ÄÄNISIGNAALIN MUOKKAUS TRANSISTORI-

POHJAISELLA SÄHKÖKITARAN EFEKTI-

LAITTEELLA

Topi Tikkanen

Opinnäytetyö

Toukokuu 2018

Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma

Sulautetut järjestelmät ja elektroniikka

TIIVISTELMÄ

Tampereen ammattikorkeakoulu

Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma

Sulautetut järjestelmät ja elektroniikka

TIKKANEN, TOPI:

Äänisignaalin muokkaus transistoripohjaisella sähkökitaran efektilaitteella

Opinnäytetyö 25 sivua, joista liitteitä 1 sivu

Toukokuu 2018

Työn tarkoituksena oli tutkia äänisignaalien käyttäytymistä ja muokkausta vahvistinkyt-

kennällä, tarkastella transistorien roolia sen toiminnassa sekä rakentaa efektilaite sähkö-

kitaraa varten.

Efektilaite rakennettiin 60-luvulta tunnetun laitteen kytkentäkaavion pohjalta. Laite va-

littiin sen alkuperäisyyden sekä yksinkertaisuuden takia. Kyseistä laitetta ei myöskään

ole valmistettu kymmeniin vuosiin, ja pienimuotoisen kulttimaineensa vuoksi hinnat van-

hoissa yksilöissä ovat korkealla. Näiden tosiasioiden varjolla laitteen rakentaminen itse

kuulosti hyvältä ja erittäin toteutettavalta ajatukselta. Kyseisestä laitteesta löytyy myös

edellä mainittujen seikkojen vuoksi suuresti dokumentaatiota. Matkalla tavoitteeseen sai

oivan mahdollisuuden tutustua yleisellä tasolla sähkökitarasta saataviin signaaleihin sekä

tutkia erilaisten elektroniikan komponenttien vaikutuksia äänisignaalien aaltomuotoihin.

Kytkennän toimintaa simuloitiin LTspice IV -piirianalyysiohjelmalla ja analysoitiin

TAMK:n tieto- ja viestintätekniikan laboratorion mittalaitteilla. Laitteen toimintaa käyt-

tötarkoituksessaan testattiin myös kotona kitaran ja vahvistimen kera.

Työn ensisijaiseksi tavoitteeksi asetettiin efektilaitteen rakentaminen valmiin kytkentä-

kaavion perusteella. Itse kytkennän lisäksi kaikki muu, kuten kotelointi ja käytännön rat-

kaisut, oli toki suunniteltava itse. Tavoite saavutettiin aikataulun puitteissa, ja lopullisen

laitteen toiminta oli tarkoituksenmukaista.

Asiasanat: elektroniikka, äänisignaali, simulointi, kitara, efektilaite, särö, fuzz

ABSTRACT

Tampereen ammattikorkeakoulu

Tampere University of Applied Sciences

Degree Programme in ICT Engineering

Embedded Systems and Electronics

TIKKANEN, TOPI:

Sound Signal Modification with Transistor-Based Guitar Effects Devices

Bachelor's thesis 25 pages, appendices 1 page

May 2018

The purpose of this thesis was to study the characteristics of sound signals and their mod-

ification with an amplifier circuit, examine the role of transistors in the circuit and to build

a properly functional effects device for an electric guitar.

The effects device was built using the schematic for a well-known 60’s device as a

basis. The original device was chosen for its simplicity and originality, after all it was

one of the first such devices to be widely used and recognized for its characteristic,

highly distorted sound which earned the moniker “fuzz”. The Fuzz Face has not been

manufactured for decades, and the price-tags for the remaining old units are only getting

higher. In light of the aforementioned facts, building the device from scratch

seemed like a good idea, and due to the plentiful documentation to be found for the orig-

inal device, a very accomplishable task as well.

The operation of the circuit was simulated with a free circuit design software called

LTspice IV and analyzed with the measuring equipment found in the laboratory facilities

for the study program of information and communications technology in Tampere Uni-

versity of Applied Sciences.

Building the effects pedal device itself was set as the primary goal of this thesis. Working

towards the goal offered a great opportunity to research the output signals of an electric

guitar on a general level and to study the effects of various electronics components on the

waveforms of sound signals. The goal was reached within the planned schedule and the

final device worked as expected.

