Привет, Хабр! Сегодня изучим и соберём интересный гитарный эффект под названием автоматическое вау, или квакушка. Другое его название — фильтр, управляемый огибающей, в варианте от Реймонда Уилсона (Music From Outer Space). Такие педали чаще всего применяются в стиле фанк, но не только.
Что представляет собой амплитудная огибающая (envelope), мы уже рассматривали в трёх предыдущих статьях. Об индикаторе уровня сигнала, то есть индикаторе огибающей. О компрессоре, то есть усилителе, управляемом огибающей входного сигнала. И о тремоло или амплитудном вибрато, то есть модуляторе, формирующем огибающую, которая управляет усилителем.
Автоматическое вау берёт огибающую входного гитарного сигнала. Типичная огибающая аудиосигнала музыкального инструмента, реального или моделированного, начинается с атаки, когда медиатор ударяет по струне. Далее следует убывание, в течение которого происходит переход от максимального уровня к уровню сустейна.
Сустейн – это стабильный участок, в течение которого уровень громкости удерживается почти неизменным. И в конце концов происходит угасание звука.
Эта огибающая управляет частотой среза фильтра низких частот. То есть, высокий уровень сигнала расширяет частотную полосу в сторону высоких частот. Низкий уровень сигнала сужает частотную полосу. Низкие частоты остаются, высокие срезаются.
Бывают и другие разновидности автоматических вау, где вместо фильтра низких частот используют полосовой фильтр. Там ширина частотной полосы остаётся неизменной, но уровень входного сигнала смещает её вверх или вниз.
▍ Итак, рассмотрим схему
Она создана выдающимся американским любителем аналогового синтеза Рэем Уилсоном. Мне очень нравятся разработки Рэя. Его схемы очень изысканны. Их нетрудно построить, и они очень хорошо звучат.
Собственно, на авторском сайте MFOS я и заказала эту лицензионную плату, когда посылки из США ещё исправно доходили. Деньги получила семья Рэя. К сожалению, он умер 21 июля 2016 года. Зато живёт его дело. Любители электрогитары и аналогового синтеза по всей планете собирают его разработки и создают с их помощью музыку.
Схема может показаться сложной. Чтобы понимать схемы, нужно научиться видеть в них понятные схемотехнические узлы, которые выполняют определённые задачи.
Прежде всего, этот прибор питается от одной батарейки Крона, 9 вольт. Схема построена на операционных усилителях. А они, как известно, предназначены для использования с двуполярным питанием, например, +5 и -5 вольт относительно общего провода. А у нас питание однополярное, батарейка всего одна.
Чтобы усиливать переменное напряжение, изменяющееся от минуса до плюса, для операционных усилителей необходимо создать искусственную среднюю точку.
Это делитель напряжения, который разделяет напряжение питания пополам. Выходит 4.5 вольта относительно общего провода, то есть минуса питания. По переменному току средняя точка соединена с общим проводом при помощи электролитического конденсатора.
На схеме видим не одну, а целых две искусственные средние точки. Реймонд предусмотрел их, чтобы максимально упростить схему прибора и сделать путь сигнала как можно более прямым. Первая искусственная земля VR1 предназначена для двухполупериодного детектора огибающей. Этот детектор построен на четырёх операционных усилителях.
Помним, что через входы идеального операционного усилителя не идёт ток, то есть, входное сопротивление бесконечно велико. В реальности ток идёт, но он пренебрежимо мал. А напряжение на выходе, при условии наличия замкнутой петли отрицательной обратной связи, будет таким, чтобы напряжения на входах сравнялись.
Сигнал гитары проходит по этой схеме двумя путями. Один через детектор огибающей, а другой через фильтр нижних частот. Сначала мы рассмотрим часть детектора огибающей. Точка цепи «IN» связана по переменному току через C1 (керамический конденсатор 0,1 мкФ) с инвертирующим усилителем U1-A.
Чтобы понять, как работает этот усилитель, нужно рассмотреть делитель напряжения, состоящий из R5 и R2. Ток делителя идёт от выхода операционного усилителя ко входу узла. Вход узла – это неинвертирующий вход ОУ, а левая ножка резистора R2. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключён к искусственной земле, поэтому напряжение на обоих входах будет равняться нулю.
