В статье автор рассказывает, как самостоятельно можно изготовить и наладить приставку к электрогитаре с хорус-эффектом. Приставка собрана на микросхемах с электронной линией задержки.
Хорус — один из самых красивых по звучанию гитарных эффектов. С его помощью можно имитировать унисонное звучание и частотное вибрато. Именно поэтому хорус применяют музыканты самых разных стилей — от классической поп-эстрады до джаза и рока.
В основе хорус-эффекта лежат принцип временной задержки исходного сигнала на время, равное 4…16 мс, и смешивание обоих сигналов в тракте. Обычно эффект реализуется на микросхемах MN3007/3207. Эти аналоговые линии задержки являются приборами с зарядовой связью (ПЗС), в англоязычной литературе их называют The Bucket Brigade Device («пожарная цепочка»).
Основные технические характеристики
- Входное сопротивление, кОм………………470
- Выходное сопротивление, кОм……………10
- Частотный диапазон «чистого» сигнала при неравномерности 3 дБ, кГц……0,04.,.50
- Частотный диапазон канала задержки при неравномерности 3 дБ, кГц……..0,04…15
- Нелинейные искажения в «чистом» канале при Uвх=500 мВ, %, не более……..0,3
- Нелинейные искажения в канале задержки при Uвх=500 мВ, %, не более…….3
- Динамический диапазон канала задержки относительно Uвх = 500 мВ, дБ……65
- Интервал перестройки частоты девиации, Гц…………0,9…9
- Время задержки входного сигнала, мс …………4…8
- Напряжение питания — 9 В от батареи типоразмера «Крона» (6F22 и её аналоги) или стабилизированного источника напряжения.
Схема устройства
Предлагаемое устройство выполнено по классической архитектуре на микросхемах MN3207 (линия задержки) [1] и МN3102 (драйвер управления линией задержки) [2], Принципиальная схема изображена на рис. 1. Положение контактов кнопки обхода SB1 на схеме соответствует включённому эффекту.
Рис. 1
Входной сигнал через контакты SВ1.1 кнопки обхода (байпаса), резистор R3 и конденсатор С2 поступает на неинвертирующий вход ОУ DА1.1, охваченного частотно-зависимой ОС (на элементах R4, С3, R8), которая поднимает усиление на частотах выше 500 Гц. Далее сигнал проходит через ФНЧ третьего порядка на транзисторе VT2 с частотой среза 15 кГц, после чего через резистор R24 подаётся на вход линии задержки (вывод 3 DА3).
С дифференциального выхода DА3 (выводы 7 и 8) через балансирующий подстроечный резистор R28 сигнал поступает на восстанавливающий ФНЧ на транзисторе VT3, параметры которого аналогичны входному ФНЧ на VT2. Затем отфильтрованный задержанный сигнал поступает на вход инвертирующего микшера на DA1.2, также охваченного частотно-зависимой ОС (элементы R36, R38, С20, R39), которая компенсирует частотные предыскажения каскада на ОУ DA1.1 и дополнительно фильтрует сигнал с выхода линии задержки. Входной сигнал смешивается с задержанным сигналом на входном сумматоре, выполненном на резисторах R13, R35, R36.
С выхода микшера через цепь R40C24 и замкнутые контакты SB1.3 кнопки обхода сигнал подаётся на выходное гнездо устройства.
Микросхема MN3102 (DA4) предназначена для управления работой линии задержки DA3. Она содержит управляемый (перестраиваемый) высокочастотный генератор (VCO) с парафазным выходом, а также цепи формирования напряжения питания для линии задержки. Кроме того, микросхема DA4 формирует оптимальные задержки между фронтами тактовых импульсов. Она способна работать на ёмкостную нагрузку, которой являются тактовые входы линии задержки.
На микросхеме DA2 собран низко-частотный генератор (LFO), который сигналом треугольной формы управляет частотой VCO. Схема LFO — стандартная: на DA2.1 собран компаратор, а на DA2.2 — интегратор. Переменным резистором R10 «Скорость» можно изменять частоту LFO примерно в интер-зале 0,8…9,5 Гц.
Переменным резистором R18 «Глубина» регулируют девиацию частоты VCO.
При желании можно ограничить полосу верхних частот устройства на уровне 10…15 кГц, установив на плату конденсатор С1 ёмкостью 270… 1000 пФ. Увеличением ёмкости конденсатора D13 можно увеличить время задержки до 8… 16 мс. Такой вариант будет предпочтительнее для бас-гитары.