Key words: electronics, sound signal, simulation, guitar, effects device, distortion, fuzz

4

SISÄLLYS

1 JOHDANTO ...................................................................................................... 5

2 SUOTIMET JA SÄRÖ ...................................................................................... 6

3 EFEKTIKYTKENTÄ ....................................................................................... 7

3.1 Efektikytkennän perusperiaatteet ............................................................... 7

3.2 Transistorit ja muut komponentit ............................................................... 9

3.3 Kytkennän toiminta .................................................................................. 10

4 TESTAUS JA ANALYSOINTI ...................................................................... 12

4.1 Simulointi ................................................................................................. 12

4.1.1 Vahvistinkytkentä ......................................................................... 13

4.1.2 Taajuusvaste .................................................................................. 14

4.2 Laboratoriomittaukset .............................................................................. 15

4.2.1 Vahvistimen tuloaste ..................................................................... 16

4.2.2 Vahvistimen lähtöaste ................................................................... 18

4.2.3 Taajuusvaste .................................................................................. 21

4.3 Yhteenveto ............................................................................................... 22

5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA .......................................................... 23

LÄHTEET ............................................................................................................. 24

LIITTEET ............................................................................................................. 25

Liite 1. Kytkentäkaavio ................................................................................... 25

5

1 JOHDANTO

Sähkökitarasta saatavan äänen muokkaamiseen on etsitty ja tutkittu mitä erikoisempia

tapoja, ja tuohan jokainen kitarakin oman vivahteensa sillä soitettavaan musiikkiin. Käy-

tetyimpiä muokkaustyökaluja itse kitaravahvistimien lisäksi ovat kuitenkin erilaiset efek-

tipedaalit niiden helppokäyttöisyyden ja yhdisteltävyyden vuoksi.

Lontoolainen Arbiter Electronics Ltd kehitti vuonna 1966 sähkökitaran efektilaitteen ni-

meltään Fuzz Face. Laite tuottaa tunnusomaista, suuresti säröytynyttä ääntä, jota kutsu-

taan tuttavallisemmin ”futsiksi”. Kyseinen efektilaite oli ensimmäisten kitaralle tarkoitet-

tujen jalkakytkimellisten pedaalien joukossa. Vuosien kuluessa laitteesta valmistettiin

muutamia eri versioita, joissa lähes ainoina eroina olivat transistorit ja niiden valmistus-

materiaali.

Tässä opinnäytetyössä itse efektilaite rakennettiin valmiiden piirustusten pohjalta. Syy

tähän lähestymistapaan oli se, että musiikillisesti hyvältä kuulostavan ja tarkoituksenmu-

kaisen vahvistinkytkennän rakentaminen ei onnistu yksinomaan hyväksi havaittuja vah-

vistinsuunnittelun periaatteita noudattamalla. Optimaalinen vahvistinhan ei suinkaan

muuttaisi puhtaasta siniaallosta näin epäsymmetristä ja pieniamplitudista signaalia. Ta-

voitteena oli saada kitarasta ulos juuri tämä tietyltä kuulostava ääni, ja tämän saavutta-

miseksi järkevintä oli aloittaa tutkimalla vanhoja efektilaitteita, joilla kyseinen ääni ai-

koinaan tuotettiin.

Työssä tutustutaan myös yleisellä tasolla kitarasta saataviin signaaleihin sekä äänisignaa-

lien ominaisuuksiin ja muokkaukseen transistoripohjaisilla kytkennöillä, kuten työssä ra-

kennettavalla efektilaitteella. Työn alussa esitetään hieman periaatteita muutamasta kyt-

kennän toimintaan liittyvästä elektroniikan ilmiöstä ja tutkitaan itse efektikytkennän

suunnitteluperiaatteita sekä tarkastellaan sen toimintaa syvemmin. Kytkentää simuloi-

daan tietokoneohjelmistolla sekä tutkitaan mittalaitteilla, ja näistä saatuja tuloksia vertail-

laan, jonka jälkeen tehdään johtopäätöksiä testivaiheen havainnoista.

6

2 SUOTIMET JA SÄRÖ

Efektikytkennän suunnitteluun sekä toimintaperiaatteeseen liittyy olennaisesti muutamia

elektroniikan ilmiöitä. Ali- ja ylipäästösuotimilla on tärkeä tehtävä laitteen oikeanlaisen

toiminnan kannalta, ja niillä myös osaltaan varmistetaan yhteensopivuus muiden signaa-

litiellä olevien laitteiden kanssa. Erilaisia taajuuksien sekoittumisen ja särön ominaisuuk-

sia on tutkittava, jotta voidaan ymmärtää, miksi efektilaitteella muokattu äänisignaali

kuulostaa omanlaiseltaan.

Suodin on piiri, jolla voidaan rajoittaa signaalin kaistanleveyttä ja muokata taajuusvas-

tetta, poistaa häiriöitä sekä vähentää kohinan vaikutusta. Tässä työssä hyödynnetään vas-

tuksilla ja kondensaattoreilla muodostettuja yli- ja alipäästösuotimia.