Ток через резисторы R5 и R2 один и тот же, потому что они соединены последовательно, а через входы ОУ ток не идёт. Поэтому при напряжении на входе, например, минус 47 милливольт, ток от правой ножки R2, где 0 вольт, до левой ножки будет 1 микроампер. При таком токе на R5, то есть на выходе, будет 300 милливольт, согласно закону Ома.
Коэффициент усиления этого инвертирующего усилителя составляет около 6,3 (300кОм/47кОм). Неинвертирующий вход U1-A подключён к виртуальной точке заземления VR1 (опорное напряжение 1). Это приводит к тому, что выход операционного усилителя находится на уровне постоянного тока 1/2 питания (4,5 В с батареей 9 В).
Выход идёт на анод D2, катод которого подключён как к неинвертирующему входу U1-C, так и к одному концу резистора R6 (1M), другой конец которого — заземлён. Помните, что заземление — это отрицательная сторона псевдобиполярного питания.
Сигнал с выхода ОУ U1-A поступает на конденсатор связи по переменному току, он же разделительный C2 (керамика 0,1 мкФ), и на инвертирующий буфер U1-B с единичным коэффициентом усиления. Неинвертирующий вход U1-B подключён к виртуальной точке заземления VR1. Выход U1-B подключён к аноду диода D1, катод которого подключён как к неинвертирующему входу ОУ U1-C, так и к одному концу резистора R6 (1MОм), другой конец которого — заземлён.
Положительная, перевёрнутая и негативная полуволны поступают до входа третьего узла через диоды, включённые по схеме монтажного ИЛИ. При условии, что уровень сигнала превышает прямое падение на диоде, то есть около семисот милливольт, сигнал попадает на вход третьего узла.
Если уровень сигнала меньше прямого падения на диоде (примерно 700 милливольт), он не идёт дальше. То есть, имеем определённый порог срабатывания. Это следует учитывать, когда строим схемы с диодами.
Уровень постоянного напряжения на неинвертирующем входе U1-C составляет около половины напряжения питания минус одно падение на диоде (или около +3,9 В по отношению к VR1). U1-A вместе с U1-B и соответствующими компонентами составляют двухполупериодный выпрямитель для входного сигнала.
Если вы посмотрите на пики падения напряжения на R6, вы увидите огибающую входного сигнала. Теперь, чтобы избавиться от содержания входного сигнала и просто оставить напряжение огибающей, мы фильтруем фильтром нижних частот напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход U1-C, и сдвигаем выходной уровень так, чтобы оно начиналось примерно с -3 В (относительно VR1) и поднимается до пика примерно от 3,5 до 4 вольт (когда огибающая входного сигнала имеет пик).
Выходное напряжение ОУ U1-C дополнительно фильтруется через R1 (100кОм и C4 0,1 мкФ на землю).
Четвёртый узел детектора – это повторитель, он же буфер. Благодаря ему цепи, соединённые с выходом детектора, не влияют на его работу. Таким образом, мы создали красивое представление огибающей входного сигнала.
Подаём буферизованное напряжение повторителя огибающей через R11 (резистор 100 кОм) на неинвертирующее напряжение сумматора U2-A. Остальная часть схемы использует источник опорного напряжения VR2 в качестве виртуальной земли. R15 (резистор 2 кОм) удерживает неинвертирующий вход U2-A на землю. Подавая буферизованное напряжение огибающей через R11 (резистор 100 кОм), мы достигаем аттенюации напряжения 50:1, необходимого для управления экспоненциальным преобразователем напряжение-ток благодаря тому, что сопротивление резистора R15 в 50 раз ниже R11 и в 150 раз ниже R10.
Нас не интересует получение точного преобразования 1 вольт на октаву (здесь это необязательно), но эта схема даёт отклик, который ожидается от фильтра в ответ на напряжение огибающей. Хороший фанковый вау. Регулятор частотного диапазона («Wah Range Adjust») R9 100 кОм подаёт смещение через R10 (резистор 300 кОм) на неинвертирующий вход для регулировки полосы частот, внутри которой напряжение огибающей управляет частотой среза фильтра. Это обеспечивает большое богатство вариаций, так что вы можете получить различные эффекты авто-вау.
