AVT2134.pdf

rojekty AVT

V VT

2134

Transofon −

układ do zmiany

wysokości

dźwięku

W jednym z poprzednich numerów

EdW w rubryce “Nowości,

ciekawostki” wspomniano

o urządzeniu do zmiany wysokości

głosu, zwanym z angielska

disguiserem. Do redakcji napłynęło

mnóstwo listów z prośbą

o zaprezentowanie takiego układu.

Jak wynika z tych listów, wielu

Czytelników chciałoby wykorzystać

taki układ do eksperymentów i dla

rozrywki, zwłaszcza do robienia

niespodzianek znajomym.

Spośród nadesłanych propozycji

bardziej swojskiej nazwy, najbardziej

sensowna wydaje się nazwa

transofon, zaproponowana przez

Adama Sawickiego z Częstochowy,

który za tę propozycję otrzymuje

nagrodę w postaci książki.

Układ zmienia wysokość głosu i po−

zwala uzyskać efekt “głosu robota”.

Pozwala przeprowadzić szereg eks−

perymentów akustycznych.

Dodatkowo może być wykorzysty−

wany jako skrambler − do utajniania

rozmowy przez odwócenie pasma

częstotliwości.

W tym numerze Elektroniki dla

Wszystkich znajduje się artykuł “Zabawy

z dźwiękiem”, przedstawiający kilka za−

gadnień związanych ze zmianą wysokoś−

ci dźwięku. Opisywany transofon zreali−

zowany jest przy pomocy omówionej

tam metody filtrowej. Wybrano tę meto−

dę, ponieważ jest względnie prosta,

a urządzenie można zrealizować niewiel−

kim nakładem kosztów. Oczywiście,

z uproszczeniem konstrukcji wiąże się

kilka wad, między innymi niezbyt szero−

kie pasmo przenoszenia oraz spory udział

zniekształceń liniowych, nieliniowych,

a także zauważalna obecność zakłóceń.

Te właściwości dodatkowo zniekształca−

ją głos, co zresztą dla większości użyt−

kowników tego urządzenia nie będzie

wcale wadą, ale dodatkową zaletą.

W każdym razie prezentowane urzą−

dzenie doskonale nadaje się do “utajnia−

nia” swojego głosu i przeprowadzania

eksperymentów, nie jest natomiast prze−

znaczone do systemów antywzbudze−

niowych, wspomnianych w artykule “Za−

bawy z dźwiękiem”. Do takich bardziej

wymagających zastosowań autor opra−

cował precyzyjny układ przesuwania

częstotliwości o pasmie przenoszenia od

80Hz...12kHz. Ten układ jest trudniejszy

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rojekty A

Projekty A

rojekty AVT

V VT

Rys. 1. Schemat ideowy transofonu.

do wykonania i strojenia, ponieważ wy−

maga zastosowania rezystorów i kon−

densatorów o tolerancji 1%. Na życzenie

Czytelników może on być przedstawiony

w jednym z najbliższych numerów EdW

lub EP.

Natomiast w tym artykule opisany

jest prosty układ zrealizowany według

metody filtrowej − schemat blokowy

urządzenia jest taki sam, jak na rysunku

5 na stronie w artykule “zabawy z dźwię−

kiem”. Przy analizie działania układu war−

to skorzystać z tego rysunku.

Szczegółowy schemat ideowy

transofonu jest przedstawiony na ry−

ry−

Do wykonania urządzenia nie jest ko−

nieczne dokładne zrozumienie jego dzia−

łania. Układ bezbłędnie zmontowany ze

sprawnych elementów praktycznie nie

wymaga uruchomiania, a jedyną regula−

cję dwóch potencjometrów z powodze−

niem można wykonać bez przyrządów,

metodą na słuch.

Opis układu

Urządzenie zasilane jest z dowolnego

zasilacza stabilizowanego 12V. Dla właś−

ciwej pracy wzmacniaczy operacyjnych

wprowadzono obwód sztucznej masy.

Potencjał tej sztucznej masy jest równy

połowie napięcia zasilającego. W obwo−

dzie wytwarzania sztucznej masy pracują

rezystory R28, R29 i C23.

