Електроніка та мікросхемотехніка

Сигнал сброса, т.е. окончания импульса формируется с помощью RC-звена, времязадающий конденсатор подключается между выводами микросхемы 10 и 11, резистор подключается от вывода 11 к положительной шине питания 5В. На кристалле схемы имеется внутренний резистор Rвн с номиналом примерно 2 кОм. Если требуемый номинал <Rвн, то можно использовать только внутренний резистор, подключив во внешней цепи лишь конденсатор . Длительность импульса можно определить по следующей формуле:

Если  и (т.е. эти элементы отсутствуют), длительность выходного импульса будет не более 35нс. Включение этих элементов удобно для генерации импульсов сброса. Длительность импульса мало зависит от температуры и питающего напряжения.

Вход			Выход
A1	A2	B	Q	Q
0	x	1	0	1
x	0	1	0	1
x	x	0	0	1
1		x	0	1
1		1
	1	1
		1
0	x
x	0

Табл.5.2

В табл. 5.2 дана сводка сигналов логического управления мультивибратором АГ1. Первые четыре строки здесь показывают зависимость статических выходных уровней от логических уровней на входах А1, А2, В. Нижняя часть табл.5.2 содержит пять условий

 

генерации одного выходного импульса и указывает  фазу сигналов на выходах.

Длительность  выходных импульсов можно менять от 30нс до 0.28 с, номиналы резисторов следует  выбирать в пределах 2-40 кОм, а конденсаторов  – 10пФ-10мкФ.

 

 

 

6.РАЗРАБОТКА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Электрическая принципиальная схема электронного устройства представлена на чертеже ХНТУ.6,050201.КП.11.020.Э3.

Как было сказано  ранее, функционально ритм-бокс состоит  из двух частей: блок управления и блока  звукового синтеза.

Рассмотрим работу блока управления. Его основой  является микросхема К155РУ2 (DD6) – оперативное запоминающее устройство с емкостью памяти 64 бит. Управление микросхемой ОЗУ осуществляется через триггеры микросхем DD1, DD2 и DD3, предназначенные для устранения дребезга контактов. При включении питания устройства, RS-триггеры микросхем DD1 и DD2 устанавливаются в неопределенное состояние. Нажатием на кнопку SB7 «Стоп» подают на R-входы триггеров DD1.1, DD1.2, DD2.1, DD2.2 и DD3.2 высокий уровень, тем самым фиксируя их в исходное состояние, при котором на их прямых выходах появляется напряжение низкого уровня. С прямого выхода триггера DD3.2 сигнал низкого уровня запрещает работу тактового генератора, собранного на транзисторе VT1 и элементах DD4.1 и DD4.2. После этого, инструмент готов к приему информации.

Кнопками SB1 – SB4 “Имитаторы” и кнопкой SB5 «Запись» записывают 16 тактов ритмического рисунка композиции. При этом следует помнить, что что нажатая кнопка дает сигнал высокого уровня, а ненажатая – низкого. Запись производят в таком порядке. Сначала нажимают кнопки нужных имитаторов первого такта, получив необходимое двоичное слово, например, 1001. При этом триггеры DD1.1 и DD2.2 переключаются в единичное состояние, а триггеры DD1.2 и DD2.1 останутся в исходном нулевом состоянии. Следовательно, на входах D0-D3 ОЗУ DD6 появится нужный код первого такта, а именно 1001. Остается записать его в первую ячейку памяти, нажав на кнопку SB5 «Запись». При этом с прямого выхода триггера DD3.1 через дифференцирующую цепь C2R3 на вход 9 элемента DD4.3 поступит короткий импульс прямоугольной формы низкого уровня. А поскольку на входе 10 этого элемента изначально присутствовало напряжение высокого уровня, то с его выхода на вход WE ОЗУ поступит короткий импульс прямоугольной формы

низкого уровня. Одновременно импульс с инверсного выхода триггера DD3.1, поступив на вход 12 элемента DD4.4, преобразуется в высокий, и с выхода этого элемента поступает на вход C1 счетчика DD5. В результате, адресный код на выходах 1, 2, 4 и 8 счетчика увеличится на единицу, а в ОЗУ к записи подготовится следующая ячейка. Аналогичным образом делают последующие записи.

