В первой части мы увидели, как сделать генератор, высота тона которого, вместо частоты, может быть сделана пропорциональной управляющему напряжению. Во второй части мы рассмотрим несколько альтернативных вариантов устройства для других возможных применений.
Для начала, на Рисунке 1 показана пересмотренная версия базовой схемы, построенная на основе КМОП схем серии B, позволяющих использовать шины с напряжением до 18 или 20 В вместо номинальных 5 В в оригинале.
 |
|
| Рисунок 1. | Вариант схемы на Рисунке 2 из Части 1, позволяющий работать при напряжении питания до 20 В. |
Помимо замены триггера U2 с 74HC74 на CD/HEF4013B, основное отличие заключается в усилителе U1. С 12-вольтовой шиной хорошо работали усилители TL062/072/082 и даже LM358 и MC1458, как и компаратор LM393 с подтягивающим резистором на выходе. С увеличением напряжения питания увеличивается диапазон управляющего напряжения, но остается на уровне порядка ±20% от Vs. Обратите внимание, что поскольку измерения производятся только в этой центральной части, ограниченные диапазоны допустимых входных напряжений этих устройств не были проблемой.
Одной из проблем, даже с оригинальным 5-вольтовым усилителем MCP6002, была частая неспособность начать генерацию. В отличие от 74HC74, активные уровни входов R и S триггера 4013 высокие, поэтому полярность выходного сигнала U1a должна быть изменена. Он имеет тенденцию запускаться при высоком уровне на выходе, что фактически блокирует триггер U2a в состоянии «все единицы», заставляя транзистор Q1 оставаться постоянно включенным. Это объясняет необходимость в компонентах R5/C5/Q2. Если (когда!) возникнет залипание, включится транзистор Q2, закорачивая конденсатор C2, чтобы Q1 мог выключиться и начались колебания. Обратно смещенный диод, параллельный резистору R5, на низких частотах оказался ненужным.
Это также можно сделать с помощью дополнительного источника втекающего тока, показанного на Рисунке 4 Части 1, но тогда усилитель U1 должен иметь rail-to-rail входы.
Версия, в которой нет никакой логики
Это расширение первой версии, которую я испытал, и которая была построена без логических микросхем. Она аккуратная и работает, но усилитель U1a мог выдавать лишь такие импульсы, которые нужно было растягивать, чтобы сделать полезными. (Использование триггера обеспечивало гарантированный коэффициент заполнения, а свободная секция, используемая в качестве ждущего мультивибратора, формировала гораздо более четкие импульсы сброса). Схема, показанная на Рисунке 2, в которой эта проблема решена, может быть построена практически для любого выбранного напряжения шины, при условии, что усилитель U1 и MOSFET выбраны соответствующим образом.
 |
|
| Рисунок 2. | В этой версии, сделанной полностью на дискретных компонентах (за исключением операционных усилителей), вторая секция используется для получения выходного сигнала с коэффициентом заполнения, близким к 50%. |
Схема на усилителе U1b является копией схемы на U1a, но имеет вдвое меньшую постоянную времени. Она сбрасывается таким же образом, и ее управляющее напряжение такое же, поэтому ширина ее выходных импульсов равна половине полного периода, что дает сигнал прямоугольной формы с коэффициентом заполнения 50% (или почти такой). В идеале транзисторы Q1 и Q3 должны быть согласованы, при этом емкость конденсатора C3 должна составлять ровно половину C1, а не стандартные 47 нФ, показанные на схеме. Резистор R7 необходим только в том случае, если напряжение на шине превышает допустимое напряжение затвор-исток транзисторов Q1/Q3. (ZVP3306A рассчитаны на максимальное напряжение 20 В).
Чистота достигается за счет разгона кольцевого счетчика
Последний вариант (см. Рисунок 3) возвращается к использованию логики и обеспечивает достаточно синусоидальный выходной сигнал, если он вам нужен.
 |
|
| Рисунок 3. | Здесь частота генератора в 16 раз выше выходной частоты. Деление частоты импульсов с помощью кольцевого счетчика с резисторами на 8 выходах дает ступенчатое приближение к синусоиде. |
Сам генератор работает на частоте, в 16 раз превышающей выходную. Генерирующий импульсы ждущий мультивибратор (MSMV, см. Часть 1), в котором теперь используется пара перекрестно соединенных логических элементов, не только управляет транзистором Q1, но и тактирует 8-разрядный сдвиговый регистр (здесь реализованный из двух 4-разрядных), конечный выходной сигнал которого инвертируется и подается обратно на его вход D. Это называется кольцевым счетчиком или счетчиком Джонсона и представляет собой своего рода цифровую ленту Мебиуса. Когда сдвигаемые импульсы проходят мимо каждого выхода Q, на нем за 8 битами высокого уровня следуют 8 бит низкого уровня, затем снова 8 бит высокого уровня, и так повторяется до бесконечности. U2c не только выполняет инверсию, но и при запуске подает кратковременный импульс высокого уровня на вход D счетчика U3a, чтобы инициализировать регистр.
В качестве U2 и U3 выбраны высоковольтные КМОП микросхемы, позволяющие работать при напряжении, намного превышающем 5 В. Опять же, в этом случае усилитель U1 придется заменить, возможно, на компонент с rail-to-rail входом, если будет добавлен дополнительный источник тока. Микросхемы 74HC132 и 74HC4015 (или 74HC164) прекрасно работают при напряжении порядка 5 В.
Выходы Q питают общую точку через резисторы, подобранные таким образом, чтобы получить выходной сигнал, хотя и ступенчатый, но близкий к синусоиде, как видно из Рисунка 4. Резистор R4 устанавливает уровень выходного сигнала, а C4 обеспечивает некоторую фильтрацию. Различные наборы резисторов могут давать разные оттенки тона. Например, если все их сопротивления равны, выходной сигнал (при ступенчатой форме) будет хорошим треугольником.
 |
|
| Рисунок 4. | Осциллограммы, иллюстрирующие работу схемы на Рисунке 3, при частоте выходного сигнала порядка 500 Гц. |
Ступени соответствуют 15-й и 17-й гармоникам, которые, хотя и несколько отфильтрованы цепью C4/R4, пока находятся на уровне порядка –45 дБ. Чтобы уменьшить их, добавьте простой двухполюсный фильтр Саллена-Ки, как на Рисунке 5, на котором также показан спектр отфильтрованного выходного сигнала частотой около 500 Гц.
 |
|
 |
|
| Рисунок 5. | Подходящий выходной фильтр для добавления к схеме на Рисунке 3 и полученный спектр. |
2-я и 3-я гармоники все еще находятся на уровне около –60 дБ, но остальные теперь значительно ниже –70 дБ, так что мы можем утверждать, что суммарный коэффициент нелинейных искажений составляет около –57 дБ или 0.16%, и будет хуже на частоте 250 Гц и лучше на 2 кГц. Этот подход будет работать не очень хорошо, если вам нужен полный 4-5-октавный диапазон (с дополнительным источником тока), если только фильтр не сделать перестраиваемым: возможно, пара резистивных оптоизоляторов в сочетании с резисторами R14/15, управляемыми другим источником тока, управляемым напряжением?
Все это интересно, но довольно бессмысленно. В конце концов, главной целью этой конструкции было создание полезных звуковых тонов, а не точных синусоидальных колебаний, которые в любом случае звучат скучно. Но второстепенной целью должно быть стремление зайти как можно дальше, получая при этом удовольствие от экспериментов!
Музыкальный эпилог
Имея источник сигнала с линейно управляемым тоном, было бы глупо не попробовать сделать какую-нибудь музыкальную штуковину, используя подвижное линейное сопротивление. Пара футов или около 10 кОм диаграммной бумаги Teledeltos [1] (как говорится, я всегда знал, что она пригодится), обернутой вокруг отрезка пластиковой трубы, с гладким блестящим зажимом типа «крокодил» для отвода или слайдера (плюс подтяжка 330 кОм), работали довольно хорошо, позволяя извлекать мелодии, как на стилофоне или воображаемой гитаре. Электропанк жив! Хотя это не столько «Вырви свое сердце, Джими Хендрикс», сколько «Вставь беруши».
