WidgyBox - дисторшн для гитары

Valinor · April 14, 2022

Начинаем разговор о гитарах статьей Питера Смита из журнала Silicon Chip о эффекте дисторшена для гитары WidgyBox.

Спойлер

У вас есть гитара, но у вас еще нет овердрайва (или дисторшна, или фузза)? Что ж, ваши молитвы были услышаны! Этот звучит великолепно, он дешевый и его легко собрать!

Если вы гитарист, то наверняка знаете все о различных «эффектах», которые можно использовать для улучшения звучания гитары. На протяжении многих лет многие великие исполнители комбинировали эти эффекты со своими собственными уникальными стилями для создания безошибочно узнаваемых фирменных звуков.

Некоторые из наиболее востребованных звуков создаются путем преднамеренного гармонического искажения музыкального сигнала. Первоначально этот тип эффекта производился исключительно за счет перегрузки выходного каскада ламповых усилителей.

Про овердрайв и дисторшн

В наши дни эффекты искажения создаются специальным электронным оборудованием. Возможно, в попытке извлечь выгоду из успеха прошлых легенд большая часть этого оборудования может похвастаться ламповыми качествами дисторшна.

Ламповые усилители известны мягким клиппингом выходного сигнала, когда они перегружены, по крайней мере, на умеренных уровнях. Если сигнал представляет собой чистую синусоиду, пики просто округляются, при этом происходит некоторое сжатие формы волны.

Эти закругленные пики создают преимущественно гармоники более низкого порядка. По сути, это означает, что гармоники тесно связаны с основными частотами и поэтому имеют тенденцию звучать вполне естественно. Возможно, мы могли бы сказать, что они «резонируют» или «звенят» с основными тонами.

Гармоники, кстати, в музыкальном мире называются «тонами». Они просто кратны исходным, основным частотам.

Как только входной сигнал любого усилителя значительно превышает расчетный предел, выходной сигнал либо сильно обрезается, либо преобразуется в неразличимый шум, в зависимости от характеристик перегрузки усилителя.

В отличие от закругленных пиков волны с мягким клиппингом, жесткое клиппирование характеризуется плоскими волнами с острыми краями. Это происходит из-за того, что выходные каскады доходят до шин питания, срезая пики и сжимая или получая «трещащий» сигнал.

Жесткое отсечение приводит к множеству высших гармоник основных частот. Полученный звук часто описывают как «пронзительный», «довольно резкий» и «более металлический».

Побочный эффект, называемый «интермодуляционными искажениями», возникает, когда все эти гармоники неизбежно смешиваются. Произведение двух частот является как суммой, так и разницей оригиналов, и они не обязательно могут быть «музыкально» связаны с содержанием. Следовательно, интермодуляционные искажения — это нежелательные шумы, которые достаточно легко улавливаются ухом.

Идеальное искажение?

Насколько мы можем судить, не существует простого способа создания идеального эффекта искажения. Почему? В первую очередь потому, что было бы невозможно прийти к общему мнению о том, что это за звук. Это больше связано с типом музыки, личными предпочтениями и стилем игры, чем с чисто техническими аспектами.

Многие коммерческие блоки эффектов искажения сочетают в себе как мягкое, так и жесткое отсечение, а доступные пользователю элементы управления включаются для обеспечения регулировки между этими двумя крайностями, что позволяет адаптироваться к целому ряду музыки и стилей. Некоторые из них также включают регуляторы тембра для повышения универсальности.

"WidgyBox" основан на этих идеях. Критерий проектирования был прост: он должен был быть несложным, недорогим и простым в изготовлении. Мы думаем, что он станет достойным дополнением к базовому набору эффектов любого гитариста.

Рис. 1. Схема использует три недорогих операционных усилителя (IC1-IC3) и работает от 9-вольтовой батареи. Диоды Шоттки D1 и D2 обеспечивают функцию мягкого ограничения, а IC1b обеспечивает жесткое ограничение, в зависимости от настройки VR1.