Rajataajuudella 𝑓𝑐 tarkoitetaan pistettä, jossa signaalin teho on laskenut 3 dB eli toisin

sanoen puolittunut. Käytännössä alipäästösuodin vaimentaa kaikkia 𝑓𝑐:n ylittäviä taajuuk-

sia, kun taas ylipäästösuodin vaimentaa kaikkia 𝑓𝑐:n alapuolella olevia taajuuksia. RC-

suotimen rajataajuus 𝑓𝑐:

𝑓𝑐 =

1

2𝜋𝑅𝐶

(1)

Säröllä ilmaistaan signaalin toistumisen epäpuhtautta. Signaaliin summautuvat häiriöt tai

kohina eivät ole säröä, jota siis syntyy esimerkiksi silloin, kun vahvistin ei pysty toista-

maan signaalia puhtaana ja leikkaa aaltomuotojen huippuja (Karjalainen 1999, 149). Sig-

naalin perustaajuuden monikerrallisia taajuuskomponentteja kutsutaan harmonisiksi. Ra-

kennettavassa efektikytkennässä harmonisella säröllä on suuri merkitys laitteesta saata-

van äänen kannalta.

Keskeismodulaatiosäröä esiintyy epälineaarisessa järjestelmässä, kun signaalissa on

kahta tai useampaa eri taajuutta. Taajuuskomponenttien välinen keskeismodulaatio syn-

nyttää uusia komponentteja harmonisten kerrannaisten lisäksi alkuperäisten signaalien

summa- ja erotustaajuuksille, ja yleisesti ottaen korva kuulee tämän häiritsevänä. Kuiten-

kin tiettyyn pisteeseen asti tätä voi hyödyntää tuomaan ääneen aliharmonisia komponent-

teja.

7

3 EFEKTIKYTKENTÄ

Arbiter Electronics Ltd:n kehittämän sähkökitaran efektilaitteen Fuzz Face:n piiri on ver-

rattain yksinkertainen toisen asteen vahvistin, jossa on negatiivinen takaisinkytkentä.

Syitä efektin ominaiselle toiminnalle tutkittiin ja alkuperäiseen kytkentään tehtiin tarpeel-

lisia muutoksia.

3.1 Efektikytkennän perusperiaatteet

Efektin toiminnan periaate on se, että kun kitaraa soitetaan kevyemmin, leikkautuu siitä

saatava signaali epäsymmetrisesti eli vain toiselta puolijaksolta. Kuultavaan ääneen vai-

kuttaa tässä tilanteessa enemmissä määrin signaalin perustaajuuksien harmoniset kom-

ponentit, jolloin ääni kuulostaa oikein musikaaliselta ja niin sanotusti pehmeämmältä.

Voimakkaammin soitettaessa signaali taasen leikkautuu molemmilta puolijaksoilta, jol-

loin kasvava keskeismodulaatiosärön määrä tuo ääneen terävyyttä ja saa sen kuulosta-

maan aggressiivisemmalta.

Kytkennän ensimmäinen aste eli tuloaste koostuu kytkentäkondensaattorista C1, transis-

torista Q1 sekä kollektorivastuksesta. Alkuperäisessä kytkennässä ensimmäisen asteen

transistorin emitteri on kytkettynä suoraan maihin, mutta tässä työssä virtavahvistuksen

kohdilleen saamisen vuoksi emitteri kytkettiinkin vastuksen kautta maihin. Sisääntulon

kytkentäkondensaattori muodostaa laitteen tuloimpedanssin kanssa ylipäästösuotimen,

joka estää laitteelle haitallisen DC-tason sekä matalataajuisimmat bassoäänet ja muut yli-

määräiset huminat. Tuloimpedanssin 𝑍𝑖𝑛 suuruudeksi mitattiin Hioki 3532-50 LCR Hi-

Tester -laitteella 1 kHz:n taajuudella 4220 Ω, ja kytkentäkondensaattori C1 on suuruu-

deltaan 2,2 μF, joten alarajataajuudeksi 𝑓𝑐 saadaan kaavan 1 mukaan:

𝑓𝑐 =

1

2 · 𝜋 · 𝑍𝑖𝑛 · 𝐶1=

1

2 · 𝜋 · 4220 Ω · 2,2 µF= 17,1 Hz

(2)

Toiseen asteeseen kuuluu transistori Q2, lähdön kytkentäkondensaattori C2 sekä poten-

tiometrit äänenvoimakkuuden ja efektin vahvuuden säätämistä varten. Q2:n kollektorilla

8

on jännitteenjakovastukset, jotta lähtösignaalin amplitudi pysyy kurissa. LTspice IV:llä

mallinnettu efektikytkentä on kuvassa 1 sekä liitteessä 1.

KUVA 1. Efektikytkentä

Negatiivinen takaisinkytkentä aiheuttaa haluttua ääntä ajatellen monia hyödyllisiä asioita.

Kytkennän virtavahvistus saadaan takaisinkytkennän avulla vähemmän riippuvaksi tran-

sistoreille ominaisesta lämpötilavaihtelusta, jonka vaikutuksesta myös epälineaarisuu-

desta johtuva särö vähenee, koska vahvistus on tällöin tasaisempi. Varsinkin laitteessa

alun perin käytetyt germaniumtransistorit ovat erityisen herkkiä lämpötilavaihteluille.

