非安定マルチバイブレーター回路のチェーンから構築された音楽シンセサイザーが、数時間後に「調子外れ」になるのはなぜですか？

私は、出力がオーディオアンプチップ（LM386）とスピーカーに接続された13個の無安定マルチバイブレーターチェーンのチェーンを使用して、キーボード/サウンドシンセサイザーのプロトタイプを作成しました。

特定の抵抗値と直列の微調整トリムポットを変化させることにより、各オクターブ内の13の周波数（C5、C＃、Dなど、C6まで）の1つに個々の回路が調整され、発振が発生します。球場頻度。

振動は、図1で見ることができ、この記事で説明されている古典的なBJT非安定マルチバイブレーターです。

プロトタイプは、短期間（1日まで）正しく調整されたままになります。

ここでその音が聞こえます。（0:49から開始しても安全- ワズワースの定数 ;））

私が理解できないのは、回路が自発的に離調しているように見える理由です。つまり、個々の回路の1つ以上が、チューニングされたものとは異なる周波数になります（o'scopeとリファレンスピアノに対してチェックされます） 。

離調の周波数偏差は通常2〜5％で、これは可聴的に目立ちます（たとえば、523HzのC5は540Hzまたは510Hzに変動します）。興味深いことに、演奏中に離調は発生しません。しかし、数時間後、キーは同じ音ではなくなりました。

私はもともと、トリマーポットがそれ自体で機械的にリラックスしていると思っていました。これを解消するために、トリマーポットを交換して、抵抗値のみに基づいて特定の周波数を「ロック」し、設計にばらつきが残らないようにしました。

ただし、トリムポットを固定抵抗値に置き換えた後でも、チューニング解除の問題は続きます。

変更前：固定抵抗値の13キーアナログシンセサイザー

解決策： 純粋なアナログ設計の課題をよりよく理解するための有益なフィードバック、デジタル設計のアイデア、および歴史的背景に感謝します。すべての答えは素晴らしかった。ToddWilcoxの答えを受け入れました。（a）離調は純粋なアナログ設計の期待される部分であり、（b）芸術性は楽器を素早く滑らかに調整する方法を確立する方法にあります。

差し迫った問題を解決するために、各キーに2〜5％の調整可能性を与えるために、設計にトリマーポット（1〜2Kオーム）を戻しました。13のオシレーターを調整するには、再生の開始から数分かかります。その後、一度に数時間調整されます。以下の新しい画像をご覧ください。

壁のいぼ状の新しい電池を使用した実験の結果を投稿します。デジタル設計（デジタル分周器や555タイマーチップを使用）は興味深いものであり、サイズを大幅に圧縮する可能性があります。今後のアップデートは、プロジェクトページのこちらにあります。

調整後：調整機能を備えたトリマーポット（1-2kオーム）を備えた13キーアナログシンセサイザー

私が理解できないのは、回路が自発的に離調しているように見える理由です。つまり、1つ以上の個々の回路が、チューニングされたものと異なる周波数になります（oscopeを使用し、次にリファレンスピアノを使用）。

他の回答で述べたように、温度が変化します。

ミュージシャンとして、以下に基づいた設計よりも100％アナログのオシレーターのサウンドを好むため、ここに答えを追加します。

公差の近い水晶に基づいた単一の高周波発振器として使用する回路。次に、デジタルカウンターを使用して、この周波数をスケール内の各ノートの目的の周波数に分割します。

このStackのEEは、科学的には違いを聞くことができなかったと無限にコメントするかもしれません。私の財布が違いを聞くことができなかったことを心から願っていると言うとき、私を信じてください、しかし、私はそうすることができます、そして、それは微妙ではありません。

とにかく、Moog MusicやSequential Circuits（以前のDSI）などの主要な100％アナログシンセメーカーは、長年にわたってさまざまな方法でこの問題を解決してきました。古い学校のソリューションでは、ユーザーの介入と頻繁な調整が必要です。オリジナルのムーグミニモーグ（最も人気のあるモデルの別名「モデルD」）には、信号経路の一部ではない水晶発振器回路が組み込まれていましたが、安定した440 Hzトーンが作成されました。440Hzのクリスタルトーンをオンにして、キーボードでAを演奏し、マスターチューニングノブを回して、シンセを耳ごとに再チューニングします。Minimoogはモノシンセであったため（これは技術的に改良されて再発行されました）、これは実用的でした。3つのオシレーターのバンクをすべて一緒に調整したら、完了です。

Sequential Circuits Prophet 5は別のものです。オーディオ生成と信号経路はすべてアナログであり、ドリフトする傾向があります。ある意味では、Minimoogと同様のプロセスがチューニングに使用されますが、ユーザーは水晶発振器の音を聞いてアナログ発振器を手動で調整する代わりに、 Prophet 5は、マイクロプロセッサ制御の自動チューニングキャリブレーションを特徴としていました。ある情報源によると、チューニングは、Tuneボタンが押されてから約15秒かかりました。

Prophet 5に自動チューニングシステムが必要な理由の1つは、モノフォニック3オシレーターシンセではなく、それぞれ2オシレーターの5ボイス、合計10オシレーターのポリフォニックであったことです。ショーの途中でドリフトが発生する可能性があるため、ミュージシャンに役立つようにシンセを再調整するためのかなり迅速な方法が必要でした。

そのため、100％のアナログトーンを得るために独自のオシレーターを構築する場合、チューニングメカニズムを考え出すことをお勧めします。また、可能な限り熱的に安定させるために、発振器の設計を試す必要があります。