После записи всех 16 тактов можно начинать исполнение нажатием на кнопку SB6  «Старт». При  этом сигнал высокого уровня с прямого  выхода триггера DD3.2 разрешит работу тактового  генератора. Вырабатывая импульсы, следующие с частотой, регулируемой переменным резистором R4, генератор управляет счетчиком DD5. Соответственно, на адресных входах А0-А3 ОЗУ будут последовательно меняться адреса ячеек памяти, а на выходах Q0-Q3 – импульсы низкого уровня которые будут включать те или иные имитаторы ударных инструментов.

Далее, инверсный  сигнал с каждого из выходов ОЗУ  приходит на входы A1 и A2 четырех формирователей управляющих импульсов, реализованных  на микросхемах DD7 – DD10. Каждый из формирователей представляет собой ждущий мультивибратор на микросхеме К155АГ1. Каждый из мультивибраторов по приходу сигнала с ОЗУ формирует импульсы заданной длительности, определяемые номиналами элементов времязадающей RC-цепи, подключаемой к выводам 10 и 11. Все времязадающие цепи также подключении к источнику питания напряжением 5В. Также, с выхода тактового генератора через разделительный конденсатор С14 подается запускающий сигнал на входы B микросхем DD7 – DD10. С выходов мультивибраторов управляющие импульсы через делители напряжения R9R10, R11R12, R13R14 и R15R16 подаются на разъем Х1, подключаемый к внешнему секвенсору или синтезатору, а также запускают собственные имитаторы ударных инструментов.

Три имитатора  из четырех представляют собой простейшие генераторы прямоугольных колебаний  с входом управления, собранные на логических элементах 2И-НЕ микросхем DD11, DD12. С выходов генераторов  сигналы звуковой частоты через  фильтры низкой частоты, построенные  на резисторах R20-R25 и конденсаторах  С11-С13, поступают на выход X2, подключаемый к внешнему усилителю звуковой частоты.

Для имитатора  хэта характерно шумовое звучание, поэтому используется генератор шума, выполненный на транзисторах  VT1, VT2. Шумы лавинного процесса в эмиттерном p-n переходе  транзистора VT1 усиливаются транзистором VT2, после чего поступают к модулятору, собранному на транзисторах VT3, VT4, где модулируются управляющим импульсом из блока управления. Генератор шума и модулятор питаются от от любого импульсного преобразователя напряжения 5/12 В с частотой импульсов в 1 кГц.

Полученный сигнал звуковой частоты также, как и  сигналы с других имитаторов, подается на выход Х2.

 

7.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Для правильной и  реалистичной имитации ударных инструментов необходимо точно подобрать частоту  каждого из генераторов. В используемых в данной конструкции мультивибраторах необходимо рассчитать начения конденсаторов С8-С10 и резисторов R17-R19.

Для начала необходимо вывести формулу расчета частоты  используемого мультивибратора. Рассмотрим принцип его работы на примере  имитатора большого барабана, изображенного  на рис.7.1.

 

Рис.7.1

Принцип его работы основан на попеременном заряде и  разряде конденсатора C8, находящегося в положительной обратной связи, через резистор R17, за счет чего на выходе логического элемента DD11:2 попеременно появляются сигналы высокого и низкого уровня определенной длительности. Временная диаграмма, отображающая принцип работы генератора, изображена на Рис.7.2.

Рис.7.2

Допустим, с выхода логического элемента DD11:2 сигнал высокого уровня поступает на вход конденсатора С8, тем самым заряжая его через  резистор R17. Когда напряжение на конденсаторе достигает Uпор., на вход инвертора DD11:1 поступает сигнал низкого уровня, который инвертируется и подается на вход логического элемента DD11:2. В результате этого на выходе генератора появляется сигнал низкого уровня, и цикл повторяется заново.

Поскольку график заряда конденсатора имеет экспоненциальный характер, общая формула имеет  вид:

, где

 

Используемая  в генераторе микросхема К155ЛА3 имеет  следующие характеристики:

-входное напряжение  низкого уровня () – 0.4В;

-входное напряжение  высокого уровня () – 4.2В;

-пороговое напряжение  срабатывания  – 2.4В;

Поскольку входное  напряжении низкого уровня очень мало, его значением можно пренебречь, в результате чего имеем следующую формулу:

Подставим имеющиеся  значения и разрешим уравнение относительно длительности импульса t.

 

 

(7.1)

Таким образом, получили расчетную формулу длительности импульса генератора. Поскольку период сигнала в два раза длиннее  длительности импульса, то получим  следующую формулу:

(7.2)

На основе выведенных формул рассчитаем значения резистора  R17 и конденсатора С8. Частота звучания большого барабана приблизительно равна 59.7 Гц. Отсюда найдем длительность импульса

 

Теперь необходимо подобрать сопротивление резистора  и емкость конденсатора. Для этого  зададимся емкостью конденсатора и  по формуле (7.1) найдем значение резистора.

Допустим, , тогда

Таким образом, имеем  значения резистора и конденсатора для имитатора большого барабана:

 

 

Аналогичным образом  произведем расчет имитатора малого барабана и бонга, используя формулы (7.1) и (7.2)

Частота звучания малого барабана приблизительно равна 394.1 Гц, отсюда:

; 

 

Допустим, , тогда

Таким образом, имеем  значения резистора и конденсатора для имитатора малого барабана:

 

 

Частота звучания бонга приблизительно равна 19.700 Гц, отсюда:

; 

 

Допустим, , тогда

Таким образом, имеем  значения резистора и конденсатора для имитатора малого барабана:

 

 

Как было описано  ранее, каждый имитатор управляется  сигналами, подаваемыми с формирователей на одновибраторах К155АГ1. Приблизительная продолжительность звучания каждого из инструментов должна составлять . Поэтому на входы каждого из имитаторов должны приходить запускающие сигналы вышеуказанной длительности. Диаграмма, описывающая процесс управления генератором, изображена на Рис..7.3.

Рис.7.3

 

Пока на входе  имитатора держится сигнал низкого уровня, на его выходе сигнал не появляется. При появлении сигнала высокого уровня с длительностью , имитатор начинает генерировать прямоугольные импульсы с длительностью . Как только импульс, подаваемый на вход, прекращается, имитатор также прекращает генерировать сигналы звуковой частоты.

Расчет длительности выходного импульса для микросхем  К155АГ1 выполняется по формуле:

, где и - элементы внешней времязадающей цепи, подключаемой к микросхеме.

Рассчитаем значения резистора C4 и R5 для микросхемы DD7. изначально зададимся значением конденсатора, поскольку вычисление значения резистора значительно проще.

 Допустим, , тогда

В результате получили значения элементов времязадающей  цепи для микросхемы DD7:

 

Поскольку все  формирователи должны генерировать импульсы одинаковой длительности, значения элементов времязадающих цепей  для микросхем DD7, DD8, DD9 и DD10 будут аналогичными.

 

 

8.ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

 

Печатная плата  ритм-бокса представлена на чертеже ХНТУ.6,050201.КП.11.020.ПП.

Плата соответствует  ГОСТ 23752-79. Плата изготавливается  комбинированным методом. Шаг координатной сетки выбирается равным 2,5 мм. Конфигурация проводников выдерживается по координатной сетке. Проводники условно обозначены сплошными линиями и выполняются шириной 0,4±0,2 мм. Расстояние между проводниками не менее 0,2 мм. В узких местах допускается занижение контактных площадок до 0,15 мм. Маркировка выполняется травлением шрифтом 2,5 по НО.010.007, в узких местах – шрифтом 2.

Размер платы  выбран согласно ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры». Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 470 мм. Допуска на линейные размеры  соответствует.

 

Сборочный чертеж ритм-бокса представлен на чертеже ХНТУ.6,050201.КП.11.020.СБ.

Печатная плата  устройства изготовлена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2мм.

Установку элементов  производить по ОСТ4 ГО.010.030-81. Все постоянные резисторы МЛТ-0,125, резистор R4 СП-23А. Все электролитические конденсаторы К50-6, остальные – КМ-5. Микросхемы (DD1-DD12) Устанавливаются горизонтально по варианту VIIIa ОСТ4 ГО.010.030-81.

 

9.УКАЗАНИЕ ПО  ЭКСПЛУАТАЦИИ И НАЛАДКЕ

 

Собранное из исправных  деталей устройство в наладке  и настройке не нуждается.

Для питания описываемой  драм-машины используется любой готовый или самодельный блок питания. Важно лишь, чтобы он обеспечивал ток нагрузки 0,3 А при напряжении 5±0,1 В.

Возможно, после  сборки устройства понадобится подобрать  резисторы времязадющих цепей одновибраторов DD7-DD10 для получения требуемой длительности импульсов, поскольку от этого зависит качество имитации инструментов.