Електроніка та мікросхемотехніка

субтрактивного метода  синтеза изображена на рис.2.3.

Рис.2.3

Основным достоинством данного метода является простая  его реализация, кроме того, он позволяет  синтезировать широкий диапазон звуков. Однако, недостатком является то, что при синтезе звуков со сложным спеткром приходится использовать большое количество фильтров.

FM-синтез звука:

Является последним  достижением в области аналогового  синтеза звука. Впервые синтезатор такого типа был создан пионером электронной  музыки Робертом Мугом в 1964 году. Его основой стал генератор, управляемый напряжением, способный вырабатывать сигналы различной формы. Различные варианты соединения таких генераторов, а также сложение их выходных сигналов дало возможность синтезировать множество разнообразных звуков.

Рис.2.4

Рис.2.5

 

 

Как показано на Рис.2.4, при FM синтезе звук с необходимым  тембром производится на основе нескольких генераторов звуковых частот на основе их взаимной и модуляции и последующего суммирования. Совокупность генератора и схемы управления этим генератором  называется оператором. Схема соединения двух и более операторов называется алгоритмом. В связке двух операторов тот, который непосредственно выполняет  генерацию звука, называется носителем, а тот, который модулирует волну  – модулятором. Таким образом, схема  соединения операторов и настройки  каждого оператора определяют тембр  звучания. На Рис.2.5 изображен простейший пример алгоритма. В более сложных  имитаторах могут применяться несколько  носителей и/или модуляторов, а  также аддитвный и субтрактивный методы объединения отдельных операторов. Кроме того, в операторах могут использоваться обратные связи с регулируемой глубиной, что позволяет создавать более сложный спектр.

Как показано на Рис.2.4., выходы алгоритмов подключены к сумматору, объединяющему полученные звуки в том случае, если в имитаторе  применяется два и более алгоритмов.

Основным недостатком  метода FM-модуляции является высокая  сложность конструкции, требующая  сложных расчетов при проектировании. Кроме того, такой синтез крайне трудно выполнить на компьютер, поскольку  он требует большой вычислительной мощности от центрального процессора. В результате этого, один и тот  же алгоритм синтеза могут давать разные тембры на различных по скорости компьютерах.

Волновой  синтез звука.

Идея волнового  синтеза звука (Wavetable Synthesis – синтез по методу волновой таблицы, или т.н. Sample Playback – воспроизведение семплов) заключается в том, что в памяти драм-машины в цифровой форме хранятся фрагменты записи звуков реальных ударных интсрументов (семплы), а изменение высоты тона полцчается за счет изменения скорости проигрывания конкретного семпла. Таким образом, звук, получаемый таким методом, зачастую очень трудно отличить от реальных инструментов. На сегодняшний день волновой синтез применяется в основном в виртуальных ритм-боксах, выполняемых на компьютере.

В данном курсовом проекте разрабатывается упрощенная версия ритм-бокса, особенность. которого является то, что у него относительно простая конструкция сочетается с неплохим звучанием, кроме того, данный ритм-бокс легко перепрограммировать практически под любую песню. Инструмент позволяет записывать и циклично воспроизводить 16 тактов ритмического сопровождения музыкального произведения с помощью четырех звуковых каналов, имитирующих большой барабан (ББ), малый барабан (МБ), бонг (Б) и хэт (Б). В качестве блока звукового синтеза используются три имитатора ударных инструментов, представляющие собой простейшие управляемые генераторы прямоугольных колебаний, а также имитатор хэт, представляющий собой генератор шума. Данная реализация блока синтезатора была выбрана в связи с тем, что является простейшей и не требует сложных расчетов и тонкой настройки генераторов, в отличии от аддитивных, субтрактивных и FM-синтезаторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Электрическая структурная  схема упрощенного ритм-бокса представлена на чертеже ХНТУ.6,050201.КП.020.Э1.

Схема состоит  из блока управления и блока звукового  синтеза. Блок управления, в свою очередь, состоит из запоминающего устройства и блока формирования управляющего сигнала. С помощью кнопок «ББ», «МБ», «Б» и «Х» и кнопки «Запись» производится запись соответствующего ритмического рисунка в запоминающее устройство. Кнопки «Старт» и «Стоп» управляют чтением ритмического рисунка из запоминающего устройства.