Спойлер

На рис. 1 показаны детали нашей конструкции — она полностью основана на операционных усилителях серии TL07x. Как и большинство педалей эффектов, схема предназначена для прямого подключения к выходу гитары.

Конденсатор емкостью 47 мкФ соединяет вход по переменному току с первым каскадом операционного усилителя (IC1a). Этот конденсатор намного больше, чем вы могли бы ожидать, чтобы обеспечить низкий уровень шума. Как и во всех следующих каскадах, вход IC1a смещен на половину напряжения шины питания (+V/2), в данном случае через резистор 220 кОм. Резистор 1кОм и конденсатор 10пФ на входе действуют как фильтр нижних частот? предотвращая попадания РЧ (радиочастотных) сигналов в цепь.

IC1a подключена в неинвертирующей конфигурации с коэффициентом усиления 4,9, установленным резисторами обратной связи 39 кОм и 10 кОм. Конденсатор емкостью 150 пФ в цепи обратной связи сглаживает частотную характеристику выше звукового спектра.

Выход IC1a появляется на выводе 1 и связан по переменному току через конденсатор 2,2 мкФ с потенциометром VR1. Этот потенциометр регулирует уровень сигнала на следующем этапе по причинам, которые вскоре станут ясны.

Сигнал от движка VR1, в свою очередь, связан по переменному току с операционным усилителем IC1b через конденсатор емкостью 15 нФ. Этот конденсатор также работает с резистором смещения 100 кОм, образуя фильтр верхних частот, чтобы обеспечить небольшую меру компенсации предыскажений. Это необходимо для уменьшения влияния гармоник нижних струн. По-видимому, эти низкочастотные гармоники имеют тенденцию звучать немного «фруктово» во время работы с аккордами.

Кроме того, обрезание низких частот также может помочь с эквалайзером гитарного звукоснимателя.

IC1b сконфигурирован как неинвертирующий каскад и работает с коэффициентом усиления 12,8. Он выполняет две важные функции, первая из которых заключается в управлении парой встречно-параллельных диодов (D1 и D2), задачей которых является выполнение функции мягкого ограничения.

Рис.2: умеренное мягкое отсечение. Верхняя осциллограмма показывает сигнал на операционном усилителе IC1b, а нижняя осциллограмма показывает сигнал на ограничивающих диодах (D1 и D2). Обратите внимание на плавные пики сигнала. Сжатие уже достаточно заметно, приближаясь к соотношению 2:1.

Рис. 3: это максимальный сигнал мягкого ограничения, снова полученный через диоды D1 и D2. Обратите внимание, что восходящий и задний фронты теперь почти вертикальны, но у нас все еще есть закругленные пики. Компрессия теперь довольно высока, и это также придает некоторую степень сустейна.

Рис.4: максимально жесткое (и мягкое) отсечение. Верхняя осциллограмма показывает жестко ограниченный выходной сигнал операционного усилителя. Внизу мы можем видеть, как это выглядит через диоды. Амплитуда не сильно отличается от рис. 3, но пики «сглажены».

Рис. 5: возня с регуляторами тембра дает больший эффект, чем вы могли бы ожидать, потому что он также усиливает или обрезает гармоники. Вот как выглядит выход (нижняя форма волны), когда мы накручиваем усиление басов.

Спойлер

Работа клиппинга

Это работает довольно просто. Как только пиковый уровень сигнала превышает прямое напряжение (0,2-0,4 В) диодов, они начинают проводить, таким образом отсекая высокие и низкие частоты сигнала. Кроме того, нелинейная характеристика проводимости диодов придает пикам гладкий округлый вид.

Независимо от увеличения уровня возбуждения диоды продолжают ограничивать сигнал примерно до того же напряжения, что приводит к еще большему сжатию (и искажению) сигнала.

При очень высоких уровнях драйва вступает в игру вторая роль IC1b — он начинает жестко ограничивать сигнал. Что происходит, так это то, что уровень усиленного сигнала превышает максимально доступный выходной размах операционного усилителя, поэтому он резко обрезается.

Это нормальное поведение для любого перегруженного операционного усилителя, и это именно то, что нам нужно для нашей функции жесткого ограничения!

