ПЕРЕВОД: Анализ PT2399

Начало » Блог » ПЕРЕВОД: Анализ PT2399

Эту статью я нашел весьма полезной: в ней подробно описываются принципы работы микросхемы PT2399. Похожей информации на русском языке я не нашел. Перевод не дословный, однако смысл сохранен. Ссылка на исходную статью: https://www.electrosmash.com/pt2399-analysis

PT2399 - это процессор echo/delay эффекта, разработанный Princeton Technology Corp. В микросхема есть: АЦП, 44кб RAM для хранения сэмплов и ЦАП. Этот чип изначально был разработан для применения в караоке и развлекательных системах (чит. домашних кинотеатрах), однако заслужил значительное признание у создателей гитарных эффектов за свою простоту, дешевизну и возможность добавления в обвязку микросхемы модификаций.

Этот чип используется во множестве педалей, например: Belton/Accu-Tronics reverb module, Danelectro FAB-Echo, Rebote Delay.

 

Чип позволяет создать задержку длиной от 30 мс до 340 мс (верхний порог может быть расширен до 1 секунды, однако - ценой качества звука).

 

1. Устройство микросхемы

Схема, данная в даташите, не позволяет понять, как работает этот чип. Взгляните:

Данная блок-схема воспринимается проще и логичней:

 

2. Питание

Напряжение питания микросхемы - 5В. Для снижения уровня помех и сохранения качества сигнала рекомендуется использовать стабилизатор. Ток потребления - порядка 30мА.

Пин №1:

Пин питания. Напряжение от 4.5 до 5.5В. Эксперименты с повышенным напряжением питания имели место быть, однако для того, чтобы микросхема прослужила долго и работала стабильно, лучше всего остановиться на 5В. Для питания от источника 9В используются стабилизаторы, например - LM7805 или LM2940. Схема:

Использование диода позволит исключить возможность неправильного подключения, а конденсаторы позволят отфильтровать помехи на входе и выходе стабилизатора. LM7805/LM2940 стабилизируют от 9 до 15 вольт на входе.

Пин №2:

Пин опорного напряжения (REF). Напряжение на нем составляет 2.5В (Vcc/2). Для установки этого напряжения используется внутренний делитель. Сопротивление между пином 1 и пином 2 составляет около 6 кОм. Это напряжение используется как виртуальная земля внутри чипа, а также как опорное напряжение для схемы осциллятора.

Пин №2: модификация - эффект Chorus

Использовавшаяся в Little Angel Chorus модификация. Схема:

Напряжение VCO (осциллятор, управляемый напряжением) управляет задержкой сигнала. Зависимость задержки от частоты осциллятора можно узнать из таблицы в даташите.

Простейший способ изменить входное напряжение VCO - заземлить пин №6, сменить таким образом КУ операционного усилителя и выходное напряжение.

"Взлом пина №2" основывается на смене напряжения на неинвертирующем входе ОУ вместо смены напряжения на инвертирующем входе. Для того, чтобы обеспечить корректную работу чипа в это режиме, необходима схема, называемая в оригинале anti latch-up (latch-up - тиристорный эффект, подробнее - чуть ниже). Напряжение на неинвертирующем входе ОУ меняется с помощью переменного резистора на пине №2.

Побочный эффект этой модификации- смена напряжения виртуальной земли. Однако, для создания временной модуляции достаточно будет снизить напряжение с 2.5 до 2В - это не повлияет на виртуальную землю существенно.

Схема Anti Latch-up:

Когда напряжение питания подается на схему, а сопротивление пина №6 в этот момент на землю меньше, чем 2 кОм, микросхема может испытать на себе тиристорный эффект: перестать работать, а то и вовсе помереть. Схема Anti Latch-up предотвращает возможность такого исхода: на первые 400 мс после включения между пином №6 и землей обеспечивается сопротивление, значительно большее чем 2 кОм, затем - минимальное.

 

Время удержания высокого сопротивления рассчитывается по формуле:

τ = R x C

Например: τ = 100K x 1uF = 1s

Диод можно использовать практически любой. В данной схеме используется 1N4001. Он используется для того, чтобы защитить транзистор от скачка напряжения вследствие разрядки конденсатора. В этой схеме используется транзистор BC337, можно использовать аналогичный.