Myös vahvistimen kaistanleveys suurenee, ja ei-haluttujen signaalien vaikutus kytken-

tään vähenee, joten kohina heikkenee.

Laboratoriossa tehtyjen havaintojen pohjalta alkuperäiseen efektikytkentään oli ideoitava

erinäisiä muutoksia. Laitteen oikeanlaisen toiminnan kannalta tärkein muutos oli emitte-

rivastuksen lisääminen ensimmäiselle transistorille. Koska käytetyn transistorin virtavah-

vistuskerroin oli ensimmäiselle asteelle hieman liikaa, leikkaantui lähtösignaali molem-

milta puolijaksoilta jo pienellä tulojännitteellä eli toisin sanoen liian aikaisin. Emitteri-

vastuksen avulla transistorin toimintapiste siirtyi korkeammalle. Käyttöjännitteen syöt-

töön lisättiin alipäästösuodin, jonka on tarkoitus poistaa hakkurivirtalähteen mahdollisesti

aiheuttamia vaihtovirran komponentteja tai häiriöitä tasajännitteeseen (Hakala 2017, 21).

Suotimen rajataajuus 𝑓𝑐 lasketaan kaavalla 1:

9

𝑓𝑐 =

1

2 · 𝜋 · 𝑅 · 𝐶=

1

2 · 𝜋 · 100 Ω · 100 µF= 15,9 Hz

(3)

Käyttöjännitteen alipäästösuotimen rajataajuudeksi saadaan 15,9 Hz, joka tarkoittaa käy-

tännössä kaikkien korvalla kuultavien taajuuksien vaimentumista ei-haluttujen kompo-

nenttien ja mahdollisten häiriöiden osalta.

3.2 Transistorit ja muut komponentit

Efektikytkennässä käytetään bipolaaritransistoreja vahvistimina. Bipolaaritransistori

(BJT) on aktiivinen elektroniikan peruskomponentti. Koska kannan kautta emitterille kul-

kevalla pienellä virralla voidaan säädellä huomattavasti suurempaa kollektorilta emitte-

rille menevää virtaa, on transistori käytännössä virtaohjattu virtalähde eli CCCS (Current

Controlled Current Source). Lineaarisella toiminta-alueella kollektorivirta on suoraan

verrannollinen kantavirtaan, joten transistorin sanotaan tällöin toimivan virtavahvisti-

mena. Tätä varten transistori tarvitsee kuitenkin aina tasajännitelähteen kollektorille. (Sil-

vonen 2009, 137.)

Laitteessa käytettiin alun perin tuohon aikaan yleisiä AC128-germaniumtransistoreita,

joista siirryttiin myöhemmissä erissä luotettavampiin ja tasalaatuisempiin silikonitransis-

toreihin. Virtavahvistuskerroin (hFE) vaihtelee vanhoissa germaniumtransistoreissa suu-

resti, ja oikeanlaista ääntä varten ensimmäisen asteen transistorin hFE:n tulisi olla jota-

kuinkin 60–80 ja toisen asteen 110–130, tai hieman kompressoidumpaa ääntä varten 90–

120 ja 150–190 (ElectroSmash 2017).

Germaniumtransistorit tosin tuovat laitteen ääneen hieman miellyttävältä kuulostavaa

pehmeyttä, joka johtunee osittain siitä, että niissä on tyypillisesti hieman ylimääräistä ka-

pasitanssia, joka käytännössä pyöristää terävien aaltojen reunoja. R. G. Keenin (1998)

mukaan joissain myöhemmissä Fuzz Face:n silikoniversioissa tätä samaa vaikutusta ha-

ettiin kytkemällä pieni, 50–150 pF:n kondensaattori kummankin transistorin kollektorilta

kannalle.

10

Tässä työssä kuitenkin käytettiin BC140-10 TO-38 NPN -silikonitransistoreita. Ääntä tes-

tattiin sekä kollektori-kantakondensaattoreiden kanssa että ilman, ja todettiin, ettei kysei-

siä kondensaattoreita tarvittu pehmentämään ääntä. Transistorien virtavahvistus on koko-

luokkaa 120–160, ja ensimmäisen asteen todellista virtavahvistusta on pienennetty n.

80:een 470 :n emitterivastuksen avulla.

Kytkennässä käytettiin hiili- ja metallikalvovastuksia, joiden toleranssit vaihtelevat 2–5

%:n välillä. Kondensaattoreina hyödynnettiin dielektriltään eli eristemateriaaliltaan muo-

visia sekä elektrolyyttikondensaattoreita. Elektrolyyttikondensaattoreita käytettäessä on

tärkeää ottaa huomioon niiden napaisuus. Potentiometreinä käytettiin äänenvoimakkuu-

den säätöön toiminnaltaan logaritmista ja efektin vahvuuden säätöön toiminnaltaan line-

aarista potentiometriä. Äänenvoimakkuuden säätöön logaritminen on oikea valinta, sillä

myös kuulo toimii käytännössä logaritmisella asteikolla. Efektin vahvuutta säätäessä taas

mahdollisimman tasaisesti muuttuva vastuksen arvo on käytännöllisin vaihtoehto.

