Guitar console with chorus effect

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”).

Main technical characteristics

• 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 U_Rin=500 мВ, %, не более……..0,3
• Нелинейные искажения в ка­нале задержки при U_Rin=500 мВ, %, не более…….3
• Динамический диапазон канала задержки относи­тельно U_Rin = 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.

Driving device

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.

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.

Printed circuit board

Чертёж печатной платы приведён на Figure. 2, а размещение деталей — на Figure. 3. Прямоугольная печатная плата из стеклотекстолита размерами 80×52,5 мм имеет полигон общего про­вода, покрывающий большую часть пло­щади платы.

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.

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 Fig. 4.

Networking devices

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.

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.

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).

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 — Figure. 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.

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 Figure. 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.

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 Figure. 10 and Fig. 11 показаны осциллограммы сигналов на частотах 3,5 и 10 кГц.

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.

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 Fig. 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 Figure. 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.

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.

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.

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.

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.

On 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.

На фото рис. 19 показано устройст­во в собранном виде, но до покраски корпуса и наклейки этикетки.

LITERATURE

1. MN3207 Datasheet. – URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/86816/PANASONIC/MN3207.html (07.07.16).
2. MN3102 Datasheet. — URL: http://www.experimentalistsanonymous.com/diy/Datasheets/MN3102.pdf (07.07.16)

Author: И. КАРПУНИН, г. Нижний Тагил Свердловской обл.
Source: журнал Радио №10/2016, журнал Радио №11/2016