Sygnał z mikrofonu elektretowego

jest wzmacniany 11−krotnie przez układ

U1A, następnie podawany na antyaliasin−

gowy filtr dolnoprzepustowy z kostką

U1B. Filtr ten dodatkowo wzmacnia uży−

teczne sygnały dwukrotnie. Taka war−

tość wzmocnienia całkowicie wystarcza

do współpracy z mikrofonem elektreto−

wym. W razie konieczności zmiany

wzmocnienia, należy zmieniać wartość

R42 w zakresie 10k W ...470k W .

Górna częstotliwość graniczna filtru

antyaliasingowego wynosi około 3,5kHz.

W sumie pasmo przenoszenia całego

sunku 1.

Rys. 2. Zasada działania mieszacza z kluczami analogowymi.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rojekty A

Projekty A

sunku 1

rojekty AVT

V VT

wieloogniwowego filtru z kostką U2B

jest stłumienie górnej wstęgi bocznej, le−

żącej tuż powyżej częstotliwości nośnej

f N1 (porównaj rys 6c, d na str 65). Charak−

terystyka tego filtru jest pokazana na ry−

ry−

sunku 4.

Na wyjściu tego filtru, czyli na konden−

satorze C32 uzyskuje się sygnał niejako

odwrócony w dziedzinie częstotliwości.

Niskie składowe dźwięku odebranego

przez mikrofon są teraz częstotliwościa−

mi wysokimi (około 3kHz), a składowe

wysokie mają małą częstotliwość.

W tym punkcie można pobrać sygnał,

jeśli urządzenie miałoby służyć w charak−

terze kodera−skramblera, na przykład do

utajnienia rozmów telefonicznych, czy

przez CB.

W praktyce wystarczy zatrzymać je−

den z generatorów (np. przez zwarcie do

masy albo plusa zasilania nóżki 1 lub nóż−

ki 9 kostki U6), a w głośniku pojawi się

taki “odwrócony” sygnał. Warto dla cie−

kawości sprawdzić, jak brzmi głos ludzki

po odwróceniu widma w dziedzinie częs−

totliwości.

Natomiast podczas normalnej pracy

w charakterze transofonu, odwrócony

sygnał z wyjścia kostki U2B podawany

jest na drugi modulator zrównoważony

i drugi filtr. Schemat tego modulatora

i filtru z kostką U3 jest identyczny, jak

układu opisanego przed chwilą. Ten dru−

gi modulator z filtrem ma zadanie po−

wtórnie odwrócić widmo sygnału.

Przy jednakowych częstotliwościach

obu generatorów taktujących, w głośni−

ku powinien pojawić się dźwięk taki sam,

jak dźwięk odebrany przez mikrofon. Jeś−

li jednak częstotliwość taktowania (noś−

na) wytwarzana przez generator z bram−

kami U6D, E, F będzie inna niż częstotli−

wość generatora z bramkami U6A, B, C −

pasmo przetwarzanych częstotliwości,

czyli wysokość głosu będzie przesunięta

o częstotliwość równą różnicy częstotli−

wości tych generatorów. Głos w głośni−

ku może być wyższy lub niższy od natu−

ralnego − zależnie od częstotliwości obu

generatorów. W praktyce częstotliwość

pierwszego generatora powinna być

ustawiona na stałe potencjometrem

montażowym PR2. Częstotliwość ta po−

winna wynosić 3,7...4kHz. Natomiast po−

tencjometr PR3 będzie służył do płynne−

go zmieniania częstotliwości głosu.

Przetworzony sygnał podawany jest

na potencjometr płynnej regulacji

wzmocnienia (głośności) − PR1 i dalej na

prosty wzmacniacz z kostką U4B i tran−

zystorami T3, T6. Do wyjścia (punkty G,

H) może być dołączony głośnik o opor−

ności 4...25 W . Sygnał z wyjścia można

też podać na wejście AUX domowego

zestawu audio i do odsłuchu wykorzys−

tać zestawy głośnikowe (dołączanie nale−

ży przeprowadzić przy wyłączonym zasi−

Rys. 3. Przebiegi w ukladzie mieszacza.

opisywanego układu jest zbliżone do

pasma “telefonicznego”, czyli obejmuje

częstotliwości od około 300Hz do około

3400Hz.