この道を進んでいるのであれば、ムーグの方法から始めて、シンセをすばやく再調整し、少なくとも安定したデザインを得るために使用できるマスターチューニングノブの設計方法を知っていることを確認します典型的なホームルームで1時間。それから、発振器を基準水晶と電気的に比較し、チューニングノブを自動的に調整できるマイクロプロセッサの取り付けに「卒業」することを検討します。

現在、シーケンシャルサーキットとムーグミュージックの両方に、Prophet 6およびModel D Reissue製品でリアルタイムのマイクロプロセッサ制御チューニング調整があり、さらにシーケンシャルは、マイクロプロセッサがチューニングを維持する程度を制御できる追加のコントロールを提供し、ビンテージを取得しますスタイルの発振器の音のドリフト。

Prophet 5デザインの詳細

Prophet 5のオシレーターをより安定させた1つの方法は、1つのチップ上に可能な限り完全なオシレーターを備えたアナログ集積回路を使用することでした。これは、チップ上のすべてのコンポーネントが一緒に温度を変化させたことを意味します（少なくとも個別のコンポーネントよりも温度が近くなります）。

「オンチップ温度補償回路」もありました。何が関係するのか正確にはわかりませんが、チップ温度に起因する実際の電圧ドリフトを可能な限り「キャンセル」するためにオンチップコンポーネントを使用する回路設計だと思います。

Prophet 5サービスマニュアルのページ2-19は、このトピックに関して非常に興味深いものです：https : //medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

そして、水晶発振器のアナログ温度補償回路設計に関する興味深い論文を見つけました：http : //citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410 & rep=rep1 & type=pdf

本質的に完全にアナログであり、次のようなさまざまな要因に依存する各発振器で周波数を生成する回路を明確に構築しました。

1. 発振器への電源の電圧レベルの変更。
2. 温度によるトランジスタのVbeレベルの変化。
3. 時間と温度による抵抗器の値の変化。
4. 時間と温度によるコンデンサの値の変化。
5. 非安定発振器構成におけるコンデンサ誘電特性の変化。
6. 浮遊回路の動作は、プロトタイプの近くのものによって変化します。
7. 地球から見た太陽に対する月の相対的な位置。

動作周波数にそれほどドリフトのない回路を構築する方法があります。これらは、上記のさまざまな効果を排除またはキャンセルするように設計されています。従来の方法の1つは、公差の近い水晶に基づいて単一の高周波発振器として使用する回路を設計することです。次に、デジタルカウンターを使用して、この周波数をスケール内の各ノートの目的の周波数に分割します。

デジタル回路アプローチの価値を示すために、C5からC6までの音符のオクターブを示す小さなスプレッドシートを作成しました。（公称周波数は、Googleで検出されたグラフから取得された値であり、A [440]参照からのスケール式を使用してスプレッドシートで計算されたものではありません）。

22.1184 MHzの水晶周波数（8ビット組み込みビジネスで使用される一般的なMCU周波数）を使用すると、各ノートの整数デジタル分周係数を使用して、生成された周波数が目的の公称値に非常に近いことがわかります。

言及されていないさらに別の要因は、回路がバッテリー駆動であるという事実です。

スピーカーを駆動しているため、消費電力はかなり大きくなり（LM386を使用することで証明されるように）、9ボルトのバッテリーは数時間にわたってかなりの電圧降下を経験します。電源電圧は、発振器の動作周波数を決定するもう1つの要因です。

バッテリーを9ボルトの壁war子と交換して、何が起こるかを確認してください。

回答：加熱、温度変化などにより部品の特性が変化するため、離調が発生します。温度制御されたチャンバーに入れて、使用前に安定させることでそれを最小限に抑えることができます。

ここでも、マイクロコントローラーを使用して同じことを行い、13のトーンを作成しました。

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

デモを行ったとき、ボタンは8つしかありませんでした。PCの電源内蔵スピーカーを使用して再生しました。

トーンは、マイクロ秒レベルの精度で作成されます。また、16 MHzの水晶クロックソースに基づいているため、ドリフトしません。

uC、Atmega1284Pには32個のIOがあるため、13個のボタンと13個の出力が直接サポートされています。

さらにメモが必要ですか？別のプロセッサを追加し、トーンの半周期を含む配列を変更します。

基本的に方形波の音が好きではありませんか？出力にフィルタリングを追加します。

典型的なRC発振器の周波数は、RC時定数と各サイクルに必要な「RC減衰」の量によって制御されます。555回路が他の多くの種類の緩和発振器よりも安定している理由の1つは、スイングする電圧の比率が、関係するトランジスタの特性によって比較的影響を受けないことです。対照的に、使用している非安定モノバイブレータはトランジスタのターンオン特性に非常に敏感であり、トランジスタは温度に敏感です。

機器の調整には時間がかかり、調整が完了するまでに、すべてのトランジスタが平衡動作温度に達していると思います。装置の電源を切ると、トランジスタが冷却されます。電源を入れてすぐに演奏を開始すると、楽器がチューニングされたときよりも冷たくなりますが、トランジスタがチューニングされた温度に達するのを待つと、チューニングは本来の温度に近づくはずですあります。

ちなみに、私が成長していた真空管電子オルガンは、RC回路ではなく、調整されたLC回路を使用していました。調整されたLC回路の周波数は、主にコンデンサと調整可能なインダクタの値によって制御されます。増幅コンポーネントの数を最小限に抑えたい場合（オルガンは各発振器にデュアルトライアックチューブの1/2を使用）、LC回路を使用するのが実用的なアプローチかもしれませんが、適切なサイズの調整可能なインダクタはおそらくほとんどのチップよりも高価になります。