¿Por qué el sintetizador de música construido a partir de una cadena de circuitos multivibradores astable se "desafina" después de algunas horas?

Construí un prototipo de sintetizador de teclado / sonido usando una cadena de 13 circuitos multivibradores astables cuyas salidas están conectadas a un chip amplificador de audio (LM386) y un altavoz, todos alimentados con una batería de 9V DC.

Cada circuito individual se sintoniza a una de las 13 frecuencias en una octava musical (C5, C #, D, etc. hasta C6) variando un trimpot de ajuste fino que está en serie con valores de resistencia específicos y que consiguen la oscilación en el frecuencia de estadio.

La oscilación es el clásico multivibrador astable BJT que puede ver en la Figura 1 aquí y que se explica en este artículo .

El prototipo se mantiene correctamente sintonizado durante un breve período (hasta un día).

Puedes escuchar cómo suena aquí. (Seguro para comenzar a las 0: 49s - constante de Wadsworth ;))

Lo que no puedo entender es por qué el circuito parece ser desafinado espontáneamente, es decir, uno o más de los circuitos individuales terminan con frecuencias que son diferentes de las que se sintonizaron (comprobado contra un osciloscopio y un piano de referencia) .

La desviación de frecuencia de la desintonización es típicamente del 2 al 5%, lo que es audiblemente notable (por ejemplo, C5 a 523Hz puede desviarse a 540Hz o 510Hz). Curiosamente, la desafinación nunca ocurre mientras se juega. Pero varias horas después, las teclas ya no suenan igual.

Originalmente pensé que tal vez las macetas recortadoras se relajaban mecánicamente por sí mismas. Para eliminar esto, reemplacé las macetas de trimmer para tratar de "bloquear" las frecuencias específicas basadas solo en valores de resistencia para que no quedara variabilidad en el diseño.

Pero el problema de desajuste persiste incluso después de reemplazar los trimpots con valores de resistencia fijos.

Antes: sintetizador analógico de 13 teclas con valores de resistencia fijos

Resolución: Gracias a todos por los comentarios útiles, las ideas de diseño digital y el contexto histórico para comprender mejor los desafíos de un diseño analógico puro. Todas las respuestas fueron excelentes. Acepté la respuesta de ToddWilcox al deducir que (a) la desintonización es una parte esperada de los diseños analógicos puros, (b) el arte reside en cómo establecer una forma ingeniosa de afinar el instrumento rápidamente.

Para resolver el problema inmediato, volví a colocar las macetas de recorte (1-2K ohmios) en el diseño para dar un 2-5% de sintonización a cada tecla. Al inicio de la reproducción, se necesitan un par de minutos para sintonizar los 13 osciladores, después de lo cual permanecen sintonizados durante varias horas seguidas. Ver nueva imagen a continuación.

Publicará los resultados de los experimentos usando verrugas de la pared, baterías nuevas. Los diseños digitales (que usan un divisor digital y / o chips de temporizador 555) son interesantes y podrían comprimir el tamaño significativamente. Las actualizaciones futuras se pueden encontrar en la página del proyecto aquí .

Después: sintetizador analógico de 13 teclas con potenciómetros de recorte (1-2k ohmios) para capacidad de sintonización

Lo que no puedo entender es por qué el circuito parece ser desafinado espontáneamente, es decir, uno o más de los circuitos individuales terminan con frecuencias diferentes a las que se sintonizaron (usaron un oscopio y luego un piano de referencia).

Los cambios de temperatura, como se menciona en la otra respuesta.

Estoy agregando una respuesta aquí porque, como músico, prefiero el sonido de los osciladores que son 100% analógicos a un diseño basado en:

Un circuito que utiliza como único oscilador de alta frecuencia basado en un cristal de tolerancia cercana. Luego, el uso de contadores digitales se utiliza para dividir esta frecuencia a la frecuencia deseada para cada nota en la escala.

Los EE en esta pila podrían comentar interminablemente que científicamente no podría escuchar la diferencia. Créame cuando digo que mi billetera desea que no pueda escuchar la diferencia, pero puedo, y no es sutil.