Z wyjścia filtru antyaliasingowego

sygnał jest podawany ma pierwszy mie−

szacz. Mieszacz ten zbudowany jest przy

użyciu kluczy analogowych U5A i U5C

oraz wzmacniacza operacyjnego U2A.

Na “drugie wejście” mieszacza podawa−

ny jest sygnał prostokątny o częstotli−

wości około 3,7kHz z generatora z bram−

kami U6A, U6B i U6C.

Działanie takiego nietypowego mie−

szacza zrównoważonego można prześle−

dzić na rysunku 2

U6A...U6C, przewodzi klucz U5A, a U5C

jest wyłączony (rozwarty). Odpowiada to

sytuacji z rysunku 2c. Układ ma wzmoc−

nienie równe −1, czyli odwaraca fazę

przebiegu wyjściowego. W sumie gdy

mikrofon odbiera sygnał o częstotliwości

mniejszej, niż 1kHz (patrz rysunek 3a

rysunek 3a

rys. 3b), przebieg na wyjściu

mieszacza wygląda jak na rysunku 3c

rys. 3b

rysunku 3c.

Taki posiekany sygnał ma widmo podob−

ne do pokazanego na rysunku 6c na stro−

nie 65. Ponieważ generator G1 wytwarza

sygnał prostokątny, na wyjściu miesza−

cza oprócz dwóch wstęg bocznych, wy−

stępują także liczne przebiegi o wy−

ższych częstotliwościach, powstające

wskutek mnożenia sygnału mowy i wy−

ższych częstotliwości harmonicznych ge−

neratora. Nie ma to żadnego znaczenia

dla działania układu, ponieważ włączone

dalej filtry skutecznie usuwają te składo−

we. Jednak podstawowym zadaniem

rysunku 3c

rysunku 2. Gdy stan wysoki poda−

ny jest na nóżkę 5 kostki U5, wtedy klucz

analogowy U5C przewodzi, a U5A nie

przewodzi. Odpowiada to sytuacji z ry−

sunku 2b. Wzmacniacz z kostką U2A ma

wtedy wzmocnienie równe +1 (nie od−

wraca fazy przetwarzanego przebiegu).

Gdy zmieni się stan generatora

rysunku 2

Rys. 4. Charakterystyka filtru dolnoprzepustowego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rojekty A

Projekty A

ry−

sunku 4

rysunek 3a),

a częstotliwość generatora f N1 wynosi

około 4kHz (rys. 3b

rysunku 2

rojekty AVT

V VT

rysunku 5. Pomo−

cą w montażu będzie też przedstawiona

fotografia. Układ modelowy różni się nie−

znacznie od płytki z rysunku 5, ponieważ

po próbach zmodyfikowano nieco obwo−

dy generatorów i wprowadzono poten−

cjometry montażowe PR2 i PR3.

Montaż płytki należy zacząć od wluto−

wania zwór oznaczonych Z.

Pod układy scalone przewidziano pod−

stawki (choć autor jest zdecydowanym

przeciwnikiem stosowania tanich pod−

stawek). Podstawki umożliwią zamianę

miejscami wzmacniaczy operacyjnych

TL082, co może mieć wpływ na zawar−

tość w sygnale wyjściowym wspomnia−

nych dwóch niepożądanych tonów.

Elementy można lutować w dowolnej

kolejności, a układy scalone trzeba wło−

żyć w podstawki na samym końcu.

W modelu mikrofon wlutowano

w płytkę, wykorzystując odcięte koń−

cówki wlutowanych wcześniej rezysto−

rów. Mikrofon może być dołączony kilku−

nastocentymetrowym odcinkiem dwuży−

łowego przewodu.

Uwaga! Dwukońcówkowy mikrofon

elektretowy ma ujemną koncówkę połą−

czoną z metalowym kapturkiem obudo−

wy.