3.3 Kytkennän toiminta

Koska toisen asteen transistorin (Q2) kanta on suoraan kytkettynä Q1:n kollektoriin, mää-

rää sen biasointivirran suurimmaksi osaksi Q2:n emitterivastus, joka on tässä tapauksessa

1 k:n potentiometri, jolla säädetään itse efektin vahvuutta. Potentiometrin keskijalasta

on kytkettynä maihin 20 µF:n kondensaattori C3.

Kun potentiometri on asetettuna pienimmille tasoille, suurin osa signaalista kulkee suo-

raan Q2:n emitteriltä 100 k:n takaisinkytkentävastuksen kautta Q1 kannalle, vähentäen

kokonaisvahvistusta. Kun potentiometriä käännetään suuremmalle (kuvassa 1 vastus R6

suurenee ja vastaavasti R5 pienenee), päästää C3 samassa suhteessa enemmän takaisin-

kytkentäsignaalia maihin, jolloin vahvistus on suurempi. Toisin sanoen tämä poten-

tiometri vaikuttaa siihen, kuinka suurella tulojännitteellä lähtö alkaa leikkaantua positii-

visellakin puolijaksolla.

Signaali kulkee Q2:n kollektorilla olevien jännitteenjakovastusten kautta lähdön kytken-

täkondensaattorin C2 ja 440 k:n äänenvoimakkuuden säätöön tarkoitetun potentiomet-

rin muodostaman ylipäästösuotimen läpi ulostuloon. Mitä suuremmalle vastusta käänne-

11

tään (kuvassa 1 vastus R8 kasvaa ja R7 pienenee), sitä tasaisemmaksi muuttuu taajuus-

vaste. Pienemmillä potentiometrin arvoilla eli äänenvoimakkuuksilla taajuusvaste on hie-

man jyrkempi, ja korostaa korkeampia taajuuksia suhteessa enemmän kuin matalia. Läh-

dön kytkentäkondensaattori ja äänenvoimakkuuspotentiometri muodostavat siis ylipääs-

tösuotimen, jonka rajataajuus nousee potentiometrin arvon pienentyessä. Rajataajuus to-

sin nousee merkittävästi vasta aivan pienimmillä potentiometrin vastusarvoilla. Laitteen

lähtöimpedanssi nousee äänenvoimakkuuden pienentyessä.

Laitteen lähdöstä saadaan jännitteenjakovastusten ansiosta amplitudiltaan enimmillään

vain hieman vahvistunutta signaalia sisääntuloon verraten, sillä laite on aina tarkoitus

kytkeä erilliseen kitaravahvistimeen. Laitteessa onkin enemmän kyse signaalin muok-

kauksesta ja värittämisestä muin keinoin sekä siitä, kuinka sisääntulosignaalin amplitudi

vaikuttaa kytkennän toimintaan.

On tarkoituksenmukaista, että efekti voidaan kytkeä jalan painettavalla kytkimellä päälle

tai pois, ja jälkimmäisessä asennossa tulisi kitarasignaalin ohittaa efektikytkentä täysin

(True Bypass). Tätä varten jalkakytkin on mallia 3PDT eli Triple-Pole Double-Throw,

joka tarkoittaa sitä että kytkin on kolmenapainen ja kaksiasentoinen (kuva 2).

KUVA 2. Triple-Pole Double-Throw -painikkeen kytkentä efektin ollessa päällä

Kytkimen liittimet johdotettiin siten, että efektin ollessa pois päältä on piirilevyn tulo ja

lähtö kytkettynä suoraan maihin, ja laitteeseen kytketyt tulo- ja lähtökaapelit suoraan toi-

sissaan kiinni. Näin efektikytkentä on täysin erotettuna signaalitiestä, ja kitaran oma sig-

naali saadaan muuttumattomana vahvistimelle tai esimerkiksi jollekin muulle efektilait-

teelle. Kun efekti kytketään painonapilla päälle, yhdistyy aiemmin ”kellunut” efektin ti-

lasta kertova LED-valo maihin, jolloin valo syttyy. Laitteeseen kytketyt tulo- ja lähtökaa-

pelit yhdistyvät efektikytkennän kautta.