Печатная плата
Чертёж печатной платы приведён на рис. 2, а размещение деталей — на рис. 3. Прямоугольная печатная плата из стеклотекстолита размерами 80×52,5 мм имеет полигон общего провода, покрывающий большую часть площади платы.
Рис. 2
Сборку устройства удобнее выполнять в определённой последовательности. Первыми впаивают в плату две перемычки, одна из которых будет находиться под входным разъёмом, а вторая — под микросхемой DА2.
Рис. 3
Затем в плату впаивают постоянные резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, а при необходимости и панели для установки микросхем. Светодиод НL1 красного цвета в корпусе диаметром 3 мм (например, BL-L314URC — индикатор включения эффекта) устанавливают на изоляционной втулке высотой 23 мм. Перед установкой резистора R2 в цепи питания светодиода желательно проверить яркость его свечения. При необходимости изменить яркость свечения следует заранее подобрать сопротивление резистора, так как его место установки не позволит в дальнейшем делать замену без демонтажа выходного гнезда.
Плата рассчитана на установку резисторов с рассеиваемой мощностью 0,125 Вт, плёночных и керамических конденсаторов с межвыводным расстоянием 5 мм и оксидных конденсаторов на номинальное напряжение 16 В в корпусах диаметром 5 и высотой 11 мм. В устройстве установлены плёночные конденсаторы фирм Epcos, Vima.
В последнюю очередь на плату устанавливают гнездовые разъёмы питания, входа и выхода, а также кнопку обхода. Металлическую часть корпуса кнопки необходимо соединить проводником с полигоном общего провода посредством пайки. Точка пайки, предназначенная для этого, находится между гнездом питания и кнопкой.
Переменные резисторы с диаметром корпуса 16 мм, коротким регулировочным валом со шлицом и насечкой «звёздочка» фиксируют на плате гибкими изолированными проводниками длиной 25…30 мм. В контрольном экземпляре устройства применены резисторы с линейной регулировочной характеристикой, но лучше — с логарифмической характеристикой.
Устройство в собранном виде показано на рис. 4.
Рис. 4
Налаживание устройства
Следует иметь в виду, что питание на устройство подаётся только после подключения выходного штекера.
Из-за наличия в цепи питания резистора R42, который вместе с диодом VD3 защищает устройство при неправильном подключении источника питания, фактическое напряжение Vcc для питания микросхем DA1 и DA2 (выводы 8) меньше напряжения источника примерно на 0,2 В.
Напряжение, которым питаются микросхемы DA3 и DA4, ещё меньше. Перед налаживанием устройства следует проверить наличие и значения напряжений VDD и VGG на соответствующих выводах микросхем DA3 и DA4. В соответствии с рекомендациями производителя напряжение VGG, которое подаётся на вывод 4 микросхемы DA3, должно быть равно 14/15 VDD. В нашем случае VGG должно быть около 8,15 В. Это напряжение формируется делителем внутри микросхемы DA4 и не может быть откорректировано.
Два напряжения смещения, задающие режимы работы DA1 и DA2 по постоянному току, измеряют на плюсовых выводах конденсаторов С8, С22 и должны быть равны 1/2 Vcc. Раздельными эти цепи сделаны для предотвращения проникновения шумов переключения компаратора LFO в звуковой тракт, которые в подобных устройствах на слух воспринимаются как «стук» с частотой, генерируемой LFO.
Допустимое отклонение всех указанных напряжений не должно отличаться от рекомендованных значений больше чем на ±5 %.
Перед дальнейшими действиями следует установить движки подстроенных резисторов R15 и R28 в среднее положение. Положение кнопки обхода на этом этапе настройки значения не имеет, однако будет нелишним сразу же проверить её работу — при нажатии на кнопку должен загораться (или гаснуть) светодиод, индицирующий включение эффекта.
Все приведённые далее осциллограммы сделаны при налаживании контрольного экземпляра устройства с помощью двухканального цифрового осциллографа Tekway DST1202B, имеющего функции частотомера и вольтметра переменного напряжения.
Низкочастотный генератор треугольного напряжения
В первую очередь проверяют работоспособность и интервал перестройки низкочастотного генератора (LFO), собранного на микросхеме DА2. Частоту удобнее контролировать на выводе 7 этой микросхемы, на ней присутствует сигнал прямоугольной формы — меандр (рис. 5). В крайнем положении (по часовой стрелке до упора) регулятора «Скорость» — переменного резистора R10 (по схеме в верхнем положении движка) — частота импульсов на выводе 7 должна быть примерно 8…10 Гц. Если частота импульсов значительно отличается от указанного значения, имеет смысл подогнать её подбором резистора R14 (270 кOм). При увеличении сопротивления этого резистора частота уменьшается, при уменьшении — увеличивается.