Пин №3 и №4:

Это аналоговая и цифровая земля, они должны быть связаны снаружи короткой и тонкой дорожкой. Внутреннее сопротивление между ними составляет около 10 Ом.

Пин №5

Пин-вывод осциллятора. Есть два варианта его использования:

  • Точное отслеживание времени задержки. Для этого понадобится микроконтроллер, а также ввиду высокой выходной частоты (до 22 мГц) - и предделитель. А стоит ли овчинка выделки?
  • Точный контроль времени задержки благодаря подаче своего сигнала на пин. Тот же вопрос про овчинку.

​Пин №6

Пин регулировки частоты осциллятора. Напряжение на пине составляет 2,5В. Соединение пина с землей через резистор изменит частоту осциллятора, а следовательно - и время задержки.

Ниже изображена таблица соотношений сопротивления пина №6 на землю, частоты осциллятора, времени задержки и КНИ. Показатели, данные в таблице - ориентировочные и могут варьироваться.

THD - коэффициент нелинейных искажений. f clock - частота осциллятора.

Обратите внимание! Чем дольше задержка, тем выше КНИ - сигнал записывается в RAM с более низким битрейтом. При времени задержки более 350 мс возможны слышимые искажения.

Ток пина №6: Напряжение (2,5В) на пине является постоянным, но ток, протекающий через него имеет линейную зависимость с временем задержки. На практике микросхема позволяет выставить время задержки от 35 мс до 600 мс, что даст от 5,4мА до 50мкА на пине №6.

 

Изменение времени задержки

Есть несколько способов изменения времени задержки:

  • Использование потенциометра. Простейший путь. Исходя из рекомендаций в даташите следует использовать потенциометр с сопротивлением от 10 до 50 кОм (в зависимости от желаемого времени задержки). Минимальное сопротивление - 2 кОм - требуется всегда (минимальное время задержки). Если сопротивление будет меньше 2 кОм, микросхема при включении не заработает, а то и вовсе помрет (см. latch-up).

После того, как осциллятор запустился, в минимальном сопротивлении нет необходимости. Поэтому зачастую здесь также используют anti latch-up схему. Особого смысла в понижении сопротивления ниже 100 ом нет, т.к. время задержки останется на уровне минимума.

  • Использование транзистора для ограничения тока. PNP или NPN транзистор может использоваться для ограничения тока пина. Этот способ может быть скомбинирован с anti latch-up. 

Вариант (a) ограничит ток, текущий из пина. Резистор R1 требуется для того, чтобы выходные напряжения потенциометра были ограничены между 0 и 0.65В (на базе транзистора) - иначе задержка будет изменяться на малой части его рабочей поверхности. R2 - низкоомный резистор от 100 до 200 Ом.

Вариант (b) предполагает использование параллельного транзистору резистора, таким образом, возможно выбрать максимальное сопротивление. Например: R3 на 20 кОм даст максимальную задержку в 270 мс.

В варианте (с) добавлена anti latch-up схема.

  • Цифровой резистор. Существует множество цифровых контроллеров, которые могут быть использованы как переменные резисторы: MCP41XXX (256 шагов), DS1804 (100 шагов). Их минус в том, что они не позволяют регулировать задержку с высокой точностью - всегда будет определенный шаг.

 

3. Анализ схемы echo/delay

Типовые схемы включения, которые используются как основа в гитарных педалях:

https://asmirnoff.ru/data/uploads/img/blog2/pt2399_echo_delay.png

Основное различие между Delay и Echo заключается в том, что у Echo есть обратная связь между выходом и входом (пин 14 и пин 16).

 

3.1. Входная схема

Входная схема состоит из трех ОУ. Два из них используются как часть схемы сигма-дельта модуляции. Первый ОУ можно использовать в любой конфигурации, но наиболее предпочтительная - Multi-Feedback топология:

ФНЧ

Первый ОУ отфильтрует излишки высокочастотных гармоник, используя Multi-feedback топологию: 

Данный фильтр дает -12дБ на октаву в высоких частотах. R5 и C3 дадут фильтр на -18дБ на октаву.

В этом случае именно MFB будет наиболее выгодна, так как позволяет ОУ работать и в качестве усилителя с учетом пути Echo.

Формула для расчета частоты среза: fc = 1 / (2 x π x R x C). (скоро тут будет мой калькулятор)

Схема Delay использует параметры:  R1=15K, R2=10K, R3=15K, C1=3.9nF, и C2=0.56nF. Частота среза fc=8.8kHz  ( КУ Q=0.9 )
Схема Delay использует параметры: R1=15K, R2=10K, R3=10K, C1=5.6nF, и C2=0.56nF. Частота среза fc=8.9kHz  ( КУ Q=1.1 )

Оптимальная для PT2399 частота фильтра составляет около 8.5. кГц. 

Дельта-сигма модулятор

В модуляторе входной аналоговый сигнал преобразуется в поток логических нулей и единиц, в зависимости от повышения или понижения тока конвертируемого сигнала. Частота работы модулятора тесно связана с частотой аудиосигнала.

ОУ №2 и №3 на изображении выше используются в формировании потока цифровых данных:

  • Выход MFB присоединен к инвертирующему входу компаратора. Неинвертирующий вход компаратора подсоединен к выходу модулятора, питающемуся от DO0.
  • DO0 (Data Out 0) - это выход однобитового "фиксатора", который содержит в себе один бит конвертированного аудиосигнала до следующего тактового импульса.
  • "Фиксатор" отправляет данные на 44 kb RAM. Напряжение на инвертирующем входе компаратора сравнивается с выходом модулятора (после фильтрования низких частот), состояние сменится в зависимости от обнаруженной разницы. Выход компаратора соединен с памятью.

 

4.2. Выходная схема

Выходная схема состоит из двух ОУ. Первый обладает ограниченной функциональностью: это ФНЧ, который является антиалиасинговым фильтром. Второй ОУ доступен для использования и обычно используется в схеме MFB фильтра.

Первый ОУ используется для того, чтобы сгладить аналоговый сигнал, созданный демодулятором.

  • R6 - внутренний резистор, в даташите указан номинал в 4.7 кОм.
  • C6 (и C3 из предыдущей подглавы) - конденсатор, который используется для того, чтобы отсечь нежелательные высокие частоты. Даташит рекомендует 100 нФ для схемы delay и 82 нФ для схемы echo. Есть не так много информации о назначении этого конденсатора. Понижение номиналов C6 и C3 даст больше высоких гармоник в звуке, следовательно и более "натуральное" звучание, слишком маленькое их значение даст примесь цифровых шумов в сигнале. Если PT2399 используется для создания delay/echo с небольшой задержкой, можно использовать номиналы вплоть до 22 нФ, для более длинных задержек стоит ограничиться 47 нФ. Для больших задержек оптимальным выбором будет 100 нФ.

100 нФ задерживает гармоники свыше 1 кГц, что является некритичным для натуральности звука. "Золотая середина" между натуральностью звука и минимумом цифровых шумов - 68 нФ.

Второй ОУ - очередной MFB-фильтр, который очищает сигнал и делает его более плавным.

  • R10 и C9 формируют последний ФНЧ с частотой среза 5.8 кГц (2.7 кОм резистор и 10нФ конденсатор) или 2.8 кГц (5.6 кОм резистор, 10нФ конденсатор). Недостаток этого фильтра в том, что он повысит выходное сопротивление схемы. Это можно исправить, используя меньшие номиналы R и большие - C (например, 10 Ом и 4.7 мФ - частота среза 3.3 кГц) (Рассчитайте ФНЧ здесь!)
  • C10 - это выходной конденсатор, который обеспечивает отсутствие постоянного напряжения на выходе.

 

5. Уменьшение уровня шума в схемах с PT2399

  • Используйте отдельный стабилизатор для микросхемы,.
  • Разделительный конденсатор с Vcc на аналоговую землю должен быть как можно ближе к микросхеме.
  • Все остальные конденсаторы (в фильтрах, модуляторе, демодуляторе) также должны быть как можно ближе к микросхеме.
  • Уделите особое внимание цифровой и аналоговой земле. Правильным будет разделить аналоговую и цифровую землю и соединить их в одной точке - тонкая и короткая дорожка между 3 и 4 пинами).
  • Конденсаторы: в случае использования большего времени задержки пропускная способность системы ограничена, использование конденсаторов С3 и С6 с номиналом около 100 нФ снизит высокочастутный шум. Снижение частоты среза в MBF фильтрах не принесет пользы.