При нажатии кнопки «Старт» выполняется чтение с  запоминающего устройства, в результате чего записанный в двоичном коде ритмический  рисунок подается на блок формирования управляющего сигнала. Тот, в свою очередь, генерирует четыре управляющих импульса, каждый из которых соответствует  определенному каналу ритмического рисунка. Далее, управляющие импульсы подаются на блок звукового синтеза  и, тем самым, запускают те или  иные имитаторы. Кроме того, блок формирования управляющих сигналов имеет выход  «Процессор», что позволяет подключать драм-машину к внешнему секвенсору или синтезатору.

В блоке звукового  синтеза управляющие импульсы каждого  из каналов ритмического рисунка  подаются на соответствующие имитаторы: «большой барабан», «малый барабан», «бонг» и «хэт». Следует отметить, что имитатор хэт вынесен из блока звукового синтеза, поскольку его реализация отличается от остальных имитаторов большей сложностью. Далее, сигналы всех четырех имитаторов объединяются и подаются на выход устройства.

 

4.РАЗРАБОТКА  ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

 

Электрическая функциональная схема ритм-бокса представлена на чертеже ХНТУ.6,050201.КП.11.020.Э2.

Функционально блок управления состоит из запоминающего  устройства, управляемого счетчиком, блока  формирования управляющих импульсов  и тактового генератора. Запись композиции и её чтение выполняется с помощью семи кнопок. Кнопки включены в цепь через RS-триггеры для того, чтобы устранить дребезг контактов, приводящий к погрешностям работы устройства. Кнопка «стоп» прекращает работу тактового генератора, а также сбрасывает все триггеры в исходное состояние. Новая композиция записывается по тактам. Запись каждого такта производится с помощью кнопок имитаторов, при этом сигналы триггеров приходят на входы данных запоминающего устройства. Остается только записать полученный сигнал в запоминающее устройство.  С помощью однократного нажатия кнопки «запись» через соответствующий RS-триггер и логический элемент 2И-НЕ подается сигнал на вход «чтение/запись», в результате чего выполняется запись такта в соответствующую ячейку памяти запоминающего устройства. Одновременно с этим сигнал с инвертированного входа того же триггера подается через логический элемент на вход счетчика, в результате чего код на адресном входе запоминающего устройства увеличивается на единицу. Аналогично записываются все 16 тактов ритмического рисунка композиции.

При нажатии кнопки «Старт» через соответствующий  триггер и логический элемент 2И-НЕ на вход «чтение/запись» запоминающего  устройства приходит сигнал чтения. Кроме  того, запускается тактовый генератор, управляющий счетчиком. Соответственно, код на выходе счетчика и адресном входе запоминающего устройства с каждым тактом генератора увеличивается  на единицу. Это приводит к тому, что на выходе запоминающего устройства появляются импульсы, соответствующие  тактам ритмического рисунка, с частотой, заданной тактовым генератором. Частоту  сигнала тактового генератора можно  регулировать. Это необходимо для  того, чтобы задать темп проигрывания, соответствующий определенному стилю музыки (джаз, рок, танцевальная музыка или поп-музыка).

Полученные с  выхода запоминающего устройства импульсы поступают на блок формирования управляющего сигнала, где проходит дальнейшую обработку. Блок формирования управляющего сигнала  состоит из формирователей, которые  на основе сигналов с выхода ЗУ и  импульсов тактового генератора генерируют импульсы, запускающие блок имитаторов. Кроме того, блок формирования генерирует сигналы, подаваемые на выход  «пПроцессор» и предназначенные для внешнего секвенсора или синтезатора.

Сформированные  управляющие сигналы из блока  управления запускают блок звукового  синтеза и имитатор «хэт». Непосредственно блок звукового синтеза состоит из трех управляемых генераторов прямоугольных импульсов, соответствующих трем имитаторам: большому барабану, малому барабану и бонгу. При подаче управляющих сигналов генераторы запускаются и вырабатывают необходимые сигналы звуковой частоты. С выходов этих генераторов сигналы звуковой частоты подаются на выход устройства.

Имитатор хэт состоит из генератора шума, модулятор и импульсного источника питания. Для имитатора хэта характерно шумовое звучание, поэтому его основу составляет генератор шума. Далее полученный шум необходимой частоты подается на модулятор. С помощью модулятора происходит управление данным имитатором, на который подается также управляющий сигнал соответствующего канала. Питание генератора шума и модулятора осуществляется с помощью импульсного преобразователя напряжения, на вход которого подается напряжение в 5В.

