Pourquoi le synthétiseur de musique construit à partir d'une chaîne de circuits multivibrateurs astables est-il désaccordé au bout de quelques heures?

J'ai construit un prototype de synthétiseur clavier / son utilisant une chaîne de 13 circuits multivibrateurs astables dont les sorties sont connectées à une puce d'amplificateur audio (LM386) et à un haut-parleur, le tout alimenté par une pile 9V CC.

Chaque circuit est syntonisé sur l’une des 13 fréquences d’une octave musicale (C5, C #, D, etc. jusqu’à C6) en modifiant un potentiomètre de réglage précis en série avec des valeurs de résistance spécifiques et qui produit l’oscillation dans le fréquence approximative.

L'oscillation est le multivibrateur astable BJT classique que vous pouvez voir à la figure 1 ici et qui est expliqué dans cet article .

Le prototype reste correctement accordé pendant une courte période (jusqu’à une journée).

Vous pouvez entendre ce que cela ressemble à ici. (Coffre-fort pour commencer à 0: 49s - constante de Wadsworth ;))

Ce que je ne comprends pas, c’est pourquoi le circuit semble se désaccorder spontanément, c’est-à-dire qu’un ou plusieurs circuits individuels se retrouvent avec des fréquences différentes de celles sur lesquelles ils ont été accordés (vérifié avec un o'scope et un piano de référence) .

La déviation de fréquence du désaccord est généralement de 2 à 5%, ce qui est perceptible de manière audible (par exemple, C5 à 523Hz peut s’étendre à 540Hz ou 510Hz). Fait intéressant, le désaccord ne se produit jamais en jouant. Mais plusieurs heures après, les touches ne sonnent plus de la même manière.

J'avais pensé à l'origine que les pots de coupe étaient mécaniquement relaxants par eux-mêmes. Pour éliminer cela, j'ai remplacé les potentiomètres de trimmer afin d'essayer de "verrouiller" les fréquences spécifiques en fonction des valeurs de résistance seules afin qu'aucune variabilité ne soit laissée dans la conception.

Mais le problème de désaccordage persiste même après le remplacement des trimpots par des valeurs de résistance fixes.

Avant: synthétiseur analogique à 13 touches avec valeurs de résistance fixes

Résolution: Merci à tous pour vos commentaires utiles, vos idées de conception numérique et le contexte historique afin de mieux comprendre les défis posés par une conception purement analogique. Toutes les réponses étaient excellentes. J'ai accepté la réponse de ToddWilcox quand j'ai compris que (a) le désaccord est une partie attendue des conceptions analogiques pures, (b) l'art réside dans la manière d'établir une manière astucieuse de régler rapidement l'instrument.

Pour résoudre le problème immédiat, j'ai ajouté des pots de tondeuse (1-2K ohms) dans la conception afin de donner une capacité de réglage de 2 à 5% à chaque touche. Au début de la lecture, il faut quelques minutes pour accorder les 13 oscillateurs, après quoi ils restent accordés plusieurs heures à la fois. Voir nouvelle image ci-dessous.

Publierons les résultats des expériences en utilisant des piles neuves. Les conceptions numériques (utilisant un diviseur numérique et / ou des puces 555) sont intéressantes et pourraient potentiellement réduire considérablement la taille. Les mises à jour futures peuvent être trouvées sur la page du projet ici .

Après: synthétiseur analogique à 13 touches avec potentiomètres réglables (1-2k ohms) pour une syntonisation optimale

Ce que je ne comprends pas, c'est pourquoi le circuit semble se désaccorder spontanément, c’est-à-dire qu’un ou plusieurs circuits individuels se retrouvent avec des fréquences différentes de celles sur lesquelles ils avaient été accordés (avec un oscope puis un piano de référence).

Les changements de température, comme mentionné dans l'autre réponse.

J'ajoute une réponse ici car, en tant que musicien, je préfère le son des oscillateurs 100% analogiques à une conception basée sur:

un circuit qui utilise un seul oscillateur de fréquence supérieure basé sur un cristal de tolérance proche. Ensuite, l'utilisation de compteurs numériques permet de diviser cette fréquence en fréquence souhaitée pour chaque note de la gamme.

Les EE de cette pile pourraient commenter sans cesse que je ne pouvais scientifiquement pas entendre la différence. Croyez-moi quand je dis mon portefeuille chèrement souhaiter que je ne puisse pas entendre la différence, mais je peux, et ce n'est pas subtil.

