ШИМ-вау на CD4066

[Mizzzer Schpion]

Доброго дня!

Хочу поделиться с сообществом своим экспериментом под кодовым названием "MetalWah" - вау-педаль на основе ШИМ-модуляции.

Начальная задача стояла примерно так: сделать вау-педаль, которая не урезает НЧ и ВЧ. Помимо этого, она:
1) не должна содержать потенциометров в сигнальной цепи (исключить возможность появления шорохов схемотехнически);
2) должна обеспечивать широкий диапазон перестройки резонансной частоты при неполном ходе потенциометра (уменьшить необходимый ход движка потенциометра до 120 градусов).

За основу был взят параметрический эквалайзер из всем известной примочки MetalZone Схема его достаточно проста, и единственный элемент, который был для меня вызовом - сдвоенный потенциометр, которым и устанавливается резонансная частота эквалайзера. В эквалайзере MetalZone этот потенциометр применён не как потенциометр, а скорее как переменный резистор.

Были мысли реализовать сдвоенный переменный резистор на подобранных полевиках или фоторезисторах. Но в этом эксперименте мне хотелось так же избавиться от необходимости подбора деталей. Поэтому решил проверить принцип ШИМ на постоянном резисторе - если закорачивать резистор с определённой частотой, то его среднее сопротивление будет пропорционально скважности!

И вот что у меня получилось...

Аудио: MetalWah+Bass.mp3 (записано на телефон, шум обусловлен микрофоном телефона)

Схема:

ОБНОВЛЕНИЕ: новая стабильная версия здесь!

[Mizzzer Schpion]

Подробнее о схеме...

Входной сигнал через повторитель на полевике J1 проходит через пассивный входной ФНЧ со срезом 20кГц (L1 R4 C3) и попадает на инвертирующий вход сумматора U1a.
Сумматор прибавляет к сигналу отклик полосового фильтра (C11 R14+R15 C12 R16+R17) - положительная обратная связь - в результате чего на АЧХ появляется резонансный пик, частота которого зависит от сопротивлений R15 и R16.
Сигнал с сумматора проходит через активный выходной ФНЧ на полевике J2 со срезом 20кГц (L2 R7 C5 C6 C7 R8 R9) и попадает на выход.

Сопротивления R15 и R16 модулируются двумя аналоговыми ключами микросхемы HEF4066 (U3c и U3d). На оставшихся двух ключах этой микросхемы (U3a U3b) собран генератор "пилообразного" напряжения хитрой формы, которое, компаратором U2 преобразуется в прямоугольное. Скважность прямоугольных импульсов задаётся потенциометром R21, движок которого механически соединён с подвижной педалью.

Немного о генераторе "пилы".
Основной цикл генератора состоит в заряде и быстром разряде конденсатора C16. Заряд происходит через резистивную цепь (R25 R26), разряд - через МОП-транзистор (M1). Затвор МОП-транзистора управляется триггером Шмидта, собранном на ключе U3a и резисторах R23, R24. Ключ U3b служит для корректировки формы выходного напряжения, создавая небольшое "остриё" в нижней части осциллограммы. Резисторы R27, R28 и конденсаторы С14, C15  подобраны таким образом, чтобы создавать кривизну формы сигнала, обеспечивая нелинейность регулировки скважности.
Нелинейность нужна для улучшения плавности "вау"-эффекта у нижней границы его диапазона (100...500Гц).

Осциллограмма на выходе генератора:

[Mizzzer Schpion]

Немного о реализации...

Прототип собран на печатной плате по ЛУТ, причём "сигнальная" часть схемы собрана сквозным монтажом, а ШИМ-модулятор - поверхностным монтажом. Я применил SMD-компоненты с целью уменьшения паразитных ёмкостей. Тем не менее, ШИМ прекрасно работать будет и со сквозным монтажом (разве что придётся слегка уменьшить номиналы конденсаторов).

Индуктивности L1, L2 - стандартные, выводные, типоразмера 0510. В принципе, схема прекрасно звучит и без индуктивностей - при отсутствии оных, их можно заменить на перемычку.

Потребление - 9...12мА.

Печатную плату для ЛУТ, к сожалению, приложить уже не могу, но могу поделиться двусторонней платой (см. вложение).

[Mizzzer Schpion]

Настройка.

Для полноценной работы устройства необходимо подстроить R20 и R22 под диапазон вау-потенциометра R21.

Сперва вращаем R21 (который уже закреплён в педали), обращая внимание на щелчок, который появляется у верхней и нижней границы регулировки.

Щелчок связан с детектированием ШИМ на ключах U3c, U3d и возникает при пропадении управляющих импульсов (т.е. когда скважность равна 100%). Поэтому, в данной схеме важно не допустить пропадения импульсов, ограничивая диапазон регулировки скважности до приемлемой величины.