Интересен тот факт, что клипса TL072 несимметрична. Это говорит о том, что мы получаем не только гармоники более высокого порядка, упомянутые ранее, но и большую долю четных, а не нечетных мультипликаторов.

Обратите внимание, что мы указали диоды Шоттки для D1 и D2, поскольку они имеют более низкое прямое напряжение, чем обычные 1N4148/1N914. Это дает больший диапазон регулировки между мягким и жестким клиппированием, позволяя больше сжимать форму волны и усиливая эффект «сустейна».

Регуляторы тембра

Искаженный сигнал направляется в сеть управления тоном типа Baxandall, основанную на операционном усилителе IC2 и потенциометрах VR2, VR3 и VR4.

Эти потенциометры и связанные с ними резисторы и конденсаторы образуют цепь обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя.

Каждую из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных цепей можно рассматривать отдельно, поскольку они подключены параллельно между сигнальным входом, следующим за IC1b, и выходом IC2 на выводе 6. Кроме того, движок каждого потенциометра эффективно подключен к инвертирующему входу, который является виртуальной землей.

Работа регулятора низких частот следующая: при центрированном VR2 значение сопротивления, подключенного между выходом IC1b и контактом 2 IC2, такое же, как и между контактами 2 и 6, и это устанавливает коэффициент усиления равным -1. Конденсатор емкостью 15 нФ не оказывает никакого влияния, поскольку он одинаково сбалансирован по потенциометру.

Если мы переместим движок VR2 в положение полного усиления (т. е. повернем вал потенциометра полностью по часовой стрелке), мы получим 19 кОм (18 кОм + 1 кОм) между входом и контактом 2 IC2 и 19 кОм между контактами 2 и 6. Кроме того, конденсатор емкостью 15 нФ подключен к сопротивлению 100 кОм в цепи обратной связи.

Без конденсатора усиление было бы -119 кОм/19 кОм или -6,3 на всех частотах. Но с конденсатором коэффициент усиления высок только на частоте около 50 Гц, а при повышении частоты он возвращается к -1 (т. е. к общему единичному усилению). Таким образом, мы имеем усиление басов.

И наоборот, когда VR2 полностью закручен против часовой стрелки, положение меняется на противоположное, и мы получаем усиление 19 кОм/119 кОм или -0,16 (16dB). Конденсатор теперь находится на стороне входа и обеспечивает меньшее усиление на частотах ниже 100 Гц, но с увеличением усиления до -1 на частотах выше 100 Гц. Таким образом, у нас есть бас. Различные настройки VR2 между этими двумя крайностями обеспечат меньший подъем и срез.

СЧ-секция работает аналогичным образом, за исключением того, что теперь между контактом VR3 и выводом 2 установлен конденсатор емкостью 12 нФ. Вместе с конденсатором емкостью 2,7 нФ на клемме VR3 создается полосовой фильтр, поэтому мы либо усиливаем, либо обрезаем средние частоты.

Регулятор высоких частот работает без конденсатора на VR4, но с конденсатором 1.5 нФ между его ползунком и контактом 2 для создания усиления или среза высоких частот на 10 кГц.

Конденсатор емкостью 39 пФ между контактами 2 и 6 микросхемы IC2 обеспечивает высокочастотный спад для предотвращения колебаний, которые в противном случае могли бы возникнуть, когда регулятор тембра установлен на максимальное усиление. Точно так же резистор 1 кОм, включенный последовательно с контактом 2, предназначен для ослабления радиочастотных сигналов; это останавливает радиопрорыв.

Возможность усилить или ослабить искаженный сигнал в трех различных полосах дает вам большую степень контроля над звуком — на самом деле больше, чем это возможно со многими коммерческими устройствами, которые обычно обеспечивают только одну или две полосы регулировки.

Переключатель S1 был включен, чтобы позволить вам быстро полностью обойти схему тона, если вы хотите управлять ею в другом месте вашей установки.

Контроль уровня и выход

Выход IC2 связан по переменному току через конденсатор 2,2 мкФ с VR5. Этот потенциометр позволяет установить выходной уровень в соответствии с входным, тем самым предотвращая любые заметные скачки громкости при включении и выключении WidgyBox. Оттуда сигнал подается по переменному току через конденсатор емкостью 220 нФ на операционный усилитель IC3a. Этот операционный усилитель сконфигурирован как повторитель напряжения — он просто буферизует входящий сигнал и пропускает его без изменений.

Резистор 150 Ом развязывает выход IC3a от любой емкости кабеля, тем самым обеспечивая стабильность при любых условиях. Затем следует конденсатор емкостью 47 мкФ для устранения смещения постоянного тока. Наконец, резистор 10 кОм замыкает выход на землю, гарантируя отсутствие неприятных щелчков, когда коробка включается в сигнальный тракт в горячем режиме.

Источник питания

Как и в случае с другими популярными педалями эффектов, устройство питается от щелочной батареи 9 В. Потребляемый ток составляет всего около 12-15 мА, так что вы получите больше дней непрерывного использования, прежде чем потребуется замена.

В качестве альтернативы питание может быть обеспечено штепсельной вилкой 9 В постоянного тока. Однако имейте в виду. что большинство нерегулируемых штекерных блоков выдают гораздо большее напряжение, чем их номинальное значение при таких низких уровнях тока.

Хотя это не повредит вашей коробке, более высокое напряжение изменит характеристики эффектов искажения при высоких настройках привода.

Если у вас есть блок питания с возможностью выбора выходного напряжения, вы можете обнаружить, что настройка 7.5 В обеспечивает около 9,5 В при небольшой нагрузке, что является идеальным.

Обратите внимание, что отрицательная клемма аккумулятора соединяется с землей через переключающие контакты входного разъема постоянного тока (CON3) и средние и общие контакты входного разъема гитары (CON1). Это означает, что вам нужно будет подключить гитару, чтобы включить коробку.

Это также означает, что при подключении штекерного разъема батарея отключается. Эта функция очень важна, иначе блок питания попытается зарядить аккумулятор, что может привести к громким и поразительным последствиям!

Наконец, половинная шина напряжения питания (т. е. +V/2), необходимая для всех цепей смещения, генерируется операционным усилителем IC3b и связанными с ним схемами. Два резистора 47 кОм делят шину +V пополам, после чего она фильтруется конденсатором 10 мкФ, а затем буферизуется операционным усилителем IC3b. Резистор 100 Ом, включенный последовательно с выходом IC3b, развязывает большой конденсатор фильтра емкостью 10 мкФ.

На этом крупном плане показана окончательная версия печатной платы. Позаботьтесь о том, чтобы все поляризованные детали были установлены правильно.

Рис.6: вот как установить детали на печатную плату. Сначала установите мелкие детали, прежде чем переходить к выходным разъемам, держателю батареи и (наконец) потенциометрам (см. текст).

Рис.7: эти полноразмерные изображения можно использовать в качестве шаблонов для сверления передней и задней панелей. Для начала просверлите небольшие направляющие отверстия, затем осторожно увеличьте каждое отверстие до нужного размера с помощью конической развертки.

Собранная печатная плата аккуратно помещается в низкопрофильный пластиковый корпус прибора. Обратите внимание, что показанная здесь печатная плата является версией прототипа и немного отличается от окончательной версии, показанной на рис.6.

Рис.8: выслушав все рассказы о ламповом перегрузе, мы были поглощены любопытством и должны были сами все это посмотреть. Добрый джентльмен одолжил нам свой ламповый гитарный усилитель, и мы записали этот сигнал, когда он был перегружен. Чувак, это не выглядит слишком мягко, не так ли?

На задней панели находятся 6,5-мм стереоразъемы с переключателем и отверстие для доступа к разъему питания постоянного тока.

Рис.9: это полноразмерный шаблон травления печатной платы.

Спойлер

Сборка

За исключением светодиода питания, все компоненты монтируются на одной печатной плате с кодом 01105031. Используя в качестве руководства схему наложения на рис. 6, начните с установки восьми проводных соединений с использованием луженого медного провода диаметром 0,7 мм или аналогичного. Обратите внимание, что две перемычки рядом с входным и выходным разъемами (CON1 и CON2) можно не использовать, если вы собираетесь установить ножной переключатель в коробку, но об этом позже.

Сначала установите низкопрофильные компоненты, начиная с резисторов и диодов (01-03), а затем три ОУ (IC1-IC3). Убедитесь, что конец каждой микросхемы с контактом 1 (с насечкой) ориентирован в соответствии со схемой наложения. Кроме того, обратите внимание, что IC2 представляет собой TL071 (одиночный) операционный усилитель, тогда как остальные версии TL072 (двойные). Не путайте их!

Два разъема (CON1 и CON2) и разъем постоянного тока (CON3) могут быть следующими. При вставке штекерных разъемов нажимайте на них до упора, пока выступы всех контактов не соприкоснутся с поверхностью печатной платы. Следуйте за держателем батареи, который должен быть прикреплен к печатной плате с помощью саморезов № 4 x 6 мм перед пайкой.

Затем установите все конденсаторы. Электролитические конденсаторы емкостью 100 мкФ и два электролитических конденсатора 10 мкФ поляризованы и должны располагаться правильно. Остальные пять электролитов неполяризованы (отмечены «NP» на накладке) и могут использоваться любым способом.

Потенциометры VR1-VR5 и переключатель S1 следует устанавливать в последнюю очередь, начинать с VR1, но припаивать только его средний штырек. Поднимите доску на уровень глаз и осмотрите его положение спереди и сбоку. Он должен сидеть идеально "квадратно".

Зачем возиться? Ну, когда мы в конечном итоге устанавливаем переднюю панель, этот шаг помогает обеспечить выравнивание всех валов, улучшая внешний вид и сводя к минимуму нагрузку на паяные соединения при затягивании гаек.

При необходимости отрегулируйте положение потенциометра, а затем припаяйте оставшиеся два контакта. Повторите эту процедуру для остальных четырех горшков.

Наконец, установите переключатель тонального обхода (S1), убедившись, что он надежно закреплен на поверхности печатной платы перед пайкой.

Подготовка корпуса

В состоянии поставки нижняя половина корпуса содержит восемь монтажных стоек. Четыре крайние стойки используются для поддержки печатной платы, а четыре внутренние стойки не требуются и должны быть удалены. Это можно сделать с помощью стамески или большого сверла.

Шаблоны, показанные на рис. 7, обеспечивают самый быстрый и простой способ получить все отверстия в нужных местах для передней и задней панелей. Скопируйте шаблоны, вырежьте их, тщательно выровняйте и прикрепите каждый к пустой панели.

Сначала аккуратно пробейте отверстия прямо через шаблоны, затем снимите их и просверлите направляющие отверстия 1 мм для каждой метки. Не пытайтесь прыгать прямо на сверло большого диаметра, так как вы можете расколоть панель или сделать отверстия не по центру. Вместо этого просверлите отверстия постепенно большего размера в несколько этапов.

Некоторые конструкторы не будут иметь дробных размеров сверл вплоть до больших диаметров валов горшков и домкратов. В этом случае коническая развертка идеальна для увеличения отверстий до их окончательных размеров.

Пробная установка

Переднюю панель нельзя с силой надевать на валы резисторов. Если размеры отверстий соответствуют валам, но панель по-прежнему плотно прилегает (или не подходит!), то отверстия явно не соосны. Увеличьте размеры отверстий по мере необходимости, чтобы получить легкую посадку. Это очень важно; хорошая посадка удерживает все валы горшка на одной линии.

Закончив сверление, вставьте панели на место и неплотно установите шайбы и гайки на все горшки и два разъема домкрата. Теперь сборка должна без особых проблем скользить в нижнюю часть корпуса. Убедитесь, что четыре отверстия для монтажных стоек видны через отверстия в печатной плате и что стойки действительно соприкасаются с нижней стороной платы. Если все в порядке, затяните гайки вручную.

Заземление регуляторов

Для минимизации посторонних шумов металлические корпуса резисторов необходимо соединить с шиной заземления (О В). Это достигается путем припайки одного отрезка луженой медной проволоки к металлической верхней части каждого резистора и присоединения его к печатной плате с обоих концов. Схема наложения (рис. 6) и различные фотографии показывают, где расположить этот провод.

Чтобы припой прилипал к корпусам, удалите небольшое пятно кадмиевого покрытия на каждом резисторе чернильной резинкой или губкой для мытья посуды и очистите это место спиртом. После этого предварительно залудите место довольно горячим паяльником и припоем, прежде чем пытаться прикрепить заземляющий провод.

Установка светодиода

Чтобы установить светодиод, сначала зачистите и залудите концы двух 30-миллиметровых отрезков легкого соединительного провода. После этого укоротите провода светодиода примерно до 8 мм, припаяйте один конец каждого провода к проводу светодиода и изолируйте соединения термоусадочной трубкой.

Наконец, установите светодиод на переднюю панель и припаяйте два провода к печатной плате, как показано на рис.6. Не забудьте установить светодиод с правильной полярностью. Плоский край корпуса светодиода идет к краю корпуса (см. рис. 1 и 6).

При необходимости светодиод можно зафиксировать каплей клея или силиконового герметика.

Тестирование

Несколько быстрых измерений напряжения в цепи помогут подтвердить, что ваш проект готов к использованию. Вам понадобится новая батарея на 9 В, штекер монофонического разъема и мультиметр.

Установите аккумулятор и вставьте вилку во входное гнездо CON1. Штекер может быть на одном конце гитарного соло, но пока не подключайте ничего к другому концу!

Как только вилка будет вставлена, должен загореться индикатор питания. Если это не так, немедленно вытащите вилку и проверьте ориентацию светодиода. Кроме того, проверьте наличие непрерывности через контакты переключателя разъема постоянного тока CON3, которые можно определить, проследив отрицательное соединение от аккумулятора.

Если вышеуказанные проверки не выявили проблему, подозревайте короткое замыкание или низкое сопротивление между шиной +V (плюс батареи) и землей (минус батареи). Возможно, вы непреднамеренно перепутали одну из микросхем или, возможно, где-то между дорожками есть перемычка припоя. Следуйте по дорожке + V вокруг платы, чтобы отследить ее.

Хорошо, давайте предположим, что светодиод загорается. Далее мы проверим, поступает ли питание на каждый вывод питания операционного усилителя.

Настройте мультиметр на считывание напряжения постоянного тока и измерьте его между контактами 4 и 8 микросхем IC1 и IC3. После этого повторите измерение между контактами 4 и 7 микросхемы IC2. Во всех случаях показание должно быть около 9,2 В.

Теперь коснитесь отрицательного щупа измерителя отрицательной клеммой аккумулятора, а положительного щупа — контакта 2 IC2. Ваше показание должно быть очень близко к половине напряжения, измеренного выше (около 4,6 В).

Последние штрихи

Следующим шагом является крепление печатной платы к стойке корпуса четырьмя саморезами № 4 x 6 мм. Прежде чем затягивать винты, рекомендуется временно ослабить гайки, чтобы узел «удобно» занял свое место.

Последняя работа — укоротить валы потенциометра, чтобы они соответствовали ручкам. Перед этим завинтите верхнюю половину корпуса на место и затяните все гайки.

Теперь процедура заключается в том, чтобы зажать кончик каждого вала горшка (по очереди) в тиски, начиная с VR1. Затем вы можете аккуратно отрезать ненужную часть вала с помощью ножовки. Для нашего прототипа для нажимных ручек требовалось всего 14 мм длины стержня (от поверхности панели). Обязательно выдержите вес сборки во время резки.

Вот и все - вы готовы к року!

Климентий · April 15, 2022

Необходимо смотреть спектральную составляющую после ограничения. Одной осциллограммы недостаточно для понимания процесса формирования звука ограничением...