Quoi qu'il en soit, les principaux fabricants de synthétiseurs 100% analogiques tels que Moog Music et Sequential Circuits (anciennement DSI) ont résolu ce problème de différentes manières au fil des ans. La solution old-school nécessite l'intervention de l'utilisateur et des réglages fréquents. Le Moog Minimoog original (AKA "modèle D" après sa variante la plus populaire) avait un circuit oscillateur à cristal intégré qui ne faisait pas partie du chemin du signal mais créait un son stable à 440 Hz. Vous activez le son cristallin à 440Hz, puis vous jouez un A sur le clavier, puis tournez le bouton Master Tuning pour accorder à nouveau le synthétiseur à l'oreille. C'était pratique car le Minimoog était / est un monosynth (il a été réédité avec quelques améliorations technologiques). Une fois que vous avez réglé ensemble la banque de trois oscillateurs, vous avez terminé.

Les circuits séquentiels Prophet 5 est une chose différente. Toute la génération audio et le chemin de signal sont analogiques et sujettes à la dérive, et dans un sens, un processus similaire est utilisé pour le Minimoog pour le réglage, mais au lieu que l'utilisateur écoute le son d'un oscillateur à cristal et accorde manuellement les oscillateurs analogiques, le Prophet 5 comportait un étalonnage de réglage automatique contrôlé par un microprocesseur. Selon une source, l’accord a pris environ 15 secondes après l’appui du bouton Tune.

L'une des raisons pour lesquelles un système d'accord automatique était nécessaire pour le Prophet 5 était qu'au lieu d'être un synthé monophonique à trois oscillateurs, il était polyphonique avec cinq voix de deux oscillateurs chacune, pour un total de dix oscillateurs. Comme la dérive pouvait se produire au milieu d’un spectacle, un moyen assez rapide de réaccorder le synthétiseur était nécessaire pour le rendre utile aux musiciens.

Donc, ce que je suggère est que si vous construisez vos propres oscillateurs afin d’obtenir cette tonalité 100% analogique, vous voudrez mettre au point un mécanisme de réglage. Vous devrez peut-être aussi jouer avec les conceptions d'oscillateurs pour essayer de les rendre aussi stables que possible sur le plan thermique.

Si je me dirigeais dans cette voie, je commencerais par la méthode Moog et m'assurerais que je sais comment concevoir un bouton de réglage principal que je peux utiliser pour ré-accorder rapidement le synthé et travailler pour obtenir un design stable au moins une heure dans une pièce typique de la maison. Ensuite, je pourrais envisager de passer progressivement à un microprocesseur capable de comparer électriquement les oscillateurs au cristal de référence et d’ajuster automatiquement le bouton de réglage.

Aujourd'hui, Sequential Circuits et Moog Music disposent d'un réglage en temps réel contrôlé par un microprocesseur dans les produits Prophet 6 et Model D Reissue. Sequential offre même un contrôle supplémentaire qui vous permet de contrôler la manière dont le microprocesseur maintient le réglage oscillateur de style dérive dans le son.

En savoir plus sur le design du Prophet 5

L'un des moyens de stabiliser les oscillateurs du Prophet 5 consistait à utiliser des circuits intégrés analogiques comportant un oscillateur complet sur une puce. Cela signifiait que tous les composants de la puce changeaient de température ensemble (au moins plus rapprochés que des composants discrets).

Il y avait aussi des "circuits de compensation de température sur puce". Je ne sais pas exactement ce que cela implique, mais j’imagine que c’est la conception du circuit qui utilise des composants sur puce pour atténuer autant que possible les écarts de tension dus à la température de la puce.

La page 2-19 du manuel de maintenance de Prophet 5 est très intéressante à ce sujet: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

Et j'ai trouvé un article intéressant sur les conceptions de circuit de compensation de température analogique pour les oscillateurs à cristal: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Vous avez clairement construit un circuit entièrement analogique par nature et qui produit une fréquence dans chaque oscillateur qui dépend de divers facteurs, tels que:

1. Modifications du niveau de tension de l'alimentation de l'oscillateur.
2. Modifications du niveau de Vbe des transistors avec la température.
3. Modifications des valeurs des résistances en fonction du temps et de la température.
4. Modifications des valeurs des condensateurs en fonction du temps et de la température.
5. Modifications des caractéristiques diélectriques du condensateur dans la configuration d'un oscillateur astable.
6. Les changements de comportement des circuits parasites dus aux éléments situés à proximité du prototype.
7. Position de la lune par rapport au soleil vu de la terre.