De todos modos, los principales fabricantes de sintetizadores 100% analógicos como Moog Music y Sequential Circuits (anteriormente DSI) han resuelto este problema de diferentes maneras a lo largo de los años. La solución de la vieja escuela requiere intervención del usuario y ajustes frecuentes. El Moog Minimoog original (también conocido como "Modelo D" después de su variante más popular) tenía un circuito oscilador de cristal incorporado que no formaba parte de la ruta de la señal, pero crearía un tono estable de 440 Hz. Enciende el tono de cristal de 440Hz, luego toca una A en el teclado, y luego gira la perilla Master Tuning para volver a sintonizar el sintetizador de oído. Esto fue práctico porque el Minimoog fue / es (ha sido reeditado con algunas mejoras tecnológicas) un monosynth. Una vez que haya sintonizado el banco de tres osciladores, ya está.

Los circuitos secuenciales Profeta 5 es una cosa diferente. Toda la generación de audio y la ruta de la señal son analógicas y propensas a la deriva, y de alguna manera, se utiliza un proceso similar al Minimoog para la sintonización, pero en lugar de que el usuario escuche un tono de oscilador de cristal y sintonice manualmente los osciladores analógicos, El Prophet 5 presentaba una calibración de sintonización automática controlada por microprocesador. Según una fuente, la sintonización tomó aproximadamente 15 segundos después de presionar el botón Tune.

Una razón por la que era necesario un sistema de sintonización automática para el Prophet 5 fue que, en lugar de ser un sintetizador de oscilador monofónico 3, era polifónico con 5 voces de 2 osciladores cada una, para un total de diez osciladores. Como la deriva podría ocurrir en medio de un espectáculo, se requería una forma bastante rápida de afinar el sintetizador para que fuera útil para los músicos.

Entonces, lo que sugiero es que si está construyendo sus propios osciladores para obtener ese tono 100% analógico, querrá encontrar algún mecanismo de sintonización. También es posible que tengas que jugar con diseños de osciladores para intentar que sean térmicamente estables como sea posible.

Si me dirigiera por este camino, comenzaría con el método Moog y me aseguraría de saber cómo diseñar un botón de sintonización maestra que pueda usar para volver a sintonizar rápidamente el sintetizador y trabajar para obtener un diseño que sea estable durante al menos una hora en una habitación típica de casa. Entonces podría considerar "graduarme" para agregar un microprocesador que pueda comparar eléctricamente los osciladores con el cristal de referencia y ajustar automáticamente la perilla de ajuste.

Hoy en día, tanto Sequential Circuits como Moog Music tienen ajustes de sintonización controlados por microprocesador en tiempo real en los productos Prophet 6 y Model D Reissue, y Sequential incluso ofrece un control adicional que le permite controlar qué tan bien el microprocesador mantiene la afinación, para obtener algo de estilo vintage. estilo oscilador deriva en el sonido.

Más sobre el diseño del Profeta 5

Una forma en que los osciladores para el Prophet 5 se volvieron más estables fue mediante el uso de circuitos integrados analógicos que tenían la mayor cantidad de oscilador completo posible en un chip. Eso significaba que todos los componentes en el chip cambiaron la temperatura juntos (al menos más cerca que los componentes discretos).

También había "circuitos de compensación de temperatura en el chip". No estoy seguro exactamente de qué se trata, pero supongo que es el diseño del circuito el que usa componentes en el chip para hacer que las variaciones reales de voltaje debido a la temperatura del chip se "cancelen", tanto como sea posible.

La página 2-19 del Manual de servicio de Prophet 5 es muy interesante sobre este tema: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

Y encontré un documento interesante sobre diseños de circuitos de compensación de temperatura analógicos para osciladores de cristal: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Claramente ha construido un circuito que es completamente análogo en naturaleza y produce una frecuencia en cada oscilador que depende de varios factores como:

1. Cambios en el nivel de voltaje de la fuente de alimentación al oscilador.
2. Cambios del nivel de Vbe de los transistores con la temperatura.
3. Cambios de los valores de las resistencias a lo largo del tiempo y la temperatura.
4. Cambios de los valores de los condensadores a lo largo del tiempo y la temperatura.
5. Cambios en las características dieléctricas del condensador en la configuración del oscilador estable.
6. El comportamiento del circuito perdido cambia debido a cosas cercanas al prototipo.
7. Posición de la luna con respecto al sol visto desde la tierra.