Сигнал с имитатора  хэт ,также, как и сигналы с остальных имитаторов, подается на выход устройства, подключенный ко входу внешнего усилителя звуковой частоты.

 

5.ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ  БАЗЫ

 

Запоминающие  устройства (ЗУ) составляют самостоятельный, широкоразвитый класс микросхем средней, большой и сверхбольшой степени интеграции. Здесь представлены оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ) запоминающие устройства.

Выбранная в качестве запоминающего устройства микросхема К155РУ2 (аналог SN7489) представляет собой статическое ОЗУ с объемом памяти 64 бит.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. RAM – random access memory, память с произвольным доступом) – энергозависимая память, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые для выполнения определенных операций процессором или другим электронным устройством. Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны лишь только при включенном питании. При выключении питания всё содержимое оперативной памяти стирается.

Статическое ОЗУ (англ. SRAM – static RAM) – это ОЗУ, которое не требуется регенерировать, так как записанные в нём данные при включенном питании хранятся постоянно. Основным достоинством данного вида памяти является высокая скорость доступа к данным. Кроме того, схемотехника SRAM очень простая и не требует дополнительных сложных контроллеров, поскольку чаще всего реализуется на триггерах. Однако, статические ОЗУ также имеют существенные недостатки. Среди них, высокое энергопотребление, обусловленное быстротой доступа к данным, а также высокая цена. Тем не менее, SRAM широко распространены в устройствах, требующих небольшого объема памяти и высокой скорости чтения/записи данных.

Рис.5.1

Микросхема К155РУ2 (аналог SN7489) (рис. 5.1) – высокоскоростное ОЗУ с емкостью 64бит. Данные в ОЗУ можно записывать и считывать. При считывании информации из ОЗУ она не разрушается. Ячейки в памяти организованы в матрицу RAM, имеющую 16 рядов и 4 колонки, что соответствует логической организации 16 слов по 4 бита каждое. Матрица снабжена адресным дешифратором DC, который принимает четырехразрядный код адреса А1-А4 и выбирает с помощью одного из своих 16 выходов нужное четырехразрядное слово. Четыре буферных входа данных D1-D4 снабжены входом разрешения записи WE. Каждый выход данных Q1-Q4 имеет открытый коллектор, что упрощает соединение нескольких ОЗУ РУ2 в более сложные матрицы. Данные на выходах инвертированы относительно тех, которые записаны в памяти. Вход CS обычно служит для выбора нужной микросхемы в случае их объединения.

Для считывания данных из ОЗУ после фиксации адресных данных на вход WE подается напряжение высокого уровня, а на вход доступа к нужной микросхеме памяти CS – низкого. Для записи сигналов требуется установить напряжение низкого уровня на входах управления WE и CS. Адресный код в это время также должен быть зафиксирован.

Следует учесть, что в режиме считывания выбранные  ячейки памяти доступны для приема данных, поэтому логические сигналы  на шинах требуется зафиксировать  перед переключением уровня управления от низкого к высокому на входе WE.

Микросхема К155РУ2 потребляет ток 100мА, стекающий в открытый коллектор выходной ток более 24мА. Для выбора режимов работы РУ2 служит таблица 5.1

Режим Работы	Вход			Выход Qn
	CS	WE	Dn
Запись	0 0	0 0	0 1	1 0
Считывание	0	1	x	Dn
Запрет записи	1 1	0 0	0 1	1 0
Отключение выходов	1	1	x	1

Табл. 5.1.

 

Формирователи управляющих  импульсов реализованы на микросхеме К155АГ1 (аналог SN74121)(Рис.5.1).

Рис.5.2

Микросхема К155АГ1 или её зарубежный аналог SN74121 –  одноканальный ждущий мультивибратор. Он формирует калиброванные импульсы с высокой стабильностью длительности. Мультивибратор содержит внутреннюю ячейку памяти – триггер с двумя выходами, инвертирующим и неинвертирующим. Триггер имеет три импульсных входа логического управления (установки в исходное состояние) через элемент Шмитта. Вход В дает прямой запуск триггера, входы А1, А2 – инверсные.