Mirley - Elektronika i Programowanie

Pierwotnie efekt distortion+ został zaprojektowany przez Keith Barr'a (MXR Innovations) na początku lat 70-tych i od tego czasu zajmuje ważne miejsce w historii muzyki. Efekt ten był używany przez takie legendy gitarowe jak Randy Rhoads (grał dla Ozzy Osbourne'a) czy Bob Mould, a specyficzny gitarowy dźwięk znalazł miejsce w ich nagraniach przez ostatnie 40 lat. Zarówno efekt distortion jak i overdrive bywa potocznie nazywany "przesterem", gdyż zasada ich działania jest identyczna, różnią się jedynie inną filtracją sygnału przed i po ograniczniku amplitudy oraz ilością wprowadzanych do sygnału zniekształceń nieliniowych. Opisywany tutaj układ jest bardzo prosty w konstrukcji i zbudowany jest w oparciu o jeden podwójny wzmacniacz operacyjny oraz garstkę elementów dyskretnych. Do obcinania sygnału wykorzystywane są diody krzemowe, a nie jak w oryginale diody germanowe. Układ może realizować obcinanie miękkie (Soft Clipping) czyli efekt overdrive oraz obcinanie twarde (Hard Clipping) czyli efekt distortion, posiada także regulację poziomu obcięcia, regulację tonów oraz głośności. Nie zabrakło także miejsca na przełącznik umożliwiający podanie sygnału bezpośrednio z gitary na wzmacniacz, z pominięciem zniekształceń (Bypass). Zasilanie do efektu włączane jest poprzez wpięcie wtyczki wejściowej, jak w większości konstrukcji fabrycznych tego typu.

Projekt został opublikowany w Elektronice dla Wszystkich 5/2012 i jest dostępny w postaci kitu AVT3031

Obcinanie sygnału:

Działanie efektów overdrive i distortion polega na odpowiednim obcinaniu sygnału z gitary. Obcinanie jest nieliniowym procesem wytwarzającym częstotliwości harmoniczne normalnie nieobecne w sygnale audio. Czysty sygnał składa się z dwóch faz, narastanie i opadanie, natomiast opisywany tutaj efekt dodaje jeszcze fazę podtrzymania. Czas trwania fazy podtrzymania zależy od przesterowania jakie wprowadza overdrive czy distortion: jest on tym dłuższy im niższy jest próg odcięcia i im większy jest poziom sygnału przed ścinaniem. Sytuację tą przedstawia rysunek poniżej. Ścinanie sygnału następuje dopiero po przekroczeniu pewnego napięcia progowego. Poniżej tego progu sygnał nie doznaje żadnych zniekształceń - słychać oryginalny dźwięk tak samo jak w przypadku gdy efekt byłby wyłączony (górny przebieg z rysunku poniżej). Przy mocniejszym szarpnięciu struny, sygnał przekracza wartość progu i zostaje ograniczony, zmienia się na bardziej prostokątny (efekt Overdrive, środkowy przebieg na rysunku poniżej) jednak pozostaje ciągle "zaokrąglony" przy wierzchołkach (obcinanie miękkie). Sygnał słyszany jest jako suma harmonicznych, a sygnał bardziej prostokątny zawiera ich więcej. W rezultacie zmiana kształtu sygnału odbierana jest jako dodanie wyższych harmonicznych, dźwięk staje się przez to ostrzejszy. Efekt Overdrive naśladuje przesterowany wzmacniacz lampowy, ograniczenie amplitudy jest łagodniejsze niż w distortion (przebieg dolny z rysunku poniżej), który ma ostrzejsze i bardziej metaliczne brzmienie. Obcięcie w distortion jest bardziej gwałtowne (obcinanie twarde), pojawiają się "proste" odcinki przebiegu. Próg obcięcia ustawiony jest niżej lub stopień wzmacniający sygnał bezpośrednio przed obcięciem ma większe wzmocnienie.