Hay formas de construir circuitos que no tienen tanta deriva en la frecuencia operativa. Están diseñados para eliminar o cancelar los diversos efectos enumerados anteriormente. Una forma convencional es diseñar un circuito que utilice un oscilador de frecuencia más alta basado en un cristal de tolerancia cercana. Luego, el uso de contadores digitales se utiliza para dividir esta frecuencia a la frecuencia deseada para cada nota en la escala.

Para mostrar el valor de un enfoque de circuito digital, creé una pequeña hoja de cálculo que muestra la octava de las notas musicales de C5 a C6. (Las frecuencias nominales son valores tomados de un gráfico encontrado en Google y no calculados en la hoja de cálculo con fórmulas de escala de la referencia A [440]).

Usando una frecuencia de cristal de 22.1184 MHz (que es una frecuencia MCU común utilizada en el negocio integrado de 8 bits) , puede ver que con un factor de división digital entero para cada nota, la frecuencia generada está muy cerca del nominal deseado.

Otro factor que no se ha mencionado es el hecho de que el circuito funciona con baterías.

Dado que conduce un altavoz, el consumo de energía será significativo (como lo demuestra el uso de un LM386), y una batería de 9 voltios experimentará una caída de voltaje significativa durante un período de varias horas. El voltaje de alimentación es otro factor para determinar la frecuencia de funcionamiento de su oscilador.

Intente reemplazar su batería con una verruga de pared de 9 voltios y vea qué sucede.

Respuesta: la desintonización se produce debido a que las características de las piezas cambian debido al calentamiento, el cambio de temperatura, etc. Puede minimizar eso poniéndolas en una cámara con temperatura controlada y dejándola estabilizar antes de usarla.

Hice lo mismo aquí usando un microcontrolador para crear los 13 tonos.

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

Solo tenía 8 botones cuando hice la demostración. Utilicé un altavoz autoamplificado para PC para reproducirlos.

Los tonos se crean con un nivel de precisión de microsegundos. Y como se basan en una fuente de reloj de cristal de 16 MHz, no derivan.

El uC, Atmega1284P, tiene 32 IO, por lo que 13 botones y 13 salidas son directamente compatibles.

¿Quieres más notas? Agregue otro procesador y cambie la matriz que contiene los medios períodos de los tonos.

¿No te gusta el tono básicamente de onda cuadrada? Agregue filtrado a las salidas.

La frecuencia de un oscilador RC típico está controlada por la constante de tiempo RC y la cantidad de "desintegración RC" requerida para cada ciclo. Una de las razones por las que el circuito 555 es más estable que muchos otros tipos de osciladores de relajación es que la relación de voltajes entre los que oscila no se ve afectada por las características de los transistores involucrados. Por el contrario, el monovibrador astable que está utilizando es muy sensible a las características de encendido de los transistores, que a su vez son sensibles a la temperatura.

Supongo que el instrumento tarda un tiempo en afinarse, y que para cuando esté afinado, todos los transistores habrán alcanzado la temperatura de funcionamiento de equilibrio. Si uno apaga el instrumento, los transistores se enfriarán. Si uno enciende la alimentación e inmediatamente comienza a tocar, estarán más fríos de lo que estaban cuando se afinó el instrumento, pero si se espera que los transistores alcancen la temperatura a la que se sintonizaron, la afinación debería acercarse a lo que debería ser.

Por cierto, el órgano electrónico de tubo de vacío que tenía creciendo usaba circuitos LC sintonizados en lugar de circuitos RC. La frecuencia de un circuito LC sintonizado será controlada principalmente por los valores del condensador y el inductor sintonizable. Si se quiere minimizar el número de componentes amplificadores (el órgano usaba la mitad del tubo triac doble para cada oscilador), el uso de circuitos LC puede ser un enfoque práctico, aunque los inductores ajustables de tamaño adecuado probablemente costarían más que la mayoría de los chips.