RU2717146C1

RU2717146C1 - Method of eliminating noise in strings of electric musical instruments

Info

Publication number: RU2717146C1
Application number: RU2019124057A
Authority: RU
Inventors: Станислав Викторович Колотовкин; Олег Станиславович Корелин
Original assignee: Станислав Викторович Колотовкин; Олег Станиславович Корелин
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-03-18

Abstract

FIELD: electronics.

SUBSTANCE: invention relates to electronics and can be used in string electric musical instruments that convert mechanical vibrations of strings into electric signals, in particular in electric guitars. Claimed invention is characterized by using an acoustic pickup coil with few turns and a tool amplifier with maximum suppression of the in-phase signal, note here that instrument amplifier is connected by differential transimpedance amplifier circuit to provide maximum warning and maximum suppression of noise.

EFFECT: thus, providing absence of dependence of degree of suppression of interference from spread of resistances of matched resistors and high noise immunity, which enables to virtually eliminate noise in acoustic pickup signal.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в струнных электромузыкальных инструментах, преобразующих механические колебания струн в электрические сигналы, в частности в электрогитарах, а именно, относится к способам повышения помехозащищенности струнных электромузыкальных инструментов.The invention relates to the field of electronics and can be used in stringed electric musical instruments that convert mechanical vibrations of strings into electrical signals, in particular in electric guitars, and in particular, relates to methods for increasing the noise immunity of stringed musical musical instruments.

Борьба с электромагнитными помехами в электронных схемах устройств автоматики, телемеханики, связи и т.п. состоит из ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ помех (экранирование, заземление...) и ПОДАВЛЕНИЯ помех. Под ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕМ помех подразумевается снижение помех на входе устройства, а под ПОДАВЛЕНИЕМ помех - снижение помех внутри устройства.The fight against electromagnetic interference in electronic circuits of automation, telemechanics, communications, etc. consists of interference prevention (shielding, grounding ...) and interference suppression. Interference PREVENTION means reducing interference at the input of a device, and suppressing interference means reducing interference inside a device.

С момента появления электрифицированных струнных музыкальных инструментов инженеры совместно с музыкантами начали работать над расширением их возможностей. Появились различные приставки и педали. Сначала они были ламповыми, затем -транзисторными, сейчас собираются на интегральных микросхемах. Создаваемые ими так называемые «эффекты» быстро стали необходимой составной частью арсенала музыкантов, в первую очередь, гитаристов. При этом выяснилось, что при включении «эффектов» типа «овердрайв», «фузз», «дисторшн» вследствие сжатия динамического диапазона сигнала соотношение сигнал/шум становится недопустимо низким. Так одной из самых важных задач стала борьба с помехами.Since the advent of electrified stringed musical instruments, engineers, together with musicians, began to work to expand their capabilities. Various consoles and pedals appeared. At first they were tube, then transistor, now they are assembled on integrated circuits. The so-called “effects” created by them quickly became a necessary component of the arsenal of musicians, primarily guitarists. It turned out that when "overdrive", "fuzz", and "distortion" effects are turned on, the signal-to-noise ratio becomes unacceptably low due to compression of the dynamic range of the signal. So one of the most important tasks was the fight against interference.

Звукосниматель электрогитары представляет собой намотанную поверх постоянного магнита катушку в несколько тысяч витков с сопротивлением в несколько кОм (в среднем 5 кОм) и индуктивностью в несколько генри (в среднем 2 Гн). Для обеспечения широкой полосы пропускания входное сопротивление усилителя должно значительно превышать импеданс звукоснимателя - обычно 500-1000 кОм. Звукосниматель обладает низкой помехозащищенностью, так как полностью экранировать его нельзя, следовательно, подвержен воздействию электромагнитных полей промышленной частоты и радиочастот, и помехи (обычно это «фон» частотой 50 Гц) хорошо слышны из звуковых колонок. При использовании различных приставок «эффектов», осуществляющих сжатие динамического диапазона, интенсивность звучания помех превышает все нормы. Экранирование кабеля, заземление усилителя и колонок и другие меры ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ помех не дают заметных результатов.The electric guitar pickup is a coil of several thousand turns wound over a permanent magnet with a resistance of several kOhm (an average of 5 kOhm) and an inductance of several henry (an average of 2 H). To ensure a wide passband, the input impedance of the amplifier should significantly exceed the pickup impedance — typically 500–1000 kΩ. The pickup has low noise immunity, since it cannot be completely shielded, therefore, it is exposed to electromagnetic fields of industrial frequency and radio frequencies, and interference (usually this “background” with a frequency of 50 Hz) is clearly audible from the speakers. When using various prefixes of "effects" that compress the dynamic range, the intensity of the sound of interference exceeds all norms. Cable shielding, grounding of the amplifier and speakers, and other measures to prevent interference do not produce noticeable results.

Известен способ ПОДАВЛЕНИЯ помех по патенту США №2892371, кл. G10H 3/18, 1959 г., использующий изобретенный Джозефом Рэй Баттсом звукосниматель, названный ХАМБАКЕРОМ, то есть помехоподавителем. Он состоит из двух катушек, намотанных встречно на двух магнитах противоположной полярности. Окружающие помехи промышленной частоты или радиочастот достигают катушек как синфазные, в то время как полезные сигналы противофазные. Катушки соединяются таким образом, что сигналы помех вычитаются, а полезные сигналы складываются. Хотя помехозащищенность каждой из двух катушек не изменилась, общая помехоустойчивость увеличилась.A known method of Suppression of interference according to US patent No. 2892371, class. G10H 3/18, 1959, using a pickup invented by Joseph Ray Butts, called a HUMBACKER, i.e. an interference suppressor. It consists of two coils wound counterclockwise on two magnets of opposite polarity. Surrounding interference of industrial frequency or radio frequency reach the coils as in-phase, while useful signals are out-of-phase. Coils are connected in such a way that interference signals are subtracted, and useful signals are added. Although the noise immunity of each of the two coils has not changed, the overall noise immunity has increased.

Недостатками способа являются малая степень ПОДАВЛЕНИЯ помех, сильно зависящая от точности совпадения параметров катушек, и провалы в амплитудно-частотной характеристике ХАМБАКЕРА (значительно хуже, чем у звукоснимателя с одной катушкой, называемого СИНГЛОМ).The disadvantages of the method are the low degree of suppression of interference, which depends strongly on the accuracy of the coincidence of the parameters of the coils, and dips in the amplitude-frequency response of the HUMBAKER (much worse than a pickup with a single coil, called SINGLE).

Известен способ ПОДАВЛЕНИЯ помех в АКТИВНЫХ звукоснимателях встроенным интегральным дифференциальным усилителем, заметно улучшающим все параметры звукоснимателя.There is a method of Suppressing interference in active pickups with an integrated integrated differential amplifier, which noticeably improves all parameters of the pickup.

Катушка АКТИВНОГО звукоснимателя подключается к входам Операционного Усилителя (ОУ) или Инструментального Усилителя (ИУ). Усилитель на ОУ (фиг. 1) ПОДАВЛЯЕТ синфазные сигналы (помехи), поступающие на его входы, до 60 дБ при точном равенстве сопротивлений пары согласованных резисторов (R1=R2). При разбросе сопротивлений пары 1% степень подавления помех падает до 40 дБ. Применение катушки с обмоткой в несколько десятков витков (у пассивных звукоснимателей нескольких тысяч) позволяет использовать режим короткого замыкания катушки при широкой полосе воспроизводимых частот, при этом помехозащищенность катушки намного выше и ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ помех максимальное.The coil of the ACTIVE pickup is connected to the inputs of the Operational Amplifier (OP) or Instrumentation Amplifier (DUT). The amplifier on the op-amp (Fig. 1) suppresses in-phase signals (interference) arriving at its inputs up to 60 dB with the exact equality of the resistances of a pair of matched resistors (R1 = R2). With a spread of the resistance of a pair of 1%, the degree of interference suppression drops to 40 dB. The use of a coil with a winding of several tens of turns (for passive pickups of several thousand) allows you to use the short circuit mode of the coil with a wide band of reproduced frequencies, while the noise immunity of the coil is much higher and the WARNING of interference is maximum.

Для ПОДАВЛЕНИЯ синфазного сигнала выше 100 дБ используют усилитель на ИУ (фиг. 2), при этом требуется также одна пара согласованных резисторов (R1=R2), но, с допуском 0,001%. Коэффициент усиления ИУ задается внешним резистором R. Такой способ используется в патенте США №2015/0068392, кл. G10H 3/18, 2015 г., принятом заявителем за прототип. Резисторы R1 и R2 на схеме в этом патенте не показаны, но совершенно необходимы для обеспечения функционирования усилителя.To suppress the common-mode signal above 100 dB, an IED amplifier is used (Fig. 2), and one pair of matched resistors is also required (R1 = R2), but with a tolerance of 0.001%. The gain of the DUT is set by an external resistor R. This method is used in US patent No. 2015/0068392, CL. G10H 3/18, 2015, adopted by the applicant for the prototype. The resistors R1 and R2 are not shown in the diagram in this patent, but are absolutely necessary for the amplifier to function.

Недостатком существующих активных звукоснимателей является невозможность при промышленном производстве подбирать пары резисторов с максимальной точностью.The disadvantage of existing active pickups is the inability in industrial production to select pairs of resistors with maximum accuracy.

Технической проблемой описанного способа является отсутствие совмещенного максимального ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ и максимального ПОДАВЛЕНИЯ помех и обязательное наличие согласованных резисторов.The technical problem of the described method is the lack of combined maximum WARNING and maximum suppression of interference and the mandatory presence of coordinated resistors.

Поставленная проблема решается тем, что в предлагаемом решении используют катушку звукоснимателя с малым количеством витков и инструментальный усилитель с максимальным подавлением синфазного сигнала, инструментальный усилитель включают по схеме дифференциального трансимпедансного усилителя, за счет чего обеспечивают максимальное предупреждение и максимальное подавление помех.The posed problem is solved in that the proposed solution uses a pickup coil with a small number of turns and an instrumental amplifier with maximum common-mode signal suppression, the instrumental amplifier is turned on according to the differential transimpedance amplifier scheme, thereby providing maximum warning and maximum interference suppression.

Технический результат, достигаемый от использования предлагаемого изобретения, заключается в отсутствии зависимости степени подавления помех от разброса сопротивлений согласованных резисторов и в высокой помехозащищенности, что позволяет практически уничтожить помехи в сигнале звукоснимателя.The technical result achieved from the use of the present invention is that there is no dependence of the degree of suppression of interference on the spread of the resistances of the matched resistors and in high noise immunity, which makes it possible to practically destroy the interference in the pickup signal.

На фиг. 1 изображен активный звукосниматель с дифференциальным усилителем на операционном усилителе (ОУ);In FIG. 1 shows an active pickup with a differential amplifier on an operational amplifier (op amp);

на фиг. 2 - активный звукосниматель с дифференциальным усилителем на инструментальном усилителе (ИУ);in FIG. 2 - an active pickup with a differential amplifier on an instrumental amplifier (DUT);

на фиг. 3 - активный звукосниматель с дифференциальным трансимпедансным усилителем на ИУ;in FIG. 3 - active pickup with a differential transimpedance amplifier on the DUT;

на фиг. 4 - дифференциальный трансимпедансный усилитель на ИУ с согласующим трансформатором на входе.in FIG. 4 - differential transimpedance amplifier on the DUT with matching transformer at the input.

