Цифровой управляемый генератор: история и применение в синтезаторах.
Digitally controlled oscillator
Цифровой генератор, управляемый цифровым кодом (DCO): принцип работы, применение в синтезаторах Roland, Korg, Oberheim и других. Стабильность настройки!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Цифровой генератор, управляемый цифровым кодом (DCO), используется в синтезаторах, микроконтроллерах и программно-определяемых радиоприемниках. Название аналогично "генератору, управляемому напряжением". DCO были разработаны для устранения ограничений стабильности настройки ранних конструкций VCO.
A digitally controlled oscillator or DCO is used in synthesizers, microcontrollers, and software defined radios. The name is analogous with "voltage controlled oscillator". DCOs were designed to overcome the tuning stability limitations of early VCO designs.
Смущение по терминологии
Термин "цифровой генератор" используется для описания комбинации генератора, управляемого напряжением, приводимого в действие управляющим сигналом от цифро-аналогового преобразователя, а также иногда используется для описания генераторов с числовым управлением. В данной статье речь идет конкретно о DCO, используемых во многих синтезаторах 1980-х годов. К ним относятся Roland Juno 6, Juno 60, Juno 106, JX 3P, JX 8P и JX 10, Elka Synthex, Korg Poly 61, Oberheim Matrix 6, некоторые инструменты Akai и Kawai, а также недавний Prophet '08 и его преемник Rev2 от Dave Smith Instruments.
The term "digitally controlled oscillator" has been used to describe the combination of a voltage controlled oscillator driven by a control signal from a digital to analog converter, and is also sometimes used to describe numerically controlled oscillators. This article refers specifically to the DCOs used in many synthesizers of the 1980s These include the Roland Juno 6, Juno 60, Juno 106, JX 3P, JX 8P, and JX 10, the Elka Synthex, the Korg Poly 61, the Oberheim Matrix 6, some instruments by Akai and Kawai, and the recent Prophet '08 and its successor Rev2 by Dave Smith Instruments.
Связь с более ранними проектами ВКО
Многие генераторы, управляемые напряжением, для электронной музыки основаны на линейно заряжающемся конденсаторе в интеграторной схеме на операционном усилителе. Когда заряд конденсатора достигает определенного уровня, компаратор генерирует импульс сброса, который разряжает конденсатор, и цикл начинается снова. Это создает восходящую рампу (или пилообразную волну), и такой тип генераторного ядра известен как рамповое ядро. В распространенной схеме DCO вместо компаратора используется программируемый счетчик, например 8253. Это обеспечивает стабильную цифровую генерацию высоты тона, используя передний фронт прямоугольной волны для получения импульса сброса, разряжающего конденсатор в рамповом ядре генератора.
Many voltage controlled oscillators for electronic music are based on a capacitor charging linearly in an op amp integrator configuration. When the capacitor charge reaches a certain level, a comparator generates a reset pulse, which discharges the capacitor and the cycle begins again. This produces a rising ramp (or sawtooth) waveform, and this type of oscillator core is known as a ramp core. A common DCO design uses a programmable counter IC such as the 8253 instead of a comparator. This provides stable digital pitch generation by using the leading edge of a square wave to derive a reset pulse to discharge the capacitor in the oscillator's ramp core.
Исторический контекст
В начале 1980-х годов многие производители начали выпускать полифонические синтезаторы. Конструкции VCO того времени всё ещё не отличались стабильностью настройки. Хотя это было проблемой и для монофонических синтезаторов, ограниченное количество осцилляторов (обычно 3 или меньше) позволяло относительно легко поддерживать инструменты в строю, часто используя специальные регуляторы на передней панели. С появлением полифонии проблемы с настройкой усугубились, а стоимость возросла из-за значительно большего числа осцилляторов (часто 16 в 8-голосном инструменте, таком как Yamaha CS 80 1977 года или Roland Jupiter 8 1981 года). Это создало потребность в недорогом, надежном и стабильном осцилляторе. Инженеры, работавшие над решением этой задачи, обратились к технологии частотного деления, использовавшейся в электронных органах того времени, а также к микропроцессорам и сопутствующим микросхемам, которые только начинали появляться, и разработали DCO. В то время DCO рассматривался как улучшение по сравнению с нестабильной настройкой VCO. Однако, он использовал то же самое генераторное ядро и предлагал тот же ограниченный набор форм волн. Несмотря на возможность сложного аналогового формирования волн, большая простота и гибкость произвольных форм волн цифровых систем, таких как прямой цифровой синтез, привели к тому, что большинство последующих инструментов перешли на полностью цифровые схемы генераторов.
In the early 1980s, many manufacturers were beginning to produce polyphonic synthesizers. The VCO designs of the time still left something to be desired in terms of tuning stability. Whilst this was an issue for monophonic synthesizers, the limited number of oscillators (typically 3 or fewer) meant that keeping instruments tuned was a manageable task, often performed using dedicated front panel controls. With the advent of polyphony, tuning problems became worse and costs went up, due to the much larger number of oscillators involved (often 16 in an 8 voice instrument like the Yamaha CS 80 from 1977 or Roland Jupiter 8 from 1981). This created a need for a cheap, reliable, and stable oscillator design. Engineers working on the problem looked to the frequency division technology used in electronic organs of the time and the microprocessors and associated chips that were starting to appear, and developed the DCO. The DCO was seen at the time as an improvement over the unstable tuning of VCOs. However, it shared the same ramp core, and the same limited range of waveforms. Although sophisticated analogue waveshaping is possible, the greater simplicity and arbitrary waveforms of digital systems like direct digital synthesis led to most later instruments adopting entirely digital oscillator designs.
Операция
DCO можно рассматривать как генератор, управляемый напряжением (VCO), синхронизированный с внешней частотой опорного сигнала. В данном случае этим опорным сигналом служат импульсы сброса. Они генерируются цифровым счетчиком, например, микросхемой 8253. Счетчик функционирует как делитель частоты, подсчитывая импульсы от высокочастотного генератора опорных колебаний (обычно несколько МГц) и изменяя состояние своего выхода при достижении заданного счетного значения. Таким образом, частота выходного сигнала счетчика определяется количеством подсчитанных импульсов, что позволяет формировать прямоугольную волну требуемой частоты. Передний фронт этой прямоугольной волны используется для формирования импульса сброса, разряжающего конденсатор в схеме формирования наклонной линии осциллятора. Это обеспечивает соответствие частоты формируемой наклонной линии частоте выходного сигнала счетчика.
A DCO can be considered as a VCO that is synchronised to an external frequency reference. The reference in this case is the reset pulses. These are produced by a digital counter such as the 8253 chip. The counter acts as a frequency divider, counting pulses from a high frequency master clock (typically several MHz) and toggling the state of its output when the count reaches some predetermined value. The frequency of the counter's output can thus be defined by the number of pulses counted, and this generates a square wave at the required frequency. The leading edge of this square wave is used to derive a reset pulse to discharge the capacitor in the oscillator's ramp core. This ensures that the ramp waveform produced is of the same frequency as the counter output.
Проблемы с конструкцией
Для заданного тока заряда конденсатора амплитуда выходного сигнала будет линейно уменьшаться с ростом частоты. В музыкальном плане это означает, что волна, на октаву выше по высоте тона, будет иметь амплитуду вдвое меньше. Для обеспечения постоянной амплитуды во всем диапазоне частот осциллятора необходимо использовать схему компенсации. Обычно это реализуется путем управления током заряда конденсатора тем же микропроцессором, который управляет значением сброса счетчика.
For a given capacitor charging current, the amplitude of the output waveform will decrease linearly with frequency. In musical terms, this means a waveform an octave higher in pitch is of half the amplitude. In order to produce a constant amplitude over the full range of the oscillator, some compensation scheme must be employed. This is often done by controlling the charging current from the same microprocessor that controls the counter reset value.