemplo, eBay, no sé cómo podría saber si serían lo suficientemente mayores como para preceder a este cambio en la funcionalidad. Probablemente necesitará probar el chip en una placa de pruebas, uniendo las líneas Set y Reset a un nivel alto y viendo cómo reacciona la salida Q, para poder determinar si un TC4013BP antiguo se puede usar en un sintetizador Roland. Y, que yo sepa, ningún chip 4013 moderno exhibe este extraño comportamiento de Set / Reset requerido por los sintetizadores Roland de esta época.

De todos modos, ¡espero que esto ayude a comprender mejor lo que está sucediendo con su RS-09 ...!

Aquí hay una simulación de cómo debería funcionar. Explicación a continuación.

Tenga en cuenta que IC204, el divisor de reloj maestro TC4013BP, falla en el Roland RS-09. Aquí hay una grabación durante la cual falló.

Si la resolución cuidadosa de IC204 con fundente (para garantizar que no se trata solo de una unión de soldadura en frío) no soluciona el problema , puede obtener un IC de reemplazo aquí.

El pin RESET del IC204 se levanta a través de la resistencia R215 y se impulsa desde la línea del reloj a través del diodo D205.

Cuando el reloj se baja, el diodo D205 conduce y baja el RESET. Cuando el reloj se pone alto, el diodo deja de conducir y R215 carga lentamente la capacitancia del pin RESET. Después de un tiempo, el voltaje en RESET alcanza el voltaje de umbral alto lógico y la salida Q se reinicia. La salida se mantiene baja hasta el próximo borde ascendente del reloj. El efecto neto es que la salida cambia a la misma frecuencia que el reloj.

Cuando el interruptor Octave-Down está cerrado, RESET se mantiene bajo a través del diodo D206. Con RESET bajo, la salida cambia a la mitad de la frecuencia del reloj porque el$\overline Q$ la salida está vinculada a la entrada D

OK, no estoy seguro si esto cuenta como una "respuesta" porque no siento que entiendo por qué sucedió esto, pero al menos resolví el problema de mi sintetizador.

Finalmente conseguí que el RS-09 en cuestión funcionara reemplazando el 4013 con uno que saqué de otro RS-09 (lo llamaré RS-09-2 por el bien de esta explicación). Cuando puse un nuevo 4013 en RS-09-2, TAMBIÉN no funcionó. Al cambiarlos (y volver) y poner otro nuevo 4013 en cada uno por si el primero con el que probé fue malo, confirme que ambos RS-09 solo funcionarán con un CD4013 muy antiguo. Supongo que todos los RS-09 son de esta manera. He visto que esto sucedió en otra ocasión, donde un circuito diseñado en la década de 1980 no funcionará con un nuevo CMOS IC. En ninguno de los casos había algo sobre el circuito que ofreciera una explicación de por qué. Mirando el esquema en 2017 o 1982, una persona tendría la misma reacción: sí, eso debería funcionar. Pero si pones un CMOS IC hecho en 1982, funciona,

No estoy muy contento con el resultado porque la pregunta "¿Por qué?" aún permanece, pero ahí está.

¡Quisiera agradecer a todos los que intentaron ayudarme a resolver esto!