Всех приветствую!
При проектировании современных реплик восьмибитных компьютеров (например, ZX Spectrum) или автономных аппаратных плееров музыкальных файлов форматов .pt3/.vtx ключевой задачей является тактирование звукового чипа AY-3-8910 (или его аналога YM2149F).
Выходная частота звуковых каналов микросхемы жестко привязана к основной тактовой частоте встроенными делителями:
Где N — 12-битное число коэффициента деления ноты. Любое отклонение Fclk от исторического стандарта 1,7734375 МГц приводит к нарушению музыкального строя (детонации и фальшивому звучанию интервалов).
В рамках данной разработки рассматривается инженерное решение по синтезу стабильной частоты 1,7734 МГц из системной частоты 10 МГц на базе жесткой ТТЛ-логики. Схема оптимизирована для стопроцентной повторяемости в кремнии и стабильного моделирования в САПР Proteus, где классические аналоговые схемы ФАПЧ (PLL) на базе ГУН демонстрируют неустойчивость симуляции моделей.
1. Теоретическое обоснование и математический расчет
Использование метода дробного деления (с выкусыванием импульсов) недопустимо из-за высокого уровня фазового джиттера, искажающего работу внутренних делителей AY-3-8910. В качестве альтернативы выбран метод прямого цифрового синтеза (DDS), реализуемый на базе полностью цифрового устройства — аккумулятора фазы.
Для обеспечения высокой точности шага перестройки частоты выбрана разрядность аккумулятора R = 12 бит. Это обеспечивает емкость сетки дискретизации в 2¹² = 4096 состояний.
Основное математическое уравнение DDS-синтезатора связывает тактовую частоту Fin, разрядность R и управляющий двоичный код частоты M:
Подставим исходные данные Fin = 10 МГц, Fout = 1,7734375 МГц для нахождения кода M:
Выразим M:
Округляем значение управляющего слова до ближайшего целого числа: M = 726.
Расчет абсолютной и относительной погрешности:
Рассчитаем фактическую частоту на выходе устройства при фиксации M = 726:
Абсолютное отклонение от эталона составляет:
Определим относительную погрешность синтеза:
Относительная погрешность в 0,055% лежит глубоко за границами чувствительности человеческого уха к детонации звука (предел различения высоты тона составляет около 0,1% - 0,2%). Таким образом, математический расчет подтверждает применимость 12-битной архитектуры.
Переведем расчетное управляющее число M = 726 в 12-разрядный двоичный код:
2. Схемотехническая реализация аккумулятора фазы
Для построения схемы на элементах стандартной ТТЛ-логики (серии К155, К555, К1533 или импортных аналогах 74/74LS/74ALS) структура 12-битного аккумулятора фазы разбивается на три параллельные 4-разрядные тетрады.
Спецификация компонентов:
- U1, U2, U5: К155ИМ3 (7483) — 4-разрядные полные двоичные сумматоры с ускоренным переносом.
- U3, U4, U6: К155ТМ8 (74175) — 4-разрядные D-регистры с общим тактом и сбросом.
Схема генератора выглядит следующим образом и была смоделирована в Proteus на базе частоты 10 МГц.
Разработанное устройство прямого цифрового синтеза частоты на базе ТТЛ-сумматоров К155ИМ3 полностью решает проблему нестабильности аналоговых PLL-компонентов в вычислительной среде САПР. Проведенные математические расчеты доказывают минимальную погрешность частоты (0,055%), что гарантирует идеальное соответствие музыкального строя звукового чипа AY-3-8910 оригинальным ретро-платформам. Аппаратная структура устройства готова к физической реализации на печатной плате с использованием современных быстродействующих ТТЛ-серий (например, 74ALS или 74HC).
До новых встреч!