12

4 TESTAUS JA ANALYSOINTI

Kytkentää simuloitiin Linear Technology Corporationin LTspice IV -tietokoneohjelmis-

tolla ja analysoitiin TAMK:n tieto- ja viestintätekniikan laboratorion mittalaitteilla. Lait-

teen toiminnan kannalta tärkeintä oli lähtösignaalin aaltomuoto sisääntuloon verrattuna

sekä taajuusvaste. Myös ensimmäiseltä vahvistinasteelta saatavaa signaalia tutkittiin,

jotta saataisiin parempi ymmärrys kytkennän toiminnasta. Laitteen äänenvoimakkuuden-

säädin asetettiin maksimiarvoonsa ja efektin vahvuus puoleen väliin, koska näillä asetuk-

silla kytkennän toiminta on parhaimmin havainnollistettavissa aaltomuotoja tarkastele-

malla.

4.1 Simulointi

LTspice IV on ilmainen piirianalyysiin tarkoitettu tietokoneohjelmisto, jolla voidaan mal-

lintaa kytkentöjä ja suorittaa laajalti mittauksia optimaalisessa ympäristössä. Eri mittaus-

pisteiden aaltomuotoja aika-akselilla voidaan tutkia ja vertailla Transient Analysis -työ-

kalulla, jossa valitaan haluttu tarkasteltava ajanjakso. Taajuusvasteen tutkimista varten

on työkalu AC Analysis, jossa signaalin voimakkuus esitetään logaritmisen taajuuden

funktiona. Tämä toiminto ei kuitenkaan ota huomioon signaalin säröytymistä, joten taa-

juusvasteen tarkastelemiseksi oli käytettävä FFT-toimintoa.

Hakkurivirtalähteen todelliseksi jännitteeksi mitattiin 9,15 V, joten simulaattorissa käyt-

töjännite asetettiin vastaavasti samaiseen arvoon. Kytkennän tasajännitteen suuruutta tut-

kittiin solmukohdissa sekä transistorien jaloissa (kuva 3). Kuvassa on merkittynä myös

kummankin transistorin kannalle sekä kollektorille kulkevan tasavirran suuruus.

13

KUVA 3. Simuloidun kytkennän DC-pisteet

Simuloinnissa tyydyttiin tärkeimmiltä arvoiltaan, kuten virtavahvistukseltaan, läheisim-

pään transistorimalliin. Tämä ratkaisu tehtiin, sillä todettiin eri transistorien vähäpätöi-

simpien arvojen vaikuttavan tässä kytkennässä hyvin vähän signaalin aaltomuotoihin.

Transistorimallin vastaavuus kytkennässä käytettyihin komponentteihin todettiin myös

alustavalla testillä.

4.1.1 Vahvistinkytkentä

Lähtöasteen transistori saavuttaa ensin saturaation pelkästään signaalin negatiivisella

puolijaksolla (kuva 4) ja hieman kovempaa soitettaessa pehmeä saturaatio saavutetaan

molemmilla puolijaksoilla kuten kuvassa 5. Kevyemmällä soitannalla signaali siis leik-

kautuu epäsymmetrisesti ja tämä kuulostaa hyvinkin musikaaliselta, kun taas voimak-

kaammalla soittamisella koko signaali leikkautuu terävämmin tuoden säröisempää ja me-

tallisempaa vivahdetta ääneen. Tätä toiminnallisuutta voi siis soittaja hyödyntää käsitte-

lemällä sähkökitaraa hellemmin tai kovemmin ottein, kitaran äänenvoimakkuuden sääti-

mellä tai tavallisemmin näitä kahta yhdistelemällä.

14

KUVA 4. Laitteen lähtösignaali kitaran kevyellä soitannalla

KUVA 5. Laitteen lähtösignaali kitaran voimakkaalla soitannalla

Sähkökitara antaa soittaessa sisääntuloon samanaikaisesti useita taajuuksia. Mitä terä-

vämmin signaali leikkautuu, sitä enemmän on keskeismodulaatiosäröä. Hillityllä soitolla

harmoniset särökomponentit korostuvat äänessä enemmän, sillä signaalin aaltomuodossa

on vähemmän teräviä reunoja ja äkkinäisiä muutoksia.

4.1.2 Taajuusvaste

Simulaatiokytkentään lisättiin toinen jännitelähde, ja piiriin syötettiin samanaikaisesti

kahta signaalia. Signaalit olivat amplitudiltaan 60 mV ja taajuuksiltaan 𝑓1 = 300 Hz ja

𝑓2 = 400 Hz. Kyseiset taajuudet valittiin siksi, etteivät ne ole keskenään harmonisia.

Tällä menetelmällä oli tarkoitus tutkia laitteelle ominaista signaalin säröytymistä ja siitä

15

johtuvia erilaisia taajuuskomponentteja. FFT-spektrin korkeimmat piikit ovat tulosignaa-

lin perustaajuudet, ja muut piikit niiden harmonisia kerrannaisia sekä keskeismodulaa-

tiosärökomponentteja. Kuvassa 6 esitetty 100 Hz:n piikki 𝑓A on perustaajuuksien 𝑓2 ja 𝑓1

erotustaajuus ja sen amplitudi on korkea, sillä siihen summautuu myös esimerkiksi sä-

rökomponentit 3𝑓1 − 2𝑓2 sekä 4𝑓2 − 5𝑓1.