Zmontowany układ należy dokładnie

sprawdzić. Najszęstszymi błędami jest

wlutowanie odwrotnie kondensatórów

elektrolitycznych (końcówka dodatnia

jest dłuższa), niewłaściwe wlutowanie

rezystorów wynikające z błędnego od−

czytania kodu paskowego, oraz odwrot−

ne wlutowanie (włożenie) układów scalo−

nych. Na płytce zaznaczono wycięcie−

klucz, wskazujące położenie układu sca−

lonego. Wyczerpujące informacje na te−

mat rezystorów i kodu paskowego moż−

na znaleźć w EdW 2/96 na stronach 56,

57, a informacje o oznaczniu kondensa−

torów − w EdW 5/96 na stronach 54

i 55.

Do zmontowanego i dokładnie spraw−

dzonego układu można podłączyć głośnik

i zasilacz. Przy dołączaniu napięcia zasila−

jącego należy zwracać uwagę na biegu−

nowość − przy odwrotnym połączeniu

układ może zostać nieodwracalnie

uszkodzony.

Rys. 2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej.

laniu wzmacniacza i transofonu. Autor na

podstawie przeprowadzonych prób zale−

ca dołączenie do wyjścia (punkty G, H)

zestawów głośnikowych, a nie maleń−

kich, nieobudowanych głośników − efekt

jest wtedy zdecydowanie lepszy.

Na schemacie i na przygotowanej

płytce występują jeszcze układy wskaź−

nika wysterowania z tranzystorami T1,

T2, T4, T5. Próby wykazały, że wskaźnik

wysterowania nie jest potrzebny i obwo−

dy te nie będą wykorzystane.

Do zasilania transofonu można wyko−

rzystać jakikolwiek zasilacz stabilizowany

o napięciu wyjściowym 12V o prądzie

wyjściowym przynajmniej 250mA. Przy

zastosowaniu głośnika 4 lub 8−omowego

należy sprawdzić, czy przy maksymalnej

głośności zasilacz utrzymuje przepisane

napięcie 12V.

Możliwości zmian

(dla zaawansowanych)

Jak wynika z zasady pracy modulatora

zrównoważonego, sygnał na jego wy−

jściu nie zawiera żadnego z sygnałów

wejściowych, a tylko produkty ich mie−

szania (mnożenia). W rzeczywistości

układy obu modulatorów z rysunku 1 nie

są idealnie zrównoważone. Dla osiągnię−

cia możliwie dobrych wyników, zastoso−

wano tam rezystory o tolerancji 1%. Ale

w układzie występuje jeszcze kilka in−

nych czynników, które psują to zrówno−

ważenie (na przykład napięcie niezrów−

noważenia − offset − wzmacniaczy opera−

cyjnych). W efekcie na wyjściu każdego

mieszacza występuje niewielki, ale za−

uważalny przesłuch częstotliwości noś−

nej. Po podwójnej przemianie, w głośni−

ku oprócz przesuniętego sygnału mowy

pojawią się dwa ciche pojedyncze tony.

Jeden z nich to przesłuch z drugiego ge−

neratora taktującego, przechodzący

przez drugi mieszacz. Drugi, niski ton,

ma częstotliwość równą różnicy częstot−

liwości obu generatorów taktujących.

W zasadzie wspomniane dwa tony

mogłyby zostać zupełnie usunięte, ale

wymagałoby to rozbudowania układów

modulatorów o elementy korekcji.

Skomplikowałoby to znacznie procedurę

strojenia układu. Ponieważ urządzenie

przeznaczone jest głównie do zabawy

i będzie wykonywane także przez niedo−

świadczonych amatorów, autor zrezyg−

nował z takiej korekcji.

Dwa ciche dodatkowe tony praktycz−

nie nie przeszkadzają.

Bardziej zaawansowany elektronik,

który chciałby zmniejszyć wspomniany

przesłuch, może spróbować wymieniać

egzemplarze układów U2 i U3. Może też

wprowadzić obwód kompensacji napię−

cia niezrównoważenia z potencjomet−

rem montażowym włączonym między

masę a plus zasilania, i rezystorem

o oporności około 1M W włączonym mię−

dzy suwak a wejście nieodwracające

kostki modulatora.

W sumie jednak głównym źródłem

niezrównoważenia są szkodliwe pojem−

ności (montażowe i pojemności wejść

kostek), które powodują, że zbocza syg−

nału na wyjściu modulatora nie są tak os−

tre, jak pokazuje rysunek 3c.

