¿Por qué el sintetizador musical construido a partir de una cadena de circuitos multivibradores astables se "desafina" al cabo de unas horas?

Question

He construido un prototipo de teclado/sintetizador de sonido utilizando una cadena de 13 circuitos multivibradores astables cuyas salidas están conectadas a un chip amplificador de audio (LM386) y a un altavoz, todo ello alimentado por una pila de 9V DC.

Cada circuito individual se sintoniza a una de las 13 frecuencias de 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 la frecuencia de referencia.

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

El prototipo se mantiene correctamente afinado durante un corto periodo de tiempo (hasta un día).

Puedes escuchar cómo suena aquí. (Seguro que empieza en 0:49s -- La constante de Wadsworth ;) )

Lo que no puedo entender es por qué el circuito parece desintonizarse espontáneamente, es decir, uno o más de los circuitos individuales terminan con frecuencias diferentes a las que estaban sintonizados (comprobado con un o'scope y un piano de referencia).

La desviación de frecuencia de la desafinación suele ser del 2-5%, lo que se nota de forma audible (por ejemplo, C5 a 523 Hz puede pasar a 540 Hz o 510 Hz). Curiosamente, la desafinación nunca se produce mientras se toca. Pero varias horas después, las teclas ya no suenan igual.

En un principio había pensado que tal vez las ollas de recorte se relajaban mecánicamente por sí mismas. Para eliminar esto, sustituí los potes de recorte para intentar "bloquear" las frecuencias específicas basándome únicamente en los valores de las resistencias, de modo que no quedara ninguna variabilidad en el diseño.

Pero el problema de desintonización persiste incluso después de sustituir los trimpots por valores fijos de resistencia.

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

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Resolución: Gracias a todos por los útiles comentarios, las ideas de diseño digital y el contexto histórico para comprender mejor los retos de un diseño puramente analógico. Todas las respuestas han sido excelentes. He aceptado la respuesta de ToddWilcox, ya que entiendo que (a) la desafinación es una parte esperada de los diseños analógicos puros, (b) el arte reside en cómo establecer una forma hábil de afinar el instrumento rápidamente.

Para resolver el problema inmediato, he vuelto a poner potes de ajuste (1-2K ohmios) en el diseño para dar un 2-5% de sintonización a cada tecla. Se tarda un par de minutos al empezar a tocar para afinar los 13 osciladores, después se mantienen afinados durante varias horas seguidas. Ver la nueva imagen de abajo.

Publicaré los resultados de los experimentos utilizando pilas frescas de pared. Los diseños digitales (usando divisores digitales y/o chips de temporizadores 555) son interesantes, y potencialmente comprimirían el tamaño significativamente. Las futuras actualizaciones se pueden encontrar en el página del proyecto aquí .

Después: Sintetizador analógico de 13 teclas con potenciómetros de ajuste (1-2k ohm) para afinar

Answer 1

Claramente has construido un circuito de naturaleza totalmente analógica que produce una frecuencia en cada oscilador que depende de varios factores como:

1. Cambios en el nivel de tensión de la alimentación del oscilador.
2. Cambios del nivel Vbe de los transistores con la temperatura.
3. Cambios de los valores de las resistencias con el tiempo y la temperatura.
4. Cambios de los valores de los condensadores con el tiempo y la temperatura.
5. Cambios en las características dieléctricas del condensador en la configuración del oscilador astable.
6. El comportamiento de los circuitos de la calle cambia debido a las cosas que están cerca del prototipo.
7. Posición de la luna respecto al sol vista desde la tierra.

Hay formas de construir circuitos que no tengan tanta deriva en la frecuencia operativa. Están diseñados para eliminar o anular los diversos efectos enumerados anteriormente. Una forma convencional es diseñar un circuito que utilice un solo oscilador de alta frecuencia basado en un cristal de tolerancia estrecha. Luego se utilizan contadores digitales para dividir esta frecuencia hasta la frecuencia deseada para cada nota de la escala.

Para mostrar el valor de un enfoque de circuito digital he creado una pequeña hoja de cálculo que muestra la octava de notas musicales desde C5 hasta 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]).

Utilizando una frecuencia de cristal de 22,1184 MHz (que es una frecuencia de MCU común utilizada en el negocio de los embebidos de 8 bits) se puede ver que con un factor de división digital entero para cada nota que la frecuencia generada está muy cerca de la nominal deseada.

Answer 2

Lo que no consigo averiguar es por qué el circuito parece desintonizarse de forma espontánea, es decir, uno o varios de los circuitos individuales acaban con frecuencias diferentes a las que estaban sintonizados (he utilizado un oscopio y luego un piano de referencia).

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

Añado 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 estrecha. A continuación, se utilizan contadores digitales para dividir esta frecuencia hasta la frecuencia deseada para cada nota de la escala.

Los EE de esta Pila podrían comentar sin parar que científicamente no podría ser capaz de escuchar la diferencia. Créanme cuando les digo que mi cartera desearía no poder oír la diferencia, pero sí puedo, y no es sutil.

De todos modos, los principales fabricantes de sintetizadores 100% analógicos, como Moog Music y Sequential Circuits (antes DSI), han resuelto este problema de diferentes maneras a lo largo de los años. La solución de la vieja escuela requiere la intervención del usuario y una afinación frecuente. El Moog Minimoog original (también conocido como "Modelo D" por su variante más popular) tenía un circuito oscilador de cristal incorporado que no formaba parte de la ruta de la señal, pero que creaba un tono estable de 440 Hz. Se encendía el tono de cristal de 440 Hz, se tocaba un A en el teclado y se giraba el botón de afinación maestra para volver a afinar el sintetizador de oído. Esto era práctico porque el Minimoog era/es (se ha reeditado con algunas mejoras tecnológicas) un monosinte. Una vez que has afinado el banco de tres osciladores todos juntos, ya está. El Minimoog también dispone de varios potenciómetros de ajuste para calibrarlo a los distintos voltajes de control, lo que incluye la posibilidad de asegurarse de que los distintos osciladores están afinados y siguen la pista unos a otros.

El Sequential Circuits Prophet 5 es una cosa diferente. Toda la generación de audio y la ruta de la señal son analógicas y propensas a la deriva, y en cierto modo, se utiliza un proceso similar al del Minimoog para la afinación, pero en lugar de que el usuario escuche un tono de oscilador de cristal y afine manualmente los osciladores analógicos, el Prophet 5 presentaba una calibración de afinación automática controlada por un microprocesador. Según una fuente, la afinación tardaba unos 15 segundos después de pulsar el botón Tune.

Una de las razones por las que era necesario un sistema de afinación automática para el Prophet 5 era que, en lugar de ser un sintetizador monofónico de 3 osciladores, era polifónico con 5 voces de 2 osciladores cada una, para un total de diez osciladores. Como podía producirse un desajuste en medio de un espectáculo, se necesitaba una forma bastante rápida de volver a afinar el sintetizador para que fuera útil para los músicos.

Así que, lo que sugiero es que si estás construyendo tus propios osciladores para conseguir ese tono 100% analógico, querrás idear algún mecanismo de afinación. También es posible que tengas que jugar con los diseños de los osciladores para intentar que sean lo más estables térmicamente posible.

Si yo fuera a seguir este camino, empezaría con el método Moog y me aseguraría de saber cómo diseñar un mando de afinación maestro que pueda utilizar para reafinar rápidamente el sintetizador y trabajar para conseguir un diseño que sea estable durante al menos una hora en una habitación doméstica típica. Luego podría mirar de "graduarme" para incorporar un microprocesador que pueda comparar eléctricamente los osciladores con el cristal de referencia y ajustar automáticamente el mando de afinación.

En la actualidad, tanto Sequential Circuits como Moog Music disponen de un ajuste de afinación controlado por microprocesador en tiempo real en los productos Prophet 6 y Model D Reissue, y Sequential ofrece incluso un control adicional que permite controlar el grado de mantenimiento de la afinación por parte del microprocesador, para conseguir una deriva del oscilador de estilo vintage en el sonido.

Más información sobre el diseño del Prophet 5

Una de las formas de hacer más estables los osciladores del Prophet 5 era utilizar circuitos integrados analógicos que tuvieran el mayor número posible de osciladores completos en un solo chip. Eso significaba que todos los componentes del chip cambiaban de temperatura juntos (al menos más juntos que los componentes discretos).

También había un "circuito de compensación de temperatura en el chip". No estoy seguro de lo que implica exactamente, pero supongo que se trata de un diseño de circuito que utiliza componentes en el chip para hacer que las derivas de tensión reales debidas a la temperatura del chip se "anulen", en la medida de lo posible.

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

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

Answer 3

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

Dado que está manejando 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 tensión significativa durante un período de varias horas. La tensión de alimentación es otro factor que determina la frecuencia de funcionamiento de su oscilador.

Pruebe a sustituir la batería por una pila de pared de 9 voltios y vea qué ocurre.

Answer 4

Respuesta: la desintonización se produce debido a que las características de las piezas cambian por el calentamiento, el cambio de temperatura, etc. Puedes minimizarlo poniéndolas en una cámara de temperatura controlada, y dejando que se estabilice antes de usarla.

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

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

Sólo tenía 8 botones cuando hice la demostración. Utilicé un altavoz autoalimentado del 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 van a la deriva.

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

¿Quiere más notas? Añade otro procesador y cambia la matriz que contiene los semiperíodos de los tonos.

¿No te gusta el tono básicamente de onda cuadrada? Añade un filtro a las salidas.

Answer 5

La frecuencia de un oscilador RC típico está controlada por la constante de tiempo RC y la cantidad de "decadencia RC" necesaria 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 es relativamente poco afectada por las características de los transistores involucrados. En cambio, el monovibrador astable que estás 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 ponerse a punto, y que para cuando esté afinado, todos los transistores habrán alcanzado la temperatura de funcionamiento de equilibrio. Si se apaga el instrumento, los transistores se enfriarán. Si se enciende y se empieza a tocar inmediatamente, estarán más fríos que cuando se afinó el instrumento, pero si se espera a que los transistores alcancen la temperatura a la que fueron afinados, la afinación debería acercarse a lo que debería ser.

Por cierto, el órgano electrónico de tubos de vacío que tuve cuando era niño utilizaba circuitos LC sintonizados en lugar de circuitos RC. La frecuencia de un circuito LC sintonizado será controlada principalmente por los valores del condensador y del inductor sintonizable. Si se quiere minimizar el número de componentes de amplificación (el órgano utilizaba 1/2 tubo triac para cada oscilador), utilizar circuitos LC puede ser un enfoque práctico, aunque los inductores sintonizables de tamaño adecuado probablemente costarían más que la mayoría de los chips.