ارگ کامل الکترونیکی

ارگ ها و پیانوهای الکترونیکی فراوانی در بازار موجود است. اما بیشتر آنها یا خیلی گران هستند یا فرکانس های کاری آنها به یک یا دو گام محدود می شود. نمونه های پیشین معمولا بر پایه تراشه های LSI CMOS بودند در حالی که انواع بعدی شامل یک AFO ترانزیستوری شده ساده و معمولی و یک سری مقاومت که تقریبا به نت های غیر ستاندارد منتهی می شود، می باشد.

جزئیات ساختاری و عملکرد یک ارگ الکترونیکی کامل که دارای مناسب ترین شکل تعادل بین مشخصات عملی و قیمت می باشد در اینجا توضیح داده شده است. پیانو مقیاس های کروماتیک را به کار می گیرد و قابلیت کار کردن از 0 تا 10 گام با پرده و نیم پرده های یک صفحه کلید 12 کلیدی را دارد. اعمال خاص مانند تنین ها و صداهای بم نیز گنجانده شده است. پیانو دارای یک تقویت کننده داخلی با قدرت خروجی حدود چند صد میلی وات است. بنابراین می تواند به طور مستقل مورد استفاده قرار گیرد. برای کاهش جریان مصرفی باتری، پیانوها معمولا از ریشه های COMS قابل دسترس استفاده می کنند.

اساس کار مدار

ارگ براساس مقیاس های کروماتیک، دیاتونیک اصلاح شده با نیم پرده ها کار می نماید. مقیاس شامل دوازده نت در هر گام که هفت تای آنها بم (flat) و پنج تای آنها زیر (sharp) است می شود. نت های استاندارد و عملی (گرد شده) و فرکانس هایشان در یازده گام در جدول I ارائه شده است. این فرکانس ها مبتنی بر فرکانس 440 هرتز به عنوان صدای زیر (A ” (treble ” است. فرکانس در هر نت 0/595 بار افزایش می یابد یعنی نت موردنظر 1/06=1/0595 برابر نت قبلی است.

در عملکرد واقعی همان گونه که از جدول I نتیجه می شود، این به معنی استفاده از 132 دکمه فشاری و چند صد مقاومت تنظیم زمان به منظور حصول تمام نت ها می باشد. اما همان طور که در جدول I نشان داده شده است، فرکانس واقعی هر نت در هر گام متوالی دقیقا دو برابر است. با به کارگیری این حقیقت، نت مشابهی در گامهای 10 تا 0 با تقسیم فرکانس نت موردنظر در دهمین گام به ترتیب 1، 2، 4، 8، 16، 32، 64، 128، 256، 512، 1024 تولید خواهد شد. این عمل به آسانی با به کارگیری یک شمارنده مولتی بیت دودویی قابل انتخاب تحقق می یابد. افعال خاص مانند تنین و غیره به صورت مؤثر با فرکانس خروجی نهایی همزمان سازی و وارد می شود.

توصیف مدار

نمودار بلوکی ارگ کامل در شکل (1) نشان داده شده است. ارگ شامل یک مولد آهنگ (AFO)، یک نوسان ساز ارتعاشی، یک مقسم فرکانس چند طبقه، یک ترکیب کننده سیگنال، یک انتخاب کننده فرکانسی و یک تقویت کننده صوتی می باشد.

IC1 CD4093 دارای چهار دریچه NAND اشمیت تریگر دو ورودی است. دریچه NAND با نام “a” به همراه مقاومت های صفحه کلید و خازن C1 تشکیل AFO را می دهند. فرکانس نوسان ساز (از 16Hz تا 32KHz) به وسیله مقدار C1 و مقاومت RK مشخص می شود. RK مقاومتی است که به وسیله کلید های S1 تا S12 صفحه کلید انتخاب می شود. خروجی این بخش به مقسم فرکانس IC2 CD4040 اعمال می گردد. نسبت تقسیم به وسیله کلید 11 وضعیتی S14 مشخص می شود.

شمارنده 12 طبقه دودویی دارای 12 خروجی تقسیم شونده مطابق جدول II می باشد. تنها 10 طبقه اول شمارنده مورد استفاده قرار گرفته است. S14 برای انتخاب گامهای عملی به کار می رود. خروجی این تراشه دریچه های c و d را تغذیه می کند که برای دریچه های داخلی ورودی ارتعاش استفاده می شود. نوسان ساز LF ارتعاشی با استفاده از دریچه b و عناصر نوسان R15 ، C2 و VR13 ساخته می شود.

شکل 1 نمودار بلوکی ارگ کامل الکترونیکی

شکل 2 مدار اصلی ارگ کامل الکترونیکی 

VR13 برای کنترل فرکانس ارتعاشی که ترجیحا باید در محدوده مادون صوت (فرکانس های زیر حد شنوایی یا زیر 15Hz) قرار گیرد، به کار می رود. S13 به منظور فعال و غیرفعال نمودن تأثیرات ارتعاشی (تنین) به کار می رود. خروجی گرفته شده از این بخش از طریق VR14 به ورودی تقویت کننده AF اعمال می شود. VR14 کنترل ولوم را انجام می دهد.

شکل 3 نقشه مدار چاپی مدار اصلی

شکل 4 نقشه قطعات مدار چاپی شکل (3)

مولد صدای بم از دو ترانزیستور کم وات و کم نویز ساخته شده است. این بخش مدار، همان گونه که در قسمت خط چین شکل (2) نشان داده شده است، کاملا اختیاری است. در صورت عدم نیاز، برای حذف این بخش به نقطه B به C وصل شود. C4 به عنوان خازن کوپلاژ ورودی عمل می کند. بخش AF با IC3 TBA 820 ساخته شده است که یک تقویت کننده ولتاژ پایین است. R20 و C7 یک شبکه زوبل (zoeble) را تشکیل می دهند تا کمکی برای پایداری تقویت کننده باشند. تراشه IC3 بلندگو را تحریک می نماید. برای استفاده از یک تقویت کننده خارجی، خروجی باید از انشعاب پتانسیومتر کنترل ولوم گرفته شود. اگر به کنترل ولوم نیازی نباشد، پتانسیومتر VR14 حذف می گردد.

در عمل، نت ها بر روی کلیدهای صفحه کلید نواخته می شود و S1 تا S12 و S14 برای انتقال از یک گام به گام دیگر به کار می رود. این گونه کلیدهای لغزشی معمولا بیش از یک قطب دارند و در این موارد نشانگر گام نمایش داده شده در شکل (7) به مدار افزوده خواهد شد. (اگر چنین کلید لغزشی به راحتی در دسترس نباشد، می توان از نوع گردشی به جای آن استفاده نمود).

در صورت نیاز، کنترل فعال آهنگ به کمک یک تراشه LM387 (شکل 9) می تواند بین نقطه B و A/ C قرار گیرد. VR17 و VR18 به ترتیب برای کنترل باس (bass یا کنترل صداهای فرکانس پایین) و تریبل (treble یا کنترل صداهای فرکانس بالا یا ریز) به کار می روند.

شکل 5 نقشه مدار چاپی صفحه کلید (10% کوچک شده)

شکل 6 نقشه قطعات مدار چاپی شکل (5) (10% کوچک شده)

لیست قطعات پروژه ارگ کامل الکترونیکی

منبع تغذیه

با وجود طراحی مدار برای کار با تغذیه 9V، ارگ می تواند با اندکی تغییرات با ولتاژهای تغذیه 6 تا 15V کار نماید. در بیشتر کاربردها، تغذیه با باتری ترجیح داده می شود. برای تغذیه ارگ از برق شهر، از مدار شکل (8) استفاده می شود. مدار شامل یکسوساز تمام موج، صافی و تراشه تثبیت کننده 7809 می باشد. LED درستی کار مدار را نشان می دهد و R37 در تخلیه سریع خازن صافی کمک می نماید. در صورت نبود مقاومت R37 هنگام قطع تغذیه ممکن است IC7809 بسوزد. منبع تغذیه دارای خروجی 9V ،350A ،± 1% می باشد. از یک گرمابر (هیت سینک) آلومینیومی کوچک برای IC4 استفاده کنید.

ساخت مدار

دستگاه ارگ دارای دو فیبر مدار چاپی می باشد، فیبر مدار چاپی مربوط به مدار اصلی و فیبر مدار چاپی مربوط به صفحه کلید و مقاومت های تنظیم (tuning resistor) . فیبر مدار چاپی صفحه کلید در شکل (5) نشان داده شده است. استفاده از فیبر مدار چاپی با کلید های فشاری (نوع کامپیوتری) هزینه بالایی در بردارد و مشابه آن به راحتی در دسترس نیست. هنگام لحیم کردن اجزاء به خصوص نیمه هادی ها باید نهایت مراقبت به کار گرفته شود. استفاده از سوکت برای تراشه ها اجباری است. فیبرهای مدار چاپی و نقشه قطعات آنها در شکل های 3، 4، 5 و 6 نشان داده شده است. ترتیب لحیم کردن عناصر، مقاومت ها پتانسیومترها، خازن ها و نیمه هادی ها می باشد. بهتر است برای لحیم کاری از یک هویه 10 وات استفاده شود.

فیبر مدار چاپی کلید باید از صفحه قلعی یا نیکلی باشد. برای سیم بندی های داخلی از کابل نواری 8 مسیری استفاده نمایید. کد گذاری رنگی سیم بندی ها، امکان بررسی و عیب یابی آسان مدار را در آینده فراهم می سازد. برای پروب می توان از پروب یک مولتی متر یا هر چیزی دیگر استفاده نمود. مدار کامل باید پس از جا گرفتن در یک جعبه مناسب آزمایش شود. جعبه های متنوعی برای این منظور در بازار موجود است.

نمای خارجی ارگ کامل الکترونیکی

همچنان که در شکل زیر نشان داده شده است، بلندگو و کنترل کننده های تنین (vibrato) و صدای بم (fuzz) روی قاب بالایی نصب می گردند. کلیدهای دیگر و کنترل ولوم می توانند در قاب پشتی جای گیرند. در صورت عدم نیاز می توان کنترل ولوم را حذف نمود. ترانسفورماتور منبع تغذیه (در صورت نیاز) باید دور از فیبر مدار چاپی باشد.

نمای داخلی ارگ کامل الکترونیکی

شکل 7 نشانگر انتخاب گام

شکل 8 نمودار مداری منبع تغذیه ارگ الکترونیکی

آزمایش مدار

برای آزمایش مدار، کلید کنترل را در حالت غیرفعال قرار داده، یک موج مربعی 100KHz سازگار با خانواده CMOS را به ورودی IC2 اعمال نمایید. فرکانس های خروجی در اولین 10 خروجی و خروجی N1 باید مطابق با جدول II باشد. فرکانس های خروجی نسبت به رمین برای Q1 ، N1 تا  Q10 به ترتیب باید برابر 198Hz،396Hz،793/75Hz،1587/5Hz،3170Hz،6/25KHz،12/5KHz،25KHz،50KHz،100KHz و 99Hz باشد. چنانچه همه مقادیر بالا حاصل شد، مدار آماده کار است.

شکل 9 کنترل کننده فعال آهنگ

جدول ضرایب تقسیم فرکانس در شمارنده CD4040

جدول تنظیم فرکانسی پتانسیومترها

جدول وضعیت انتخاب کننده گام و گام های متناظر

شکل 10 سیم بندی داخلی بین دو فیبر مدار چاپی و کلیدهای خارجی فیبر

تنظیم مدار

پس از مونتاژ و آزمایش کامل مدار، ارگ برای تولید آهنگ های (notes) با فرکانس استاندارد نیاز به تنظیم دارد. ابتدا VR1 تا VR12 باید در حداکثر مقدار خود قرار گیرند. سپس یک فرکانس متر باید بین خروجی و زمین وصل گردد. VR1 را برای تولید آهنگی با فرکانس 16/75Hz تنظیم نمایید. بقیه پتانسیومترها را برای تولید فرکانس های فهرست شده در جدول III تنظیم نمایید. اکنون هر کلید آهنگی (note) با 1/06 برابر فرکانس آهنگ قبلی تولید می نماید. اکنون ارگ الکترونیکی آماده کار و به دنبال Bon-Jovi (خواننده معروف سبک متال) بگردید.

نظریات خوانندگان

سوال: پروژه بسیار خوبی است. آیا می توان به جای پتانسیومترها مقاومت ثابت قرار داد؟ اگر می شود لطفا مقدار آنها را بیان کنید. زیرا دسترسی به فرکانس متر برای تنظیم پتانسیومترها ندارم.

جواب: پتانسیومترها را می توان با مقاومت های ثابت جایگزین نمود اما تنظیم مناسب انجام پذیر نخواهد بود. نیاز به فرکانس متر می تواند با مقایسه صداها با صداهایی که به وسیله ارگ های تجاری قابل دسترس تولید می شود، حذف گردد.

سوال: این مقاله صداهایی را که به وسیله ارگ تولید می شود مشخص نمی دارد. در متن مدار به عنوان پیانو مورد خطاب قرار گرفت: آیا واقعا صدای پیانو را تولید می کند؟ اگر چنین است چرا از مدار ASDR برای خلق صداهای زنجیره ای در مدار استفاده نشده است.

عموما وسایل موسیقی مطابق استانداردهای بین المللی ساخته می شوند. اما این که مشاهده شود فیبر مدار چاپی صفحه کلید معرفی شده از استانداردهای بین المللی پذیرفته شده خارج است مطلوب نیست. تمام 12 کلید از C تا B (یک گام) در یک خط قرار می گیرند (بدون فراهم نمودن موقعیت کلید های سفید). نواختن موسیقی روی این صفحه کلید مانند تایپ کردن با یک دستگاه تایپ است که دارای صفحه کلید غیر معمول است. صفحه کلید نشان داده شده در شکل زیر یک صفحه کلید استاندارد است که یک صفحه کلید دو گامی با 14 آهنگ (tone) کامل و 10 نیم پرده (semi – tone) می باشد، بنابراین یک فیبر مدار چاپی صحیح برای صفحه کلید یک گامی در شکل آمده است.

نواختن موسیقی با اتصال یک پورب به صفحه کلید یک مانع اساسی برای استعداد واقعی است. و مادامی که مدار توصیف شده، یک رنج گسترده از انتخاب گام را فراهم می کند افزودن کنترل باس و تریبل غیرضروری است.

جواب: مدار می تواند صداهای پیانو را خلق نماید. مدار ASDR نه مورد نیاز است و نه استفاده از آن آسان است. در عین حال صدای تولید شده به وسیله این ارگ به خوبی بیشتر سینتی سایزرها است. کنترل های Bass – treble تنها برای امکان استفاده آسان تر و عدم اجبار به تعویض گام ها به صورت تکراری و پشت سر هم داخل شده است. هنوز نیز مدل پیشنهاد شده برای صفحه کلید توصیه می گردد و صفحه مدار چاپی آن را می توان از بعضی فروشنده های کیت خریداری نمود.

فیبر مدار چاپی صفحه کلید یک گامی