Można spróbować to jeszcze popra−

wić zmniejszając rezystancje R10, R11,

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rojekty A

Projekty A

R12, R17, R18 i R19. Trzeba będzie przy

tym zwiększyć pojemności C6 i C31.

Przy zmniejszaniu wspomnianych rezys−

tancji trzeba jednak uwzględnić wpływ

rezystancji kluczy analogowych z kostki

U5. Rezystancja ta może wynosić

50...150 W .

Podane eksperymenty można zalecić

tylko doświadczonym elektronikom, któ−

rzy dobrze rozumieją działanie przedsta−

wionego modulatora.

Montaż i uruchomienie

Układ transofonu można zmontować

na płytce pokazanej na rysunku 5

rysunku 5

rojekty AVT

V VT

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

i sprawdzą oscyloskopem przebiegi na

wyjściach poszczególnych kostek.

Przy braku oscyloskopu trzeba wylu−

tować rezystor R24 i podać na potencjo−

metr PR1 sygnał z wyjścia kostki U1A.

Tor sygnału składa się wtedy z przed−

wzmacniacza (U1A) i wzmacniacza mocy

(U4B + tranzystory). Sygnał z mikrofonu

musi być dobrze słyszalny w głośniku.

Następnie należy na potencjometr PR1

podawać sygnał z kolejnych wyjść kos−

tek (wzmacniaczy operacyjnych i genera−

tora).

Przy prawidłowej pracy, poziomy syg−

nałów na wyjściach kolejnych wzmacnia−

czy operacyjnych są zbliżone (różnią się

nie więcej niż dwukrotnie).

Wykorzystanie urządzenia

Dla wykorzystania możliwości układu,

przetwarzane sygnały nie powinny być

zbyt małe. W praktyce optymalną odleg−

łość od mkrofonu można określić na

słuch, sprawdzając, kiedy pojawią się

zniekształcenia. Odległość ta powinna

wynosić od kilku do kilkunastu centymet−

rów.

Układ dostarczy wielu wrażeń przy

próbie zaśpiewania jakiejś piosenki −

przesuwanie częstotliwości psuje także

harmonię − zachęcam do prób przy róż−

nych przesunięciach częstotliwości. Cie−

kawym efektem będzie zwiększenie

wzmocnienia (przez zwiększenie wartoś−

ci R42 nawet do 1M W ) i wykonanie swe−

go rodzaju elektronicznej papugi, czy

przedrzeźniacza. Co prawda układ nie

wprowadza opóźnienia, ale usłyszenie

własnego oryginalnego i przesuniętego

głosu daje naprawdę dziwne wrażenie.

Trochę trudniejsza jest sprawa wyko−

rzystania transofonu do współpracy

z aparatem telefonicznym. Tu trzeba ru−

szyć głową i być może wykonać jakieś

pudełko wypełnione materiałem dźwię−

kochłonnym, umożliwiające sprzężenie

akustyczne głośnika transofonu i mikro−

telefonu, aby do mikrofonu nie docierał

oryginalny głos rozmówcy.

Wykorzystanie interfejsu telefonicz−

nego, opisanego w tym numerze EdW,

byłoby rozwiązaniem ciekawym, ale

sprzecznym z obowiązującymi przepi−

sami.

Chętnie zaprezentujemy w EdW przy−

kłady wykorzystania transofonu, prak−

tycznie sprawdzone przez naszych Czy−

telników.

Czekamy również na wszelkie uwagi

dotyczące opisanego urządzenia.

W przypadku zainteresowania, przedsta−

wimy także układ o dużo lepszych para−

metrach, wykonany przy użyciu prze−

suwników fazy i analogowych układów

mnożących.