Поставленная задача устранения помех в струнных электромузыкальных инструментах решена нестандартным включением ИУ по схеме дифференциального трансимпедансного усилителя (фиг. 3), который не требует использования согласованных резисторов и позволяет получать максимальное для конкретной модели ИУ ПОДАВЛЕНИЕ помех 100-130 дБ. Уровень помех на его входе минимальный благодаря режиму короткого замыкания катушки звукоснимателя, то есть ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ помех значительное. Общее ПОДАВЛЕНИЕ помех на входе и внутри схемы выше 150 дБ! Дополнительное ПОДАВЛЕНИЕ помех на 30-40 дБ можно получить при замене СИНГЛА на ХАМБАКЕР.The task of eliminating interference in electric string musical instruments is solved by the non-standard inclusion of the DUT according to the differential transimpedance amplifier circuit (Fig. 3), which does not require the use of coordinated resistors and allows to obtain the maximum for a specific DUT interference suppression 100-130 dB. The interference level at its input is minimal due to the short circuit mode of the pickup coil, that is, the WARNING of interference is significant. The total interference suppression at the input and inside the circuit is above 150 dB! An additional 30-40 dB interference suppression can be obtained by replacing the SINGLE with a HAMBACKER.

Дифференциальный трансимпедансный усилитель (фиг. 3) на базе ИУ сочетает высокую помехозащищенность катушки в режиме короткого замыкания (КЗ) и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (более 100 дБ) без дополнительных резисторов. Катушку 1 подключают к выводам 2 ИУ 3, к которым обычно (фиг. 2) подключают резистор R, задающий коэффициент усиления ИУ. Входные (для типового включения согласно фиг. 2) выводы 4 ИУ 3 подключают к «земле» 5. Коэффициент усиления дифференциального трансимпедансного усилителя обратно пропорционален импедансу источника сигнала, то есть катушки звукоснимателя (Zк). Например, для ИУ AD8221 коэффициент усиления равен 49400 Oм/Zк и зависит от количества витков и сечения провода катушки. При уменьшении количества витков катушки соответственно уменьшаются величины импеданса катушки и ЭДС сигнала. Дифференциальный трансимпедансный усилитель снижение ЭДС сигнала автоматически компенсирует. Изменяя количество витков и тип материала магнита, получают разное звучание инструмента.The differential transimpedance amplifier (Fig. 3) based on the DUT combines high noise immunity of the coil in short circuit mode (short circuit) and a high common mode rejection ratio (more than 100 dB) without additional resistors. The coil 1 is connected to the terminals 2 of the DUT 3, to which usually (Fig. 2) a resistor R is connected, which sets the gain of the DUT. The input (for a typical inclusion according to Fig. 2) terminals 4 of the DUT 3 are connected to ground 5. The gain of the differential transimpedance amplifier is inversely proportional to the impedance of the signal source, that is, the pickup coil (Zк). For example, for the AD8221 IU, the gain is 49400 Ohm / Zk and depends on the number of turns and the cross section of the coil wire. With a decrease in the number of turns of the coil, the values of the impedance of the coil and the EMF of the signal accordingly decrease. The differential transimpedance amplifier automatically compensates for a decrease in the emf signal. By changing the number of turns and the type of magnet material, you get a different sound of the instrument.

Использование предлагаемого технического решения позволило практически уничтожить помехи в сигнале звукоснимателя и упростить конструкцию активных звукоснимателей за счет отсутствия согласованных (и вообще каких-либо) резисторов.The use of the proposed technical solution made it possible to practically eliminate the interference in the pickup signal and simplify the design of the active pickups due to the absence of coordinated (and generally any) resistors.

Предлагаемый способ применим для повышения помехозащищенности различных индуктивных датчиков и согласующих трансформаторов 6 (фиг. 4).The proposed method is applicable to increase the noise immunity of various inductive sensors and matching transformers 6 (Fig. 4).

Claims

A method for eliminating interference in electric string musical instruments using a pickup coil with a small number of turns and an instrument amplifier with maximum common-mode rejection, characterized in that the instrument amplifier is included in the differential transimpedance amplifier circuit, thereby providing maximum warning and maximum suppression of interference.