Il existe des moyens de créer des circuits dont la fréquence de fonctionnement varie moins. Ils sont conçus pour éliminer ou annuler les divers effets énumérés ci-dessus. Une méthode classique consiste à concevoir un circuit utilisant un seul oscillateur de fréquence supérieure basé sur un cristal de tolérance proche. Ensuite, l'utilisation de compteurs numériques permet de diviser cette fréquence en fréquence souhaitée pour chaque note de la gamme.

Pour montrer la valeur d'une approche de circuit numérique, j'ai créé un petit tableur indiquant l'octave des notes de musique de C5 à C6. (Les fréquences nominales sont des valeurs tirées d'un graphique trouvé sur Google et non calculées dans le tableur avec les formules d'échelle de la référence A [440]).

En utilisant une fréquence de cristal de 22,1184 MHz (qui est une fréquence MCU couramment utilisée dans le secteur des solutions intégrées à 8 bits), vous pouvez constater qu’avec un facteur de division numérique entier pour chaque note, la fréquence générée est très proche de la valeur nominale souhaitée.

Un autre facteur qui n’a pas été mentionné est le fait que le circuit est alimenté par batterie.

Étant donné que vous conduisez un haut-parleur, la consommation électrique sera importante (comme en témoigne votre utilisation d'un LM386), et une batterie de 9 volts subira une chute de tension importante sur une période de plusieurs heures. La tension d'alimentation est un autre facteur pour déterminer la fréquence de fonctionnement de votre oscillateur.

Essayez de remplacer votre batterie par une verrue murale de 9 volts et voyez ce qui se passe.

Réponse: le désaccord résulte de la modification des caractéristiques des pièces en raison du chauffage, de la température, etc. Vous pouvez le réduire en les plaçant dans une chambre à température contrôlée et en les laissant se stabiliser avant de les utiliser.

J'ai fait la même chose ici en utilisant un microcontrôleur pour créer les 13 tonalités.

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

Je n'avais que 8 boutons lorsque j'ai fait la démo. J'ai utilisé un haut-parleur PC auto-alimenté pour les lire.

Les tons sont créés au niveau de précision microseconde. Et comme ils sont basés sur une source d'horloge à cristal de 16 MHz, ils ne dérivent pas.

L'uC, Atmega1284P, dispose de 32 entrées / sorties. Par conséquent, 13 boutons et 13 sorties sont directement pris en charge.

Vous voulez plus de notes? Ajoutez un autre processeur et modifiez le tableau contenant les demi-périodes des tons.

Vous n'aimez pas le ton essentiellement carré? Ajouter le filtrage aux sorties.

La fréquence d'un oscillateur RC typique est contrôlée par la constante de temps RC et la quantité de "décroissance RC" requise pour chaque cycle. L'une des raisons pour lesquelles le circuit 555 est plus stable que de nombreux autres types d'oscillateurs à relaxation est que le rapport des tensions entre lesquelles il oscille est relativement peu affecté par les caractéristiques des transistors impliqués. En revanche, le monovibrateur astable que vous utilisez est très sensible aux caractéristiques d'activation des transistors, qui sont eux-mêmes sensibles à la température.

Je suppose que l’instrument prend un certain temps pour s’accorder et que, au moment où il sera accordé, tous les transistors auront atteint la température de fonctionnement d’équilibre. Si l'on éteint l'instrument, les transistors se refroidiront. Si l’on allume et commence immédiatement à jouer, ils seront plus froids qu’ils ne l’étaient lorsque l’instrument a été accordé, mais si l’on attend que les transistors atteignent la température à laquelle ils ont été accordés, l’accord devrait se rapprocher de ce qu’il devrait être. être.

Incidemment, l’organe électronique à tubes à vide que j’avais construit utilisait des circuits LC accordés plutôt que des circuits RC. La fréquence d'un circuit LC accordé sera contrôlée principalement par les valeurs du condensateur et de l'inductance accordable. Si l'on souhaite minimiser le nombre de composants amplificateurs (l'organe utilise 1/2 du tube dual-triac pour chaque oscillateur), l'utilisation de circuits LC peut être une approche pratique, bien que des inducteurs accordables de taille appropriée coûteraient probablement plus cher que la plupart des puces.