Rezystory

R1: 1k W

R2, R9, R16, R33, R42: 100k W

R3, R27, R32, R34: 10k W

R4, R47: 4,7k W

R5...R8, R35: 33k W

R10...R12, R17...R19: 12,1k W 1%

(8,86...15,4k W 1%)

R13, R20: 1,8k W

R14, R21: 7,5k W

R15, R24: 1,5k W

R22, R23, R45, R46: 43k W

R26, R31: 6,8k W

R28, R29: 2,2k W

R36...R41, R43, R44: nie

montować *

PR1: 10k W B potencjometr

obrotowy

PR3, PR2: 10k W A potencjometr

montażowy

Kondensatory

C9, C15: 15nF foliowy MKT lub

MKSE

C10, C14: 68pF ceramiczny

C18, C19, C21, C22, C30: nie

montować *

C20, C24: 22µF/16V

C23, C26: 100µF/10V

C25: 220µF/10V

C27...C29: 100nF ceramiczny

Półprzewodniki

T3: BD136...BD140

T6: BD135...BD139

U1...U4: TL082

U5: CMOS 4066

U6: CMOS 4069

D1, D2, T1, T2, T4, T5: nie

montować *

Różne

SP1: głośnik 4...25 W *

M1: mikrofon elektretowy

dwukońcówkowy

podstawki pod układy scalone

pokrętło potencjometru PR1

Kondensatory

C1, C11, C17: 10nF foliowy MKT

lub MKSE

C2, C3, C6, C31: 220nF

C4, C5: 2,2nF foliowy MKT lub

MKSE

C7, C12, C16, C32: 47nF foliowy

MKT lub MKSE

C8, C13: 3,3nF foliowy MKT lub

MKSE

* Uwaga! Głośnik SP1 oraz

elementy R36...R41, R43, R44,

C18, C19, C21, C22, C30, D2,

D1, T1, T2, T4, T5 nie wchodzą

w skład zestawu AVT−2134.

Dobrze jest sprawdzić pobór prądu

w spoczynku − prąd ten nie powinien być

większy, niż 40mA. Po pojawieniu się

sygnału w głośniku prąd będzie wzras−

tał, zależnie od oporności użytego

głośnika.

Już przy pierwszym włączeniu, przy

mówieniu do mikrofonu z odległości oko−

ło 5...15cm, z głośnika powinien za−

brzmieć przetworzony dźwięk.

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów nie wymaga uruchomiania, wy−

starczy tylko ustawić częstotliwości ge−

neratorów.

Posiadacze częstotliwościomierza

(lub multimetru z częstościomierzem)

ustawią teraz za pomocą PR2 częstotli−

wość pierwszego generatora w grani−

cach 3,7...4kHz. Częstotliwość drugiego

generatora można ustawić za pomocą

PR3 według upodobania, uzyskując od−

powiednie przesunięcie częstotliwości.

Osoby nie posiadające częstościomie−

rza dobiorą ustawienie potencjometru

PR2 metodą na słuch. Trzeba po prostu

znaleźć takie jego ustawienie, w którym

efekt z głośnika będzie najlepszy. Nie ma

co się bać − nic się nie zepsuje, co najwy−

żej dźwięk będzie dodatkowo zniekształ−

cony.

Płytkę można umocować w dowolnej

obudowie, na przykład KM60.

Odszukiwanie błędów

Nie da się przewidzieć wszystkich

możliwych błędów i pomyłek. Na przy−

kłąd autor przy uruchomianiu modelu tra−

fił na uszkodzony mikrofon, który wpraw−

dzie pracował, ale dawał bardzo mały

sygnał. W przypadku jakichkolwiek trud−

ności z uruchomieniem urządzenia nale−

ży przede wszystkim sprawdzić, czy na

rezystorze R28 rzeczywiście występuje

połowa napięcia zasilającego (±1V). Jeśli

nie, należy kolejno wyjmować kostki

z podstawek i sprawdzić, czy błąd ten

jest związany z którąś z nich. Jeśli nie,

pozostaje żmudne wylutowywanie kolej−

nych elementów dołączonych do obwo−

du sztucznej masy.

Jeśli napięcie sztucznej masy jest

dobre, należy sprawdzić działanie kolej−

nych bloków. Można to zrobić wstępnie

za pomocą woltomierza − napięcia na wy−

jściach wszystkich kostek (z wyjątkiem

U4A) powinny być zbliżone do połowy

napięcia zasilającego (±1V). Jeśli jest ina−

czej trzeba odszukać przyczynę.

Posiadacze generatora i oscyloskopu

podadzą sygnał na wejście mikrofonowe

Piotr Górecki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rojekty A

Projekty A

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

Półprzewodniki

Różne

Kondensatory

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: