Чипы для аналоговой музыкальной техники: часть 2

schmittВ предыдущей части статьи описывались наиболее популярные и часто используемые в звуковой и музыкальной технике микросхемы. Во этой части будут описаны микросхемы CMOS (КМОП). Микросхемы по CMOS технологии активно используются в цифровой технике за счёт высокого быстродействия, малого энергопотребления и дешевизны производства. Однако любой цифровой прибор является таковым лишь по основному назначению. Множество классических микросхем серии CMOS 4000 используется в аналоговой технике. Далее, для удобства чтения, уровни логической единицы и логического нуля будут обозначаться как л1 и л0, а тактовый импульс будет называться «клок». За уровень л1 в CMOS-приборах принимается напряжение выше 2/3 дифференциального напряжения между Vdd и Vss, а за л0 напряжение ниже 1/3. Также используются понятия «фронт» и «спад», которые означают момент перехода напряжения клока из л0 в л1 и обратно.

Аналоговые коммутаторы

Все эти модели являются вариациями управляемого логикой аналогового выключателя, состоящего из одного входа, связанного с ним одного или нескольких выходов, а также логического управляющего входа. Далее для упрощения будут использоваться понятия «вход» и «выход», но стоит помнить, что в действительности направление аналогового сигнала в этих микросхемах может быть любым.

CD4066 (Bilateral Switch) включает в себя 4 идентичных блока, каждый из которых состоит из сигнального входа и выхода, а также одного входа управления. При наличии л1 на управляющем входе, аналоговые выводы связываются между собой и пропускают сигнал, а при л0 закрываются. Подобные схемы удобны для косвенного переключения и перенаправления аналогового сигнала и широко используются в синтезаторах, гитарных педалях (как тихий переключающий элемент) и других приложениях. В некоторых ситуациях такой переключатель может использоваться как управляемое PWM-сигналом сопротивление, т.к. он обладает конечным временем переключения и на высокой частоте переключения ведёт себя похожим на сопротивление образом. Такая схема используется в модулях Doepfer CV Slew Limiter

CD4051 —более сложное устройство: 8-канальный аналоговый мультиплексор. Прибор коммутирует общий вход с одним из нескольких выходов. При отсутствии л1 на входе Inhibit, прибор связывает вход X с одним из выходов X0—X7, который выбирается тремя битами на входах A, B, C. Такие мультиплексоры широко применяются в аналоговых секвенсерах, поскольку легко подключаются к счётчикам или микроконтроллерам и, благодаря параллельному подключению логики, позволяют использовать для переключения всего один такт.

CD4067 —16-канальный мультиплексор. Принцип работы тот же, что и в CD4051, отличается только количество управляющих разрядов и каналов.

CD4052 — сдвоенный четырёхканальный мультиплексор. Включает два коммутатора «1 на 4», но имеет только один двухбитный управляющий вход, поэтому подходит только для согласованных сигналов. Может использоваться в синтезаторах как управляемый переключатель. В советском синтезаторе «Ритм-2» на основе отечественного аналога CD4052 (К561КП2) сделаны генераторы огибающих. Существуют похожие схемы на D-триггерах и микросхемах 4066.

CD4053 — строенный 2-канальный мультиплексор. Имеет три идентичных набора «1 вход — 2 выхода» с индивидуальным входом логики. В зависимости от уровня на управляющем входе, связывает соответствующий аналоговый вход с одним или другим выходом. Широко используется в качестве электронно-управляемого 3PDT-переключателя в гитарных педалях.

Мультиплексоры и свичи серии 4000 имеют одно важное ограничение: многие из них имеют верхний предел питания ±9—10 вольт, тогда как типичное питание модульной системы — ±12 или ±15 вольт. Существуют более дорогие аналоги производства Maxim, Intersil, Harris, у которых допустимое напряжение питания выше. Подобные модели — DG201, DG508, DG509.

«Чистая» логика

CD4017 — декадный счётчик, имеющий входы Clock, Inhibit, Reset, и индивидуальные выходы 0—9 и Carry (перенос). Работает следующим образом. По фронту импульса на Reset поднимает л1 на выходе 0 и держит его там до тех пор, пока уровень на входе Reset не упадёт. В остальных случаях, если на inhibit л0, по фронту клока микросхема «гасит» текущий выход и «зажигает» следующий по порядку. В момент поступления очередного клока при поднятом 9-м выходе, срабатывает перенос десятичного разряда, и клок дублируется на выход Carry. Эта микросхема часто используется в составе упрощённых секвенсеров типа MFOS Baby10 Рэя Уилсона. Направляя один из выходов сразу в Reset, можно ограничить цикл.

CD4020, CD4024, CD4029, CD4520 и ещё несколько микросхем — двоичные счётчики. Принцип их работы отличается от десятичных счётчиков. Текущая итерация счётчика кодируется двоичным числом, каждый разряд которого связан с выходами этих микросхем. Такие чипы могут быть связаны с упомянутыми выше мультиплексорами, 7-сегментными декодерами, другими счётчиками, защёлками, микроконтроллерами и другими микросхемами. Интересной особенностью двоичных счётчиков является то, что при подаче на них прямоугольного сигнала звуковой частоты f, каждый разряд начинает издавать меандр с частотой f/ 2n раз, где n — номер разряда (с нуля). Это позволяет с лёгкостью делать на их основе делители частот. Необходимо помнить, что некоторые двоичные счётчики являются «чисто» двоичными и считают до 15, 127, 4095 или до иной степени двойки, в то время как другие (например, CD4029) являются двоично-десятичными и могут сбрасываться в 0 после не только после 15, но и после 9. Также существуют счётчики, которые могут считать не только вверх, но и вниз, а также могут устанавливаться в некое начальное состояние и хранить его как защёлки. (обоими последних свойствами также обладает CD4029)

CD40106 — 6 цифровых инвертеров. Микросхема включает 6 триггеров Шмитта (инвертирующих компараторов с гистерезисом. Эти микросхемы (наряду с CD4049 и CD4069) широко известны звуковым экспериментаторам как основа для создания элементарного осциллятора прямоугольных сигналов. Выход одного инвертера связывается со входом через RC-фильтр низких частот и готово! Известный игрушечный синтезатор «Weird Sound Generator» Рэя Уилсона, Super Psycho LFO Кена Стоуна и другие подобные машины, называемые «Дрон-синтезаторами» используют элемент 40106 как источник звука и модуляций. Схематика этих устройств обычно предельно упрощена и всё управление осуществляется только ручками на панели. Томас Генри в книге «The Noise Generator Cookbook» описывает классический источник шума на основе банка осцилляторов, который использует 40106. Такой же банк использует для звуков тарелок ритм-машинка Roland TR-808. Существуют и более интересные реализации, например полноценные экспоненциальные VCO на основе CMOS инвертеров.

CD4011, CD4012, CD4023, CD4093 — ключи NAND. Они работают следующим образом: если хотя-бы на одном из входом л0, то на выходе л1. Если на всех входах л1, то на выходе л0. Микросхемы отличаются количеством этих ключей и количеством входов на каждом из них.

CD4030 — 4 ключа XOR. (исключающее «или»). Функция XOR работает так. Если входы равны, то на выходе л0, иначе л1. Ключи NAND и XOR частенько используются в схемах аналоговой перкуссии, поскольку позволяют легко преобразовать несколько прямоугольных звуковых сигналов в шуршание имитирующее звучание тарелки. Такое поведение иногда называют «Digital RingMod». Микросхема 4093 используется в популярном перкуссионном модуле Synare в составе осциллятора.

CD4046 — микросхема фазовой автоподстройки частоты (PLL). Обычно применяется в радиотехнике для синхронизации сигналов. Существуют интересные схемы, в которых CD4046 используется для специфической обработки сигнала осциллятора, либо сама используется как VCO.

NE555, NE556 — одинарный и сдвоенный таймеры. Могут работать как моностабильный генератор импульса или как генератор меандра с заданной внешними компонентами частотой и длительностью импульса. Широко используется как основа клок-генераторов, а также очень известен благодаря игрушечному звуковому генератору Atari Punk Console. Используется как основа VCO синтезатора PAiA FatMan. Томас Генри в книге «Analog Synthesizer for the 21st Century» описывает несколько схем, использующих счётчик 555.

Добавить комментарий