Выход U2-A питает базу Q1 управляющего транзистора экспоненциального преобразователя. Q2 отражает ток через Q1 и подаёт управляющий ток на крутизну операционных усилителей (U3-A и U3-B). R20 и R21 (резисторы 20 кОм) помогают равномерно распределить управляющий ток на два входа смещения крутизны операционных усилителей.
Гитарный сигнал также проходит через фильтр нижних частот, который реализуется сдвоенным транскондуктивным операционным усилителем LM13700 и соответствующими компонентами. Автор жёстко настроил добротность (или резонанс), чтобы получить как можно больше без просадки гитарного сигнала и самовозбуждения эффекта.
Если у вас возникли проблемы с самовозбуждением фильтра, постепенно увеличивайте номинал резистора R19 (резистор 30 кОм), пока неисправность не будет устранена.
Фильтр основан на примере из технического описания National Semiconductor LM13700 (сдвоенные транскондуктивные операционные усилители с линеаризующими диодами и буферами LM13700/LM13700A, ноябрь 1994 г., РИСУНОК 14. Фильтр переменного состояния, управляемый напряжением), и использует только выходной сигнал нижних частот.
Мы используем другой разделительный конденсатор для входа, чтобы изолировать его от входа детектора огибающей. R27 стабилизирует вход, и без него эффект будет самовозбуждаться, когда ваша гитара не подключена. С батареей 9 В и малым током, потребляемым этой схемой (13 миллиампер), звук получается довольно чистый.
▍ Сборка и испытания
Итак, я нашла все необходимые детали для сборки платы эффекта. Нет только неполярных электролитических конденсаторов ёмкостью одна микрофарада, поэтому вместо них припаяю многослойные керамические SMD. Когда первые энтузиасты электронной музыки и гитарного оборудования разрабатывали свои шедевры, такие конденсаторы уже существовали, но использовались в основном в сложной промышленной технике и микросборках.
Потому сложилась традиция, следуя которой — любители аналогового синтеза не очень любят компоненты поверхностного монтажа, но в большинстве случаев они не хуже традиционных с проволочными ножками.
Как всегда, прибор сразу заработал. Но на электрогитаре с хамбакером Seymour Duncan SH4 я не смогла играть с этим эффектом. Потому что происходит вот такое.
Уровень сигнала гитары слишком высок. А если снизить громкость, фильтр вообще не открывается. Это потому, что двойной звукосниматель хамбакер компрессирует сигнал, то есть сужает его динамический диапазон.
К счастью, я имею ещё одну гитару. Она весит пять килограммов силы, зато чудесно звучит и держит строй. Но сейчас самое важное то, что она имеет отсечку катушек звукоснимателей. То есть с помощью пуш-пул потенциометра можно мгновенно превратить хамбакеры в почти полное подобие синглов.
Этот переключатель просто выключает одну из катушек каждого звукоснимателя. Точнее — замыкает её накоротко. Потому что для этого нужно меньше контактных групп и проводов.
Одинарный звукосниматель сингл не компрессирует сигнал, то есть динамический диапазон остаётся неизменным. Благодаря этому, авто вау, которое предусматривает как раз сингл, хорошо работает.
Также воспользуюсь вторым переключателем, который переключает фазу одного из звукоснимателей. Датчики в противофазе особенно хорошо звучат с автоматическим вау.
Эффект очень чувствителен к силе и скорости атаки. Также ощущается большое влияние баланса громкости струн. Чтобы играть с эффектами, управляемыми амплитудой сигнала, приходится тщательно настраивать высоту звукоснимателей и их магнитопроводов. Или учитывать разницу чувствительности струн к удару медиатором.
Вау-автомат открывает целый новый мир звучаний. К примеру, голос робота. Разные дикие, выразительные звуки. Космические шумы и атмосферные звучания. Нужно только найти время, чтобы всё это применить.
Такой получился интересный эффект, реализованный совершенно аналоговым способом. Напишите в комментариях, какие гитарные эффекты и другие устройства хотели бы увидеть в следующих статьях.