Рис. 5
Затем вращаем ручку R10 «Скорость» против часовой стрелки до упора (на схеме смещение движка переменного резистора вниз) и снова измеряем частоту LFO — она должна быть около 0,7…0,8 Гц. Если частота вне этого значения, подстраиваем её подбором резистора R11 (10 кОм). Увеличение сопротивления повышает частоту генерации, уменьшение — снижает. В итоге укладки диапазона частота LFO при повороте ручки «Скорость» должна изменяться в интервале от 0,7…0,8 до 8…10 Гц.
В заключение осциллографом контролируют размах треугольного напряжения на выводе 1 DA2 и его постоянную составляющую (рис. 6). Частота сигнала при этом не играет никакой роли. На настраиваемом экземпляре платы нижний уровень треугольного напряжения равен 1,52 В, а верхний уровень — 6,56 В, что соответствует размаху сигнала 5,04 В.
Рис. 6
Нулевой уровень сигнала при всех описанных выше измерениях обозначен на осциллограммах единичкой в жёлтом треугольнике в нижней половине левого края дисплея.
Высокочастотным тактовым генератор
После регулировки LFO настраивают высокочастотный генератор (VCO), выполненный на микросхеме DA4 MN3102. На выводах 2 и 4 формируются противофазные импульсы прямоугольной формы (меандр), которыми тактируется линия задержки на микросхеме DA3.
Вначале ручки переменных резисторов R10 «Скорость» и R18 «Глубина» поворачивают против часовой стрелки до упора (движки в нижнем по схеме положении), что соответствует минимальной частоте генерации LFO и наименьшей девиации (изменению) частоты УСО. Контроль тактовой частоты выполняют на выводах 2, 4 DА4 или на выводах 2, 6 DА3. При этом измерении частота должна быть равна примерно 80 кГц, что соответствует времени задержки сигнала 6,5 мс. Если частота VCO отличается даже на ±5 кГц, но находится в интервале 75…85 кГц, разница в звучании эффекта не будет заметна на слух. Если же частота отличается более значительно, следует подбором конденсатора С13 (33 пф) или резистора R22 (270 кОм) установить её оптимальное значение. Увеличение номинала любой из этих деталей приводит к снижению частоты VCO.
Амплитуда импульсов VСО должна быть близка к напряжению На контрольном экземпляре платы она была равна 8,72 В (рис. 7).
Рис. 7
После того как частота VCO настроена, следует проверить диапазон её девиации под воздействием модулирующего сигнала LFO. Для этого, контролируя форму и частоту сигнала VCO осциллографом, плавно изменяют положение ручки регулятора R18 «Глубина» по часовой стрелке (движок к верхнему по схеме положению). «Гармошка» прямоугольных импульсов на экране осциллографа начнёт сжиматься и растягиваться с периодом сигнала LFO (1,25 с). В идеале, максимальный диапазон перестройки частоты VCO должен быть от 64 до 102,4 кГц (нижнее и верхнее значения частоты могут отличаться от указанных на ±5 кГц), На экране
осциллографа это выглядит примерно так — рис. 8. Мгновенный снимок с экрана не может отразить динамический процесс во времени. Реальная осциллограмма выглядит несколько иначе, и на ней гораздо лучше видны изменения периода сигнала VCO.
Рис. 8
Измерить частоту VCO в режиме девиации довольно сложно, поэтому можно ориентироваться на ширину растяжки импульсов — самый «узкий» (короткий) импульс будет соответствовать верхнему значению частоты VCO, а самый «широкий» (длинный) — нижнему значению этой частоты. «Сжатый» импульс должен быть примерно в два раза уже (короче) «растянутого».
Налаживание звукового тракта
Теперь следует проверить и при необходимости настроить сигнальный тракт устройства. Делать это следует в режиме включённого эффекта при светящемся индикаторе. Если микросхемы установлены в панели, следует извлечь микросхему MN3207 и первую часть проверки и настройки выполнять без неё. Если микросхема впаяна в плату, желательно отпаять один из выводов R35 для того, чтобы исключить влияние канала задержки на характеристики «чистого» канала.
С НЧ-генератора на вход устройства подают синусоидальный сигнал частотой 500 Гц и амплитудой 100 мВ. Контроль выполняют осциллографом с «закрытым» входом, исключающим постоянную составляющую сигнала.
Первым делом снимают АЧХ входного усилителя на DA1.1. Для этого щуп осциллографа подключают к выводу 1 этой микросхемы и вращают регулятор частоты НЧ-генератора.