Wytwarzanie przesterowanego sygnału z użyciem różnych nieliniowych przedwzmacniaczy ma swoją daleko idącą historię, poczynając od przesterowanych wzmacniaczy lampowych, czy też układach z diodami germanowymi. Kiedy gitarzysta testuje jeden z efektów typu Overdrive lub Distortion zachwycony jest nietypowym charakterem sygnału, poszukuje jednak możliwości regulacji progu odcięcia, tonów czy też wzmocnienia aby dopasować dźwięk do własnych upodobań. W praktyce wszystkie te funkcje można uzyskać stosując proste nieliniowe układy ze wzmacniaczami operacyjnymi. Na rysunku poniżej przedstawione zostały dwa przykładowe schematy realizacji obcinania miękkiego, czyli efektu overdrive. Wzmocnienie jest tu odwrotnie proporcjonalne do poziomu sygnału wejściowego. W przypadku pierwszym (na rysunku poniżej - po lewej) takie nieliniowe wzmocnienie realizowane jest poprzez zastosowanie w sprzężeniu zwrotnym klasycznego wzmacniacza odwracającego dwóch diod krzemowych włączonych przeciwsobnie. Mogą też pracować po dwie diody w szeregu, wszystko zależy od wzmocnienia jakie będzie miał wzmacniacz. Jak widać z rysunku wzmocnienie takiego układu jest równe 100 i wynika bezpośrednio ze stosunku 100xR/R. W praktyce zamiast rezystora 100xR stosuje się potencjometr, który staje się regulatorem progu obcinania sygnału (regulator "Drive"). W drugim przypadku (na rysunku poniżej - po prawej) diody odcinają poziom sygnału zwierając go do masy, lub częściej do sztucznej masy będącej połową napięcia zasilania (przy zasilaniu niesymetrycznym). Diody zastosowane w takiej konfiguracji muszą być germanowe lub być diodami LED. Regulacja progu obcinania sygnału realizowana jest identycznie jak w drugim układzie dzięki regulacji wzmocnienia. Obcinanie twarde, czyli efekt distortion realizowany jest w identyczny sposób jak obcinanie miękkie z diodami zwartymi do masy (na rysunku poniżej - po prawej). Jednak w tym przypadku diody muszą być diodami krzemowymi.

Działanie:

Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku poniżej:

Prezentowany tutaj układ nie jest niczym odkrywczym, gdyż w internecie można znaleźć setki schematów bardzo podobnych do zastosowanego w prezentowanym projekcie. Sercem układu jest tutaj wzmacniacz operacyjny U1 (NE5532). Pierwsza jego połówka pracuje w obwodzie obcinania sygnału wejściowego. Rezystory R8 (22k) i R14 (2,2k) oraz potencjometr P1 (1M) o charakterystyce logarytmicznej pozwalają zmieniać wzmocnienie obwodu z układem U1A, a co za tym idzie ustawiają próg obcinania sygnału. Dodatkowo R14 i C7 (150nF) tworzą filtr górnoprzepustowy kompensujący podbicie niskich i średnich częstotliwości naturalnie występujące w sygnale z gitary. Elementem bezpośrednio odpowiedzialnym za nieliniową charakterystykę wzmacniacza są diody D4-D7 (1N4148) zapięte w sprzężeniu zwrotnym U1A. Realizują one obcinanie miękkie. Za obcinanie twarde odpowiadają diody D8-D9 (1N4148) zwierające sygnał z wyjścia U1A do napięcie polaryzującego VB równego połowie napięcia zasilania. Zmianę typu obcinania dokonuje się za pomocą przełącznika J1, który albo dołącza do wyjścia U1A diody D8-D9, albo rezystor R15. C6 można tutaj traktować jako dodatkową filtrację napięcia polaryzującego, a R2 (4,7k) razem z R15 jako dzielnik napięcia dopasowujący poziom sygnału w obu trybach. Niezależnie od wybranego trybu obcinania sygnał z U1A poprzez rezystor R2 trafia na filtr dolnoprzepustowy C9 (6,8nF), a dalej na kolejny, o regulowanej częstotliwości granicznej, złożony z potencjometru P2 (50k) i kondensatora C11 (4,7nF). Filtr P2, C11 pozwala regulować obcięcie wysokich tonów, powstałych po operacjach zniekształcenia sygnału wejściowego.

Sygnał wejściowy podawany jest na złącze IN i dalej przed filtr górnoprzepustowy C1 (10nF), R4 (560k) na bazę tranzystora T1 (BC546). Tranzystor pracuje tutaj w konfiguracji bufora o wzmocnieniu 1, a rezystor R9 (10k) stanowi jego obciążenie. Rezystor szeregowy R3 (1k) oraz diody D2-D3 (1N4007) stanowią zabezpieczenie przez zbyt dużym napięciem na wejściu układu. Sygnał z emitera T1 trafia na zestaw filtrów złożonych z C4-C5 (100nF), R12-R13 (39k) oraz R5 (560k), a dalej na wejście wzmacniacza operacyjnego U1.