Это можно сделать на слух:
Подстраиваем R22 до устранения низкочастотного щелчка, затем подстраиваем R20 до устранения высокочастотного щелчка. Повторяем подстройку ещё раз

[Mizzzer Schpion]

Печатная плата:

[OlegFX]

Интересный проект, но есть один момент:

Начальная задача стояла примерно так: сделать вау-педаль, которая не урезает ... ВЧ.

Из-за того, что ВЧ не режутся, страдает выразительность эффекта - он не такой глубокий, как хотелось бы. Всё-таки, классика - это управляемый срез ВЧ, а не полосовой фильтр.

Кстати, если суммировать чистый с вау (с возможностью регулировать микс), то получится, в том числе, и полосовой фильтр, подобный сабжевому. Так сделано в квакушке Ибанез. Между прочим, она управляется всего одним резистором в реостатном включении - я делал на фоторезисторе.

[KSG]

Фоторезистор рулит - никакого ему износа нет. Магнитные сенсоры тоже хороши.

[new_man]

Оригинальность схемы меня очень порадовала. Свеженькое...

[Tubeman]

2:new_man...куда уж свежее?
2:All...для тех кто пропустил и ради общего развития, стоит почитать журнал "Радио" 1984 №1,2
http://archive.radio.ru/web/1984/01/040/
http://archive.radio.ru/web/1984/02/039/

П.С...кстати, незабвенный Дядька Вишня (в свое время) реализовал на основе ДАУ, очень не плохой (для своего времени) компрессор.
С информацией, Tubeman.

[mtihonov]

В стародавние времена, чтобы избавиться от шорохов сделал следющую схему:
Генератор  на 50-100 КГц (точно уже не помню) - Трех пластинчатый переменный конденсатор из фольгированного стеклотекстолита (средняя пластина соединялась с педалью и плавно могла входить между двуми неподвижными) - Выпрямитель - Управление фильтром с полевым транзистором.
Работала хорошо и естественно без всяких шорохов. Делал приблизительно в 1975-1978 гг.

[Tubeman]

2:mtihonov...если говорить о самодельных бесконтактных датчиках (перемещения), то вполне реализуемым, выглядит индуктивный, дифференциальный датчик линейных перемещений. Если же, заморачиваться самостоятельным изготовлением не хочется, тогда стоить взглянуть на разного рода (мини) сельсины, вращающиеся трансформаторы и датчики холла с аналоговым выходом.
Однако, топ не об этом.
Эксперименты с применением ДАУ, в  "примочкостроении" весьма редкие, и вот за это, Т.С. однозначный "респект", "зачет" и все такое.
С продолжением, Tubeman.   

[DDD]

Отлично!
Респект за творческий подход!

[Tubeman]

2:Mizzzer Schpion...легкий офф, но все-же на тему ДАУ.
Не приходила ли в голову мысль, реализовать "ваш" компрессор, не на полевике, а на ДАУ? Там ведь: с динам-диапазоном,  линейностью и шумами, все должно получиться очень не плохо.
С интересом, Tubeman.   

[Mizzzer Schpion]

Из-за того, что ВЧ не режутся, страдает выразительность эффекта - он не такой глубокий, как хотелось бы. Всё-таки, классика - это управляемый срез ВЧ, а не полосовой фильтр.

Замечание верное! Тем не менее, в мою задачу не входило сделать классический "вау", потому что на мировом рынке этого и так предостаточно

В данной реализации эффект скорее стоило бы назвать "управляемым параметрическим фильтром". Применение у него может быть несколько иное, чем у классического "вау".

Например, данный эффект хорошо звучит, будучи включённым после "дисторшена", создавая некий "синтовый" окрас. Очень хорошо звучит после "алиасера", тоже добавляя "синтовости". С бас-гитарой звучит просто великолепно

Кстати, если суммировать чистый с вау (с возможностью регулировать микс), то получится, в том числе, и полосовой фильтр, подобный сабжевому. Так сделано в квакушке Ибанез. Между прочим, она управляется всего одним резистором в реостатном включении - я делал на фоторезисторе.

Благодарю за ссылку! Поизучаю и этот вариант на досуге.

[Mizzzer Schpion]

В стародавние времена, чтобы избавиться от шорохов сделал следющую схему:
Генератор  на 50-100 КГц (точно уже не помню) - Трех пластинчатый переменный конденсатор из фольгированного стеклотекстолита (средняя пластина соединялась с педалью и плавно могла входить между двуми неподвижными) - Выпрямитель - Управление фильтром с полевым транзистором.
Работала хорошо и естественно без всяких шорохов. Делал приблизительно в 1975-1978 гг.

Благодарю за подсказку!

Я правильно понял - переменный конденсатор каким-то образом влияет на скважность?

[Mizzzer Schpion]

Не приходила ли в голову мысль, реализовать "ваш" компрессор, не на полевике, а на ДАУ? Там ведь: с динам-диапазоном,  линейностью и шумами, все должно получиться очень не плохо.

Честно скажу, даже не задумывался Я многократно пересматривал схему ШИМ-компрессора Uncle Cherry и каждый раз приходил к выводу, что проще уже некуда - Дядя Вишня и так уже всё предусмотрел!

[Mizzzer Schpion]

Фоторезистор рулит - никакого ему износа нет. Магнитные сенсоры тоже хороши.

Согласен. Имею в наличии Artec Power Wah APW-5, реализованный на магнитном сенсоре. Сенсор там управляет скважностью импульсов, а импульсы подаются на оптопару. Получается магнитно-оптический вау Сенсор там работает без нареканий! Но есть всё же пара недостатков, связанных с плавностью перестройки резонанса и с его рабочим диапазоном.

В APW-5 частота резонанса изменяется в пределах 300Гц...2.5кГц (приблизительно), т.е. диапазон регулировки примерно 1:8 (максимум 1:10).

В текущем же проекте достигается регулировка в районе 1:40 (в идеале 1:50 - 100Гц...5кГц). И, думаю, что это соотношение можно сделать даже ещё больше, что является для меня очень привлекательным

[KSG]

Рекордный диапазон перестройки резонанса квака не самоцель, есть вполне конкретные оптимальные величины:

http://www.geofex.com/article_folders/wahpedl/voicewah.htm

В 1973-м впервые в "Радио" была опубликована схема квака с Т-мостом, и на первых порах она ошарашивала, но потом становилось понятным, что до звука Хендрикса она явно не дотягивала - да, она издавала звуки "у" и вроде бы "а", но...
Ширина перестройки её была избыточна: "У" уходила куда-то к "В", а звук "А" проскакивал точку оптимума и превращался в открытое "С".
Через несколько месяцев экспериментов я сузил ширину перестройки до оптимальных граничных величин, нащупав их на слух: снизу ("У") - уменьшением вдвое номинала управляющего реостата, а сверху ("А") - ограничением его минимального значения.
Казалось бы, что такое ограничительные 47 Ом на фоне 4,7 ком, но именно в этом оказался главный секрет схемы! Позднее я увеличил его до 100 Ом.
Много, много лет спустя, я увидел схемы Морли с оптроном в Т-мосту, где строго нормировалось сопротивление открытого фоторезистора, и понял, что я был на верном пути.

[Mizzzer Schpion]

@ KSG
Всё верно!

Если хочется большего соответствия голосовым резонаторам, мой проект так же может быть подстроен под оптимальные величины.
Этого можно добиться несколькими способами:
а) подстроечниками R20, R22 ограничить диапазон;
б) поменять номиналы R14-R17:
R14, R17 определяют верхнюю границу (2.2кОм => 5кГц). Чтобы понизить эту границу до 2.5кГц нужно увеличить их в 2 раза, т.е. взять номинал 4,3кОм или 4,7кОм.
R15, R16 определяют нижнюю границу диапазона (100кОм => 100Гц). Чтобы поднять её до 300Гц, нужно соответственно уменьшить оба резистора в 3 раза, т.е. выбрать номинал 33кОм.

Для увеличения глубины эффекта можно увеличить К.У. в цепи ПОС: например, добавить пару резисторов в обвязку повторителя U1b, сделав его К.У. больше единицы.
Либо увеличить R6 - но это повлечёт за собой увеличение и общего усиления.

[Tonwood]

Схемы с ШИМ-ДАУ меня очень интересуют, т.к планирую управлялку тембрами и гейнами от проца (атмега или СТМ32 - как пойдет) с настраиваемыми пресетами со схемой в бревне (иначе не обойтись в 6-канальном варианте с полифоническим сустейнером). Проблемка тоже стала - как синхронно "крутить" 4 резистора в фильтре 4-го порядка (24 дб/окт), используемом в качестве темброблока.
Недавно, мониторил журнал Elector Electronics, и там выловил 8(stereo)-и-16(mono) -каскадный , т.н. "Disco Phaser", где управляющие элементы фейзера - те же 4066. Перевел статью на русский (как задание по аглицкому языку для института).
Поэтому,  если автор топа разрешит (потому что это не совсем по теме) - размещу статью здесь. Она, конечно, старовата - декабрь 1983 год, но имеет интересные решения, в том числе и некоторые идеи по управлению. Правда, с другой характеристикой по линейности этого управления.
А на счет Вау - да, шибко большая перестройка более характерна для VCF аналоговых синтезаторов, а как гитарная примочка - традиционно принято от формант "У" до "А"