На осциллограммах, показанных на рис. 9 и далее, синий луч — сигнал на входе устройства с постоянной амплитудой (100 мВ) во всей полосе звуковых частот, жёлтый луч — сигнал на выходе DA1.1. В ходе контрольных измерений чувствительность жёлтого канала изменялась так же, как изменялась и скорость горизонтальной развёртки.
Рис. 9
В полосе частот от 50 до 500 Гц АЧХ должна быть практически линейной. На частотах 30…40 Гц допустим небольшой спад, а выше частоты 500 Гц начинается плавный подъём усиления, определяемый частотно-зависимой цепью C3R4 в цепи обратной связи ОУ DA1.1.
На частоте 1,2 кГц уровень сигнала на выходе DA1.1 должен увеличиться примерно до 200 мВ, на частоте 3,5 кГц выходной сигнал возрастёт уже до 400 мВ и далее — вплоть до частоты 10 кГц, после чего АЧХ снова близка к линейной, вплоть до самых верхних частот (50…70 кГц). На рис. 10 и рис. 11 показаны осциллограммы сигналов на частотах 3,5 и 10 кГц.
Рис. 10
Предварительная коррекция АЧХ с подъёмом ВЧ позволяет расширить динамический диапазон устройства в целом и снизить шумы на его выходе. Но для получения линейной АЧХ сквозного канала требуется обратное преобразование АЧХ (со спадом ВЧ). Эта операция выполняется вторым ОУ на DA1.2 с другой характеристикой ОС.
Рис. 11
В результате двойного преобразования АЧХ сквозного канала с практически линейной частотной характеристикой во всей полосе рабочих частот на выходном гнезде устройства должен присутствовать сигнал с практически линейной частотной характеристикой во всей полосе рабочих частот и с таким же уровнем, как и на входном гнезде. Уровень сигнала на выходе может отличаться от уровня на входе не более чем на ±2 дБ (от 160 до 250 мВ). Если уровень сигнала на выходе находится вне пределов этого интервала, следует скорректировать коэффициент передачи «чистого» канала подбором резистора R13 (22 кОм), увеличение сопротивления которого уменьшает коэффициент передачи канала, и наоборот.
Налаживание режима работы линии задержки
Заключительным этапом налаживания НЧ-тракта является балансировка
выходов линии задержки и подстройка режима её работы по постоянному току. Перед этим вставляют микросхему MN3207 в панель (или припаивают вывод R35, если он был выпаян перед налаживанием НЧ-тракта).
На вход устройства подают сигнал частотой 200 Гц с амплитудой около 500 мВ. Кнопка обхода — в положении включённого эффекта (индикатор светится). Вход осциллографа — «закрытый», скорость горизонтальной развёртки — примерно 0,8 мс/дел. Щуп осциллографа подключают к среднему выводу подстроенного резистора R28 и плавным вращением его движка балансируют сигналы обоих выходов линии задержки (выводы 7 и 8 DА3). При балансировке «ступеньки», формирующие выходной сигнал в этой точке, будут изменять свою амплитуду. Необходимо сделать разницу в уровнях соседних ступенек минимально возможной. На острые «иголки», которыми покрыт весь сигнал, не нужно обращать внимания, эти артефакты — следствие работы линии задержки, они будут отфильтрованы ФНЧ на VT3. Сигнал в этой контрольной точке должен выглядеть, как на рис. 12.
Рис. 12
Затем нужно увеличить скорость развёртки осциллографа примерно до 4 мкс/дел. На быстрой развёртке гораздо удобнее контролировать разницу в высоте соседних ступенек. При необходимости следует повторить балансировку плавным вращением движка R28, добиваясь одинакового уровня соседних ступенек, как изображено на рис. 13.
Рис. 13
Осталось подстроить режим линии задержки по постоянному току. Снова устанавливают скорость развёртки 0,8 мс/дел и начинают плавно увеличивать уровень сигнала на входе, постоянно контролируя форму сигнала на среднем выводе подстроечного резистора R28. В какой-то момент возникнет асимметрия сигнала (ограничение верхней или нижней полуволны) в контролируемой точке. Поворотом движка подстроечного резистора R15 это ограничение следует устранить, после чего снова немного увеличивают уровень сигнала на входе устройства до возникновения ограничения одной из полуволн сигнала в точке контроля.
Эта действия повторяют несколько раз, добиваясь симметричного ограничения сигнала при максимальных уровнях сигнала на входе устройства. На осциллограмме, показанной на рис. 14, синий луч — сигнал на входе устройства, жёлтый луч — сигнал в контролируемой точке после окончательной подстройки режима по постоянному току.
Рис. 14
Из этой осциллограммы видно, что заметное на глаз ограничение синусоидального сигнала (КНИ около 5… 10 %) наступает при амплитуде входного сигнала более 1 В; это очень хороший показатель для микросхемы MN3207. При меньших уровнях входного сигнала КНИ снижается до уровня 1 …2 %.
Далее проверяют качество фильтрации сигнала ФНЧ на транзисторе VT3. Уровень входного сигнала уменьшают до 500 мВ, щуп осциллографа подключают к эмиттеру транзистора VT3 и наблюдают отфильтрованный сигнал (рис. 15). Ещё чище сигнал будет на выходном гнезде устройства за счёт дополнительной фильтрации шумов каскадом на ОУ DA1.2 с частотно-зависимой ОС.
Рис. 15
Сдвиг фаз входного и выходного сигналов на приведённых выше осциллограммах обусловлен задержкой сигнала микросхемой MN3207. Кстати, на реальном приборе фаза выходного сигнала всегда будет «плавать» из-за девиации тактовой частоты под воздействием сигнала LFO. При этом более высокочастотный входной сигнал (на частотах выше 500…800 Гц) будет ещё изменять и амплитуду, но это можно видеть только в динамике.
После проведения описанных регулировок приставка имеет характеристики, приведённые в начале статьи.
Полосу верхних частот устройства можно ограничить на уровне 10…15 кГц, установив на плату конденсатор С1 и подобрав его ёмкость в пределах 270…1000 пф. Увеличением ёмкости конденсатора С13 можно увеличить время задержки до 8…16мс. Такие изменения будут предпочтительнее для бас-гитары.
Корпус устройства
Плата устройства предназначена для установки в алюминиевый корпус Gainta G0124. На рис. 16 показан чертёж корпуса с разметкой сверловки отверстий.
Рис. 16
В связи с тем, что боковые стенки корпуса расположены под небольшим углом, возможно, придётся до установки сигнальных разъёмов (под «джек» типоразмера 6,3 мм) доработать их торцевые поверхности — спилить их плоским напильником, как показано на рис. 17. После этого плата установится в корпус точно на своё место, плотно и без всяких зазоров.
Рис. 17
С внутренней стороны корпуса, рядом с отверстиями под установку переменных резисторов, необходимо по месту сделать глухие выборки диаметром 2.5…3 мм сверлом или пальчиковой фрезой для фиксирующих выступов на корпусах резисторов. Эти углубления предотвратят их проворачивание при затягивании крепёжных гаек и в ходе эксплуатации. Эту операцию следует выполнять максимально осторожно, так как толщина верхней стенки корпуса не более 2,5 мм.
В конструкции использованы стандартное гнездо питания размерами 5,5×2,1 мм, входное и выходное гнёзда — Neutrik NYS-215, а также стандартная кнопка 3РDТ с фиксацией нажатия и тремя группами переключаемых контактов.
Плата в корпусе фиксируется крепёжными гайками кнопки обхода и сигнальных разъёмов.
Гальваническую батарею размещают между кнопкой обхода и узкой боковой стенкой корпуса. Батарею соединяют с платой гибким двухпроводным кабелем со стандартным разъёмом и прижимают нижней крышкой корпуса через упругую прокладку из пористой резины.
Опоры для корпуса можно изготовить из жёсткой резины и приклеить их к нижней крышке корпуса клеем «Момент» или применить подходящие готовые. В этом случае нужно исключить электрический контакт между винтами крепления опор и печатной платой.
Выбор ручек для переменных резисторов довольно широк, и каждый сможет подобрать их, руководствуясь собственными требованиями.
На рис. 18 показан один из авторских вариантов оформления надписей на корпусе. Этикетку можно нарисовать свою и нанести на корпус устройства методом шелкографии или просто приклеить картинку, напечатанную струйным принтером на прозрачной плёнке-самоклейке.
Рис. 18
На фото рис. 19 показано устройство в собранном виде, но до покраски корпуса и наклейки этикетки.
Рис. 19
ЛИТЕРАТУРА
- MN3207 Datasheet. — URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/86816/PANASONIC/MN3207.html (07.07.16).
- MN3102 Datasheet. — URL: http://www.experimentalistsanonymous.com/diy/Datasheets/MN3102.pdf (07.07.16)
Автор: И. КАРПУНИН, г. Нижний Тагил Свердловской обл.
Источник: журнал Радио №10/2016, журнал Радио №11/2016