KUVA 6. Laitteen lähtösignaalin simuloitu taajuusvaste

4.2 Laboratoriomittaukset

Koekytkentälevylle rakennettua efektikytkentää tutkittiin laboratorion mittalaitteilla.

Käyttöjännite saatiin lopullisessakin laitteessa käytettävästä hakkurivirtalähteestä. Si-

sääntulosignaali otettiin Agilent 33250A -funktiogeneraattorilta ja mittauksia tehtiin

Fluke PM3380B -mallisen oskilloskoopin analogisella puolella sekä Rohde & Schwarz

UPL -audioanalysaattorilla. Kytkennän vastusten koot todennettiin ja tasajännitteet mi-

tattiin yleismittarilla Fluke 75 III.

Tasajännitteen suuruus mitattiin yleismittarilla kytkennän solmupisteistä sekä transisto-

rien jaloista (kuva 7). Myös kummankin transistorin kanta- ja kollektorivirta mitattiin.

Q1:n kollektorijännite näkyy 200 mV simulointitulosta pienempänä, sillä käyttöjännit-

teen syötössä olevan alipäästösuotimen yli jää juuri sen verran enemmän jännitettä kuin

16

simulointituloksessa. Muut eroavaisuudet jännitteissä johtuvat siitä, etteivät simulaatto-

rissa käytetyt transistorimallit täysin vastaa kytkennässä käytettyjä virtavahvistuksiltaan

ja muilta ominaisuuksiltaan.

KUVA 7. Kytkennän DC-pisteet

Hakkurivirtalähde tarjoaa efektilaitteelle 9,15 V:n käyttöjännitteen. Sisääntulosignaaliksi

syötettiin funktiogeneraattorilta amplitudiltaan 20–100 mV:n suuruista ja 1 kHz:n taa-

juista siniaaltoa. Kuten aiemmin todettu, kytkentää oli testattava erisuuruisilla sisääntu-

losignaaleilla, jotta saataisiin dokumentoitua efektin toiminnan vaihtelu suhteessa erilai-

seen soitantaan.

4.2.1 Vahvistimen tuloaste

Oskilloskoopin ensimmäinen kanava CH1 kytkettiin mittapäällä kytkennän sisääntuloon

ja toinen kanava CH2 ensimmäisen transistorin kollektorille, sillä tarkoituksena oli mitata

sisääntuloasteelta saatavaa signaalia. Syötettiin kytkentään amplitudiltaan 20 mV:n sig-

naalia (kuva 8). Tässä nähdään niin sanottu perusmuoto ensimmäiseltä asteelta saatavalle

signaalille. Transistori saturoituu kevyesti positiivisella puolijaksolla negatiivisen puolis-

kon pysyessä muodoltaan siniaaltoa vastaavassa tilassa. Signaali on amplitudiltaan vielä

verrattain pientä.

17

KUVA 8. Q1:n kollektorilta saatava signaali 20 mV:n tulojännitteellä

Kun tulosignaali on amplitudiltaan 80 mV, negatiivinenkin puolijakso leikkautuu jo sel-

västi, ja sen amplitudi on lähellä maksimiaan (kuva 9).

KUVA 9. Q1:n kollektorilta saatava signaali 80 mV:n tulojännitteellä

Efektin vahvuuden (Fuzz) muutoksen vaikutus signaaliin havainnollistuu selkeimmin,

kun kytkentään syötetään keskisuuruinen jännite ja tutkitaan signaalin aaltomuotoa eri-

suuruisilla efektin voimakkuuksilla. Tulojännite asetettiin 50 mV:n amplitudiin ja signaa-

lia Q1:n kollektorilla mitattiin vahvuuden ollessa minimissään, puolessa välissä ja mak-

simissaan (kuva 10). Huomataan säätimen toimivan oikein, kun efektin vahvuuden lisäys

eli samalla kokonaisvahvistuksen kasvatus vie transistorin toimintapisteen korkeammalle

aaltomuodon leikkautuessa sen takia aikaisemmin.

18

KUVA 10. Efektin vahvuuden vaikutus tuloasteen signaalin aaltomuotoon

4.2.2 Vahvistimen lähtöaste

Laitteelta ulos saatavan signaalin tarkastelua varten siirrettiin oskilloskoopin toinen ka-

nava laitteen ulostuloon eli äänenvoimakkuutta kontrolloivan potentiometrin keskimmäi-

selle jalalle. Mittaukset aloitettiin jälleen amplitudiltaan 20 mV:n suuruisella sisääntulo-

jännitteellä (kuva 11). Laitteen lähdön signaali on Q2:n kollektorivastusten jännitteenjaon

takia noin kolme kertaa pienempää kuin ensimmäiseltä asteelta saatava signaali.

KUVA 11. Lähtösignaali amplitudiltaan 20 mV:n sisääntulolla

Kuten tarkoituskin, huomataan että heikolla tulosignaalilla lähtö saturoituu negatiivisella

puolijaksolla, mutta positiivinen puolijakso pysyy verrattain muuttumattomana. Aalto-

muodosta huomioidaan myös negatiivisen puolijakson ominainen, hieman nouseva suora.

19

Puolijakso ei siis leikkaudu täysin tasaisesti kondensaattorien purkautumisen seurauk-

sena, ja tämäkin yksityiskohta tuo ääneen tietynlaisen vivahteen.

Kun laitteeseen syötetään 40 mV:n tulojännitettä, alkaa lähdön positiivisellakin puolijak-

solla ilmenemään kevyttä leikkautumista. Negatiivinen puolijakso pysyy edelleen satu-

roituneena (kuva 12).

KUVA 12. Lähtösignaali amplitudiltaan 40 mV:n tulojännitteellä

Kun tulon amplitudi on 60 mV, lähtöjännitteen aaltomuoto on lähestulkoon sellaisessa

muodossa, josta se ei enää suuremmin muutu (kuva 13). Positiivisenkin puolijakson

huippu on tässä pisteessä leikkautunut täysin, ja laitteesta saatavan äänen pitäisi nyt kuu-

lostaa terävämmältä ja erittäin säröytyneeltä. Tästä eteenpäin tulojännitteen lisääminen

lähinnä vie aaltomuotoa vielä enemmän puhtaan kanttiaallon suuntaan, kun nousu- ja las-

kureunat suoristuvat sisääntuloasteen negatiivisen puolijakson saturoitumisen seurauk-

sena. Huippuja leikkaavat suorat pysyvät silti kaltevina.

20

KUVA 13. Lähtösignaali amplitudiltaan 60 mV:n sisääntulolla

Tulojännitteen amplitudiksi asetettiin 50 mV. Kytkennän lähtösignaalia mitattiin, kun

Fuzz oli minimissään, puolessa välissä ja maksimissaan (kuva 14). Kuvassa molemmat

oskilloskoopin kanavat on skaalattu 100 mV:iin ruutua kohden. Säädin toimii odotetusti,

kun efektin vahvuutta lisäämällä kokonaisvahvistuksen kasvatus saa aaltomuodon leik-

kautumaan aikaisemmin, koska transistorin toimintapiste nousee.

KUVA 14. Efektin vahvuuden vaikutus lähtöasteen signaalin aaltomuotoon

21

4.2.3 Taajuusvaste

Fast Fourier Transform (FFT) on algoritmi, joka jakaa signaalin taajuuskomponent-

teihinsa. Taajuusvastetta mitattiin Rohde & Schwarz UPL -audioanalysaattorilla. Kytken-

tään syötettiin analysaattorin generaattorilähdöstä Multisine-toiminnolla kahta eri taa-

juista 60 mV:n sinisignaalia ja samanaikaisesti analysaattori mittasi kytkennän lähtösig-

naalia ja esitti sen FFT:n avulla taajuuden funktiona (kuva 15). Tulosignaalien perustaa-

juudet 𝑓1 = 300 Hz ja 𝑓2 = 400 Hz näkyvät spektrissä korkeimpina piikkeinä. 100 Hz:n

piikki 𝑓A on perustaajuuksien 𝑓2 ja 𝑓1 keskeismodulaation aiheuttama erotustaajuus, johon

summautuu myös esimerkiksi särökomponentit 3𝑓1 − 2𝑓2 sekä 4𝑓2 − 5𝑓1. Spektri vastaa

simuloinnin tuloksia.

KUVA 15. Efektilaitteen lähtösignaalin taajuusvaste

Käyttöjännitehaaran suotimesta huolimatta laboratorion lukuisat laitteet häiritsevät mitat-

tavaa signaalia, ja tästä johtuen spektrissä on verkkovirran 50 Hz:n taajuudella kumpu.

Lopullista laitetta testatessa verkkovirrasta ei kuitenkaan aiheudu kuultavissa olevaa häi-

riötä.

22

4.3 Yhteenveto

Alustavien laboratoriomittauksen avulla havaitut epäkohdat korjattiin luvun 3.1 lopussa

mainituilla muutoksilla. Mittalaitteilla saadut tulokset vastasivat suurimmaksi osaksi si-

muloituja tuloksia, tosin laboratorioympäristön häiriöt aiheuttivat avonaiseen kytkentään

jonkin verran kohinaa.

Taajuusvasteen tutkimisella havainnollistettiin onnistuneesti kitarasignaalin säröytymistä

efektilaitteessa. Laitteen lähtösignaalin aaltomuoto ja sen muutokset sisääntulosignaalin

amplitudin sekä efektin vahvuuden mukana vastasivat jopa hämmästyttävän tarkasti sekä

oