Μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή επεξεργαστή σημάτων ειδικού σκοπού Διπλωματική εργασία Δημήτρη Μαχαίρα (Α.Μ. 5693) Επιβλέπων: Κώστας Ευσταθίου

Στόχοι εργασίας Σχεδίαση και υλοποίηση επεξεργαστή-ενισχυτή σήματος, προερχόμενο από ηλεκτρική κιθάρα. Επίτευξη υποκειμενικών ηχητικών απαιτήσεων. Πολυδιάστατη αξιοποίηση για επίτευξη ποικιλίας ήχων για διαφορετικά γούστα Απλότητα στη χρήση του.

Γενικό μπλοκ διάγραμμα του συστήματος

PREAMP/CLIPPER /EQ Αποτελούμενο από αναλογικά κυκλώματα προ-ενίσχυσης ,ψαλιδισμού και αθροιστή φίλτρων(equalizer). Σ’ αυτό το στάδιο όπου το σήμα εισόδου (ερχόμενο από τον μαγνήτη της κιθάρας) δεν ξεπερνάει τα 60mV, ο ήχος αποκτά τα κύρια γνωρίσματα του (ενισχύεται, παραμορφώνεται-sustain, αποκτά συχνοτηκή επιλεκτικότητα ).

2. MONADA DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING) DSP board που περιέχει: Processor ADSP-21065L της analog devices Codec AD1819 με τους ADC και DAC EProm SDRAM Crystal oscillator Flags =led flags + switches flags

MONADA DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING) (συνέχεια) Ψηφιακή Επεξεργασία για δημιουργία 4 ηχτικών effects: Delay Chorus Flanger Pitch shifter

3. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ(POWER AMP) Αναλογικό σύστημα Standard σχεδίαση για Standard απαιτήσεις: Τοπολογία 3 κλασσικών σταδίων: Ενισχυτή διαγωγιμότητας (τάση σε ρεύμα) Αντισταθμισμένο ενισχυτή τάσης Στάδιο εξόδου (ΑΒ μαζί με κυκλώματα προστασίας) Σκοπός: Επαρκής οδήγηση συστήματος μεγαφώνου

4.Μεγάφωνο Ηχείο: 12 ιντσών 8 Ω Ειδική ανάρτηση για ηλεκτρική κιθάρα Κουτί: Mdf πάχους 1,8cm 31,5x50x60 cm 90 λίτρων

5. ΜΟΝΑΔΑ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ τροφοδοτικό του dsp board τροφοδοτικό του preamp το τροφοδοτικό του ενισχυτή ισχύος (P.A.) Για παροχή dc ισχύος: ασφαλώς και αποδοτικά

6. ΔΙAΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΧΡΗΣΤΗ (INTERFACE) ποτενσιόμετρα (knobs) Buttons switches Leds Σκοπός: Δυνατότητα ρύθμισης επιθυμητών παραμέτρων

PREAMP-CLIPPER-EQ ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ

ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ CLIPPER

ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ CLIPPER(συνέχεια) Προέμφαση fL=900Hz(μέσω R2,C4) G=101 Δίνει μια οξύτητα

ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ CLIPPER

ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ CLIPPER (συνέχεια) Υπεροδήγηση με μεγάλο κέρδος Gmax=500 Πέρασμα από αντί-παράλληλες διόδους(1Ν4007 χαμηλής τάσης VDon) θα δώσει τετραγωνικό παλμό Ανώτερες αρμονικές Κράτημα (sustain) fH(-3db)=1592,3Hz για περιορισμό ανεπιθύμητου σφυρίγματος

ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ CLIPPER (συνέχεια) Προσομοίωση εξόδου για Vin=6V( από προηγούμενο στάδιο) f=1KHz THD= 53.0432 % για τις 20 ανώτερες αρμονικές

PREAMP

PREAMP (συνέχεια) Ασυνήθιστο Γραμμικός ενισχυτής Gmax=10 Μπάσα χροιά Μεγάλο κράτημα sustain, οφειλόμενο στην περαιτέρω ενίσχυση του τετραγωνισμένου σήματος εισόδου

PREAMP (συνέχεια)

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (EQ)

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (EQ) (συνέχεια) LPF HPF Band pass=HPF +LPF Aθροιστή φίλτρων(U4, LM308)

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (EQ) (συνέχεια) Full bass απόκρισης συχνότητας του ισοσταθμιστή

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (EQ) (συνέχεια) Full mid-range απόκριση του ισοσταθμιστή

ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΤΗΣ (EQ) (συνέχεια) Full treble απόκριση του ισοσταθμιστή

Lay-out

ΜΟΝΑΔΑ DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING) O ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ADSP 21065L ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ 60ΜΗz 66 ΜIPs ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΗ ΜΝΗΜΗ 16K×32bit (544K bits) on chip memory ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ n=32Bits SNR A/D(RMS) dB =6.02n+1.76 =194.4 db Dynamic Range(dB) = 6n=6*32=192 db

ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΟΔΟΥ- ΕΞΟΔΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΕΙΣΟΔΟΥ- ΕΞΟΔΟΥ

O ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ADSP 21065L (συνέχεια) ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗΣ Τόσο κινητής υποδιαστολής(floating point arithmetic) όσο και fixed point arithmetic format HARDWARE ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΚΥΚΛΙΚΩΝ BUFFERS

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Περιβάλλον προγραμματισμού Visual DSP με τον αντίστοιχο debbuger Assembly λόγους καλύτερης εποπτείας hardware circular buffer support Δημιουργία project με όνομα Guitar_effects με τα ακόλουθα αρχεία: AD1819a_initialization.asm,Chorus2_with_feedback.asm,Clear_SPT1_regs.asm,Codec_proccessing_ISR.asm,Digital_Delay.asm,EZLAB_21065L_debugger.ldf,Flanger_with_Feedback.asm,ISR_table.asm,Init_065L_EZLAB.asm,Pitch_shifter_one.asm,SDRAM_Init.asm,Which_effects.asm μέσω του visual DSP debugger το loader αρχείο booteffects.ldr για EProm booting

DELAY EFFECT ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: DELAY TIME (τ) DELAY MIX (g)

Delay line & circular buffer Πάμε Μ θέσεις σε σχέση με τρέχουσα Παίρνουμε το αντίστοιχο δείγμα και τα αθροίζουμε προς την έξοδο Γράφουμε το δείγμα εισόδου σε επόμενη θέση του circular buffer Αν φτάσουμε στην τελευταία διεύθυνση του circular buffer πάμε στην αρχική.

Hardware circular buffer support Βx=Base address Ix=Index Mx=Modifier Lx=Length Premodify:Πρώτα(pre) αυξάνεται ο Ix κατά Mx και διαβάζεται ή γράφεται το περιεχόμενο της θέσης Ix+ Mx ενώ ο Index Ix σε επόμενη κλήση του θα έχει την ίδια τιμή με πριν της προσαύξησης (no update). Pοstmodify:Πρώτα διαβάζεται ή γράφεται (ανάλογα την έκφραση), το περιεχόμενο της θέσης Ix ενώ μετά (post) αυξάνεται ο Ix κατά Mx ώστε σε επόμενη κλήση του θα έχει την προσαυξημένη τιμή (modified) Ix+ Mx. (βήματα a) και c).

ΡΥΘΜΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Χρήση μεταβλητής DelayΤime [0,48000] τ default value= 0, 5 sec samples τmin= 0msec για Mmin=0 samples τmax= 1sec για Mmax=48000 samples Δτ= =41, 6msec

Flanger Effect ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: Flanger depth Flanger sweep rate

Sine lookup table

Linear interpolation Aν μη ακέραιος μέσω εντολής ‘‘modify(Ιx,Mx);’’

Υλοποίηση Center tap Direct gain a1=0, 707 Delay line gain=0, 707 Fixed center tap gain=0, 707 Αλγόριθμος: Αυξάνει τον μετρητή wavetbl_counter αν φτάσει την τιμή max count τον μηδενίζει και παίρνει επόμενο δείγμα από buffer αποθηκευμένου ημιτόνου Βρίσκει την τιμή του pointer του καθυστερούμενου δείγματος(αν χρειαστεί πραγματοποιεί linear interpolation) Παίρνει την τιμή του καθυστερούμενου δείγματος, την τιμή του καθυστερούμενου κατά D/2 δείγματα, τις πολλαπλασιάζει με τους αντίστοιχους συντελεστές Τα αθροίζει με το προϊόν του βήματος a) πολλαπλασιασμένου επί a1 Tα στέλνει στους data holders εξόδου Γράφει το τρέχον δείγμα του σήματος εισόδου σε επόμενη θέση του delay line buffer

ΡΥΘΜΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Flanger rate Default value Minimum value Μεταβάλλουμε το c από 1έως20 max_count=80 Default value Minimum value Maximum value

ΡΥΘΜΙΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Flanger depth: Μεταβάλλουμε το flanger_width από -1 έως -31 D=100 Default value flanger_dedth= δείγματα Minimum value flanger_depth= δείγματα Maximum value flanger_depth = δείγματα

Chorus Μόνη διαφορά με Flanger ότι D=1500 δείγματα Αντίστοιχη μεταβολή και της παραμέτρου chorus depth

PITCH SHIFTER Αντί για ημίτονο χρησιμοποιείται πριωνοτή κυματομορφή Στηρίζεται στο φαινόμενο Doppler Αυξάνεται η καθυστέρυση Pitch decrease Μειώνεται η καθυστέρυση Pitch increase

Παράμετροι Transposition t Ν=μήκος delay line buffer M=μήκος sawtooth buffer Προκύπτει και και τελικά Οι μουσικοί αντιλαμβάνονται

Ενισχυτής ισχύος(P.A.)

Ενισχυτής ισχύος(P.A.) Κύκλωμα πόλωσης: Διαφορικός ενισχυτής εισόδου: Ενισχυτής τάσης: ΑVQ4 = gmQ4 *βdarlington*RL=0, 14*1000*8=1120 V/V Πολλαπλασιαστής VBE :

Ενισχυτής ισχύος(P.A.) Στάδιο εξόδου: Τάξη ΑΒ βQ8*βQ6 = βQ14*βQ15 =10*100=1000 Α/Α Ανάδραση: 1+R5/R16=40V/V

Επιδόσεις P.A. Έξοδος για ημιτονοειδές είσοδο πλάτους 0, 5V, συχνότητας 1ΚΗz

Επιδόσεις P.A. Μεγεθυμένη περιοχή περάσματος από το 0.

Επιδόσεις P.A. Απόκριση συχνότητας του ενισχυτή

Επιδόσεις P.A. Έξοδος για είσοδο τετραγωνικό παλμό πλάτους 0, 9V για παρατήρηση του slew rate.

Επιδόσεις P.A. Μέγιστη Ισχύς Εξόδου: THD: THD= 1. 01847 %

PCB ΤΟΥ ΕΝΙΣΧΥΤΗ

Μονάδα τροφοδοσίας ΤΟ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ ΤΟΥ BOARD TOY DSP:4 Α/ 7, 5V/ 30VA ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ TOY PREAMP-CLIPPER-EQ:200mA / /4, 8VA TO ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ TOY ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΙΣΧΥΟΣ

ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΧΡΗΣΤΗ (INTERFACE)

DSP bypass switching

ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΓΑΦΩΝΟΥ W=60cm H=50cm D=31, 5cm V=90 λίτρα αέρα 12 ίντσες 8Ω 100 watt (rms)

ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΓΑΦΩΝΟΥ Rmax=29Ω Fqs=93Hz Re = 2, 9Ω(dc αντίσταση) Από THIELE-SMALLΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Rmax=29Ω Fqs=93Hz Re = 2, 9Ω(dc αντίσταση) Από Ro = Rmax / Re και Rx = Re * ( Ro )1/2 Rx =9. 171 Ω

Thiele&Small παραμετροποίηση Q=0, 9657 που είναι ο συνολικός συντελεστής ποιότητας του μεγαφώνου Fdb=174, 87Hz που είναι η συχνότητα με τη μέγιστη ενίσχυση Peak db=1, 0521db Και την F3=95, 166Hz που αποτελεί την κάτω συχνότητα –3db.

ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΗΧΕΙΟΥ

ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΗΧΕΙΟΥ

ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΗΧΕΙΟΥ

ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΗΧΕΙΟΥ

Βιβλιογραφία [1] R. G. KEEN:’’ Effects order’’ (www. geofex. com 2000) [2] JIM OVERHISER, LUKE DONEY:’’PHYSICS ON ELECTRIC GUITAR’’ (CORNELL UNIVERSITY) [3] DOUGLAS SELF:’’AUDIO POWER AMPLIFIER DESIGN HANDBOOK’’ (NEWNES 2006) [4] Sedra/Smith: “Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα, Β΄” (Παπασωτηρίου 1994) [5] Rikupetteri Salminen:’’Cook youw own distortion’’(www. generalguitargadgets. com 2000) [6] Richard C. Jaeger: “Μικροηλεκτρονική, Β΄” (Τζιόλα 1999) [7] ADSP-21065L SHARC® DSP User’s Manual [8] Dan Ledger and John Tomarakos:’’ Using The Low Cost, High Performance ADSP-21065L Digital Signal Processor For Digital Audio Applications’’(1998) [9] www. harmony-central. com Effects explained [10] UDO ZOLZER :’’ DAFX-DIGITAL AUDIO EFFECTS’’ (WILEY 2002) [11] Jon Dattorro:’’EFFECT DESIGN PART2: DELAY LINE MODULATION AND CHORUS’’ (Audio engineering society Journal 1997) [12] Miller Puckette:’’The Theory and Technique of Electronic Music’’(World Scientific Publishing 2007) [13] G. Randy Slone: “High- Power Audio Amplifier Construction Manual” (McGraw- Hill 1999) [14] Κώστας Ευσταθίου: ‘‘Περιληπτικές σημειώσεις ενισχυτών ισχύος’’ (2002) [15] www. tonepad. com Off board wiring [16] www. kbapps. com Audio speaker design calculations [17] Γιάννης Μουρτζόπουλος:’’Εργαστηριακές σημειώσεις ηλεκτροακουστικής 1 άσκησης 3-Μέτρηση χαρακτηριστικών και απόκρισης ηλεκτροακουστικών μετατροπέων’’