Druga połówka wzmacniacza U1 stanowi bufor wyjściowy. Jego wzmocnienie ustalone jest przez rezystory R10-R11 (10k). Sygnał wyjściowy z bufora U1B trafia poprzez kondensator C12 (470nF) na potencjometr P3, który umożliwia regulację poziomu sygnału. Przełącznik J2 pozwala włączyć obejście (BYPASS) efektu, na wyjściu OUT dostępny jest wtedy sygnał bezpośrednio z gitary. W drugiej pozycji przełącznika sygnał z suwaka potencjometru P3 trafia do złącza wyjściowego. Poziom sygnału, ustawiany za pomocą P3, powinien być tak dopasowany żeby zarówno przy działającym efekcie jak i przy włączonym obejściu (BYPASS) głośność była taka sama.

Układ zasilany jest z baterii 9V. Elementy C2-C3 (220uF) oraz R6-R7 (4,7k) dzielą napięcie zasilania na pół, tworząc napięcie polaryzujące wzmacniacze operacyjne i inne kluczowe obwody w układzie. Kontrolką zasilania jest dioda D1, której prąd ograniczany jest przez rezystor R1 (4,7k). Gniazdo wejściowe IN jest stereofonicznym gniazdem JACK i stanowi jednocześnie wyłącznik zasilania. Wtyczka mono z gitary wpinana do gniazda stereo zwiera środkowy styk gniazda do masy dołączając baterię do układu.

Budowa:

Układ z powodzeniem można zbudować w oparciu o płytkę drukowaną dostępną tutaj. Rysunek w odbiciu lustrzanym dostępny jest tutaj. Układ modelowy został zbudowany na jednostronnej płytce drukowanej, a wszystkie zastosowane komponenty są elementami przewlekanymi. Montaż nie powinien sprawić trudności nawet początkującym konstruktorom. Pomocą w konstrukcji będzie schemat montażowy dostępny tutaj. Lutowanie należy rozpocząć od 5 zworek, których nie udało się uniknąć z racji jednowarstwowej płytki drukowanej. W dalszej kolejności powinny zostać zamontowane wszystkie rezystory i kondensatory, a szczególnie te leżące między złączami IN i OUT. Pod wzmacniacz operacyjny U1 dobrze jest zastosować podstawkę. Na samym końcu montuje się potencjometry i złącza JACK. W roli przełączników J1 i J2 najlepiej zastosować miniaturowe wyłączniki dźwigniowe (dwu-pozycyjne, pojedyncze) montowane na przewodach. Dioda D1, sygnalizująca obecność napięcia zasilania powinna być zamontowana na długich nóżkach, tak aby dostała do górnej ścianki obudowy. W praktyce długość wyprowadzeń da się dopiero dobrać po wykonaniu otworów w obudowie na potencjometry i gniazda JACK. Cały układ z powodzeniem zmieści się w niewielkiej obudowie Z7A, wraz z baterią 9V.

W projekcie modelowym W roli J1 i J2 zastosowano przełączniki dźwigniowe, jednak nic nie stoi na przeszkodzie aby wlutować w ich miejsce, wprost w płytkę, kątowe przełączniki suwakowe. Najbardziej profesjonalnym rozwiązaniem było zastosowanie dedykowanych przełączników nożnych, ale pociągnie to za sobą konieczność zastosowania innej obudowy. W projekcie modelowym jako tranzystor T1 zastosowany został popularny BC546, żeby poprawić parametry szumowe można w jego miejsce zastosować BC549. Ma to znaczenie gdy efekt współpracuje z wysokiej klasy wzmacniaczem (piecem) gitarowym. W roli wzmacniacza operacyjnego pracuje NE5532, nic nie stoi jednak na przeszkodzie aby sprawdzić działanie układu z typowym TL072 lub innym wzmacniaczem operacyjnym. Gdyby regulacja tonów (obcięcia wysokich tonów) okazała się niewystarczająca to można zmodyfikować wartość kondensatora C11 (typowo 4,7nF). Zastosowanie kondensatora większego, np. 6,8nF powoduje mocniejsze obcinanie, a mniejszego np. 3,3nF pozwala przepuścić więcej wysokich tonów.

Wykaz Elementów:

1x Gniazdo baterii (kijanka)
2x Gniazdo Jack stereo 6,3mm do druku
3x Wyłącznik 2 pozycyjny

1x 1k
1x 2,2k
4x 4,7k
1x 6,8k
3x 10k
1x 22k
2x 39k
2x 560k
1x Potencjometr 1M
2x Potencjometr 50k

1x 2,7nF
1x 4,7nF
1x 6,8nF
1x 10nF
3x 100nF
1x 100p
1x 150nF
1x 470nF
2x 220uF Elektrolit

2x 1N4007
6x 1N4148
1x Dioda LED
1x BC546
1x Wzmacniacz Operacyjny NE5532

Zdjęcia Projektu: