Амплитудная модуляция на примере гитарного тремоло
В одной из предыдущих статей я собрала гитарный компрессор, а сегодня сделаю к нему приставку тремоло, то есть амплитудное вибрато.
Для этого понадобится генератор медленных колебаний, то есть низкой частоты, low frequency oscillator, LFO. В электронной музыке низкой частотой называют не звуковую, как повсеместно принято в технике вообще, а очень низкую. Несколько колебаний в секунду или даже одно за несколько секунд. Это единицы герц и доли герца.
Генераторы медленных колебаний разнообразны. Мне понравилась схема The Luna Optical Tremolo, производимая фирмой Aion, в виде комплекта плат и полного набора для сборки. И разработана схема на основе другого тремоло, Tremulus Lune от компании 4MS, которая также производит наборы и платы для самостоятельной сборки гитарных эффектов и модулей аналогового синтеза.
▍ Начнём со схемы
Схема содержит мало деталей и при этом имеет много возможностей. Весь генератор построен на левом операционном усилителе.
Операционный усилитель (ОУ), обозначенный на схеме треугольником, это такой усилитель, через входы которого не идёт ток. А на выходе ОУ выдаёт такое напряжение, чтобы напряжение на входах сравнялось. Или почти плюс питания, если потенциал входа плюс выше чем на входе минус. Или почти минус питания, если наоборот. Это режим компаратора. Именно в таком режиме работает операционный усилитель в нашей схеме.
На первый взгляд, она сложная. О таких схемах говорят, что они очень интерактивны, потому что здесь много взаимных влияний одних цепей на другие. Чтобы понять эту схему, нужно понять, какая деталь задаёт время колебания. Это прежде всего электролитический конденсатор С7 10 микрофарад. Минусом он сидит на общем проводе, он же минус питания.
Через какие цепи заряжается и разряжается этот конденсатор? Казалось бы, можно запутаться. Смещение приходит со щётки левого переменного резистора двумя путями, один из которых ещё и разветвлён, но это постоянное смещение.
Когда включаем и выключаем питание, и когда крутим ручки, будут происходить переходные процессы. Но когда играем на гитаре, положение регуляторов остаётся постоянным. Поэтому источник заряда и разряда конденсатора, который нас интересует, это выход операционного усилителя. Следовательно, при изменении логического уровня на выходе ОУ конденсатор будет заряжаться или разряжаться через переменный резистор скорости. Последовательно с ним припаян постоянный резистор 2.7 кОм, который не позволяет выкрутить сопротивление в ноль.
Параллельно регулятору быстроты подключена интересная цепь из двух диодов и регулятора симметрии.Чем ближе этот регулятор к верхнему по схеме положению, тем быстрее конденсатор заряжается, потому что ток заряда пойдёт через верхний диод и верхнюю часть регулятора симметрии. И наоборот, нижний диод будет ускорять разряд конденсатора, тем сильнее, чем регулятор ближе к нижнему положению. А в среднем положении время заряда и разряда конденсатора будет одинаковым. Таким образом, можем получить пилообразную форму волны с быстрым ростом и медленным снижением громкости, или наоборот, с медленным подъёмом и быстрым падением, или треугольную волну.
Теперь исследуем условия, благодаря которым выход ОУ в определённый момент будет заряжать или разряжать конденсатор. Плюсовым входом ОУ сидит на щётке левого переменного резистора, управляющего смещением. А минусовым входом держится за плюс конденсатора через R11 — резистор 220 кОм. Как только напряжение на конденсаторе и на минусовом входе превысит потенциал плюсового, выход перейдёт к низкому логическому уровню и конденсатор начнёт разряжаться. Но в тот же миг снизится и напряжение на плюсовом входе, потому он соединён с выходом через резистор R10 220 килоом.
Выходом ОУ через этот резистор потребляет ток со щётки регулятора смещения при низком логическом уровне, и таким образом смещает потенциал плюсового входа вниз. И наоборот, при логической единице добавляет ток и смещает плюсовый вход вверх. Благодаря этому, у конденсатора будет время разряжаться, прежде чем его напряжение станет ниже, чем на плюсовом входе. И заряжаться после того, как конденсатор разрядился до переключения компаратора на высокий уровень.
То, что делает эта положительная обратная связь (ПОС) через резистор R10, называется гистерезисом. Гистерезис наблюдается в тех случаях, когда состояние системы определяется не только независящими от системы внешними условиями в этот момент времени, но и её предыдущим состоянием.
То есть, через этот резистор компаратор устанавливает себе более высокий порог срабатывания при заряде конденсатора и более низкий при разряде.
А такие колебания, что происходят на нашем конденсаторе, называются релаксационными. От слова релаксация, расслабление.
На лист дерева медленно поступает вода, и накапливается на нём. Под её весом лист нагибается. Когда силы поверхностного натяжения не могут удерживать каплю, её часть отрывается и падает. Лист возвращается в расслабленное положение, на нём снова накапливается вода, и всё повторяется.
Теперь посмотрим на переменный резистор смягчения. Когда его щётка в верхнем положении, на выходе мы получаем сигнал из нашего электролитического конденсатора. Это пилообразная или треугольная волна, в зависимости от настройки симметрии. Когда регулятор мягкости в нижнем положении, имеем сигнал с плюсового входа операционного усилителя, то есть прямоугольные импульсы переключения порога срабатывания компаратора. В промежуточных положениях сигнал будет смешиваться из части треугольника или пилы и части прямоугольника. Таким образом получаем желаемую форму волны.
Регуляторы громкости, яркости или уровня иного сигнала часто называются фейдерами. От английского слова fade, исчезать. Потому что с помощью фейдера можно плавно убавить или добавить звук или свет.
А регуляторы, управляющие балансом между двумя сигналами, называются кроссфейдерами. Переменный резистор мягкости — это как раз кроссфейдер, между прямоугольной и треугольной волной.
Инвертирующий вход правого ОУ соединён с выходом. Поэтому напряжение на выходе будет равно напряжению на неинвертирующем входе. Такая схема включения операционного усилителя называется повторителем напряжения или буфером.
Зачем нужен буфер? Затем, что выходное сопротивление у него маленькое, а входное огромное. Благодаря повторителю, выходная цепь не нагружает генератор и не мешает ему работать. Буфер может выдавать значительный ток, например, для питания светодиодов.
Но в неизменном виде эта схема не подходит для нашего случая, потому что у нас светодиод подключен не катодом к минусу, а анодом к плюсу питания. На среднем контакте гнёзда, которое я предусмотрела в педале компрессора, её общий провод. Внешний контакт соединён с катодом светодиода.
Что можно присоединить между массой и катодом светодиода, чтобы управлять током? Есть такая чудесная схема, которая называется транзисторный каскад с общим коллектором.
Здесь напряжение на резисторе будет равно напряжению базы минус напряжение база-эмиттер. Входное сопротивление высокое, ток базы очень мал. То есть ток коллектора резистора равен току эмиттера, текущему через резистор.
Изменяя напряжение базы, мы изменяем напряжение на резисторе, соответственно и ток через него по закону Ома. Потому что резистор имеет определённое сопротивление. Он же ток коллектора, то есть ток нагрузки. В нашем случае это светодиод.
Чтобы избавиться от воздействия напряжения база-эмиттер, можно прибегнуть к помощи операционного усилителя. Инвертирующем входом он держится за верхнюю ножку резистора. И таким образом будет поддерживать напряжение на нём, равное входному на неинвертирующем входе.
Такой схемотехнический узел называется источником тока, управляемого напряжением, ИТУН. Или преобразователь напряжения — ток.
Также я нарисовала инвертирующий усилитель, о котором подробно рассказала в видео о педале компрессора. Сегодня он нам тоже понадобится.
Дело в том, что у Luna Optical Tremolo фоторезистор оптопары, то есть вактролы, включён по ходу входного сигнала. Чем сильнее он освещён, тем меньше его сопротивление, и тем меньше он ослабляет сигнал. То есть, чем сильнее свет, тем звук громче. А в нашем компрессоре наоборот, освещение фоторезистора усиливает отрицательную обратную связь и делает звук тише. В любом нормальном тремоло светодиод на корпусе изменяет свою яркость в такт с громкостью. Но в нашем случае если светодиод оптопары и светодиод на коробке мигают в такт, то громкость и индикация появятся в противофазе. Что вряд ли кому-нибудь понравится.
Поэтому для светодиода оптопары источник тока, управляемый напряжением, можно включить после инвертора. А можно сэкономить один операционный усилитель.
На резисторы, задающие ток светодиода, нам нужно получить перевёрнутое напряжение U2, то есть 9 вольт минус входное напряжение с регулятора глубины. То есть просто припаять транзистор между выходом операционного усилителя и резистором. Из этих двух схем получается одна нижеследующая. Индикаторный светодиод темпа можно питать просто с выхода ОУ как на оригинальной схеме, а можно также через ИТУН с транзистором. Добавлю ему подстроечный резистор на входе, чтобы опытным путём подобрать ток для желаемой яркости.
Последовательно с подстроечным постоянный резистор такого же сопротивления, потому что напряжение на резисторе не сможет превысить половины девяти вольт. Около пяти вольт будет падать на светодиодах. В итоге выходит такая схема. Только здесь должен быть регулятор глубины. Я забыла его нарисовать.
А это монтажная схема для макетной платы. Выглядит не очень хорошо. Но когда нет возможности сделать печатную плату, можно собрать на макетной по такому рисунку. Приступлю к сборке.
▍ Заработает или нет?
Первые испытания принесли несколько радостных и грустных новостей:
Во-первых, устройство заработало при первом включении. Это хорошо. Когда строим не на печатной плате, а на макетке, легко ошибиться.
Во-вторых, внешнее управление током светодиода в компрессоре не даёт такой регулировки громкости, подходящей для тремоло. Я и забыла, что коэффициент усиления управляемого усилителя, находящегося в компрессоре, в любом случае будет больше единицы. А для амплитудного вибрато нужно снижать громкость вплоть до нуля.
Поэтому я собрала эту оптопару с белым светодиодом и фоторезистором. И подключила фоторезистор просто параллельно этим гнёздам. То есть, он шунтирует звукосниматели гитары.
Ещё я уменьшила сопротивление шунта в источнике тока светодиода оптопары, припаяв одну целую три десятых килоома параллельно двум целым четырём десятым. Чтобы светодиод светил ярче. И фоторезистор почти полностью шунтировал сигнал гитары.
▍ Как оно звучит?
Теперь всё работает, можно послушать. Сигнал гитары идёт на оптопару нашего тремоло, далее через самодельный овердрайв Klon Centaur на усилитель Orange Micro Terror MT20, и с его выхода на электронную нагрузку Torpedo Captor X.Правая верхняя ручка управляет частотой колебаний. Сейчас пользоваться ею не очень удобно, потому что я установила переменный резистор с функциональной характеристикой В, то есть линейной зависимости сопротивления от угла поворота ручки.
А согласно схеме Luna Optical Tremolo, этот резистор должен быть с характеристикой С, логарифмической. Такие применяются в регуляторах тембра, тона.
Но есть способ изменения функциональной характеристики переменного резистора. Для этого между щёткой и одной из ножек подключается резистор сопротивлением в десять случаев больше, чем у переменного. Давайте попробуем, что изменится.
Благодаря добавленному резистору, регулировать скорость колебаний стало немного удобнее. И мы с вами узнали ещё одну тонкость волшебного мира электроники.
Нижняя левая ручка регулирует глубину модуляции громкости. Можно сделать лёгкую рябь. А можно и так, чтобы звук резко прерывался. Левая верхняя ручка смещает общий уровень громкости, амплитуду колебаний вокруг которого задаёт ручка глубины. Верхняя средняя ручка позволяет найти нужный баланс скорости нарастания и угасания сигнала. От пилы через треугольник до обратной пилы. Правая нижняя ручка мягкости регулирует плавность изменений громкости. Вместе эти пять ручек создают богатую палитру красок, из которой можно смешать модуляцию, подходящую для воплощения художественного замысла.
Итак, мы с вами разработали и собрали тремоло на основе существующей схемы генератора медленных колебаний. Прибор работает. Понятно, что такой генератор можно использовать не только для звуковых, но и для световых эффектов.
Напишите в комментариях, для каких ещё применений подходит такой генератор.
Конкурс статей от RUVDS.COM. Три денежные номинации. Главный приз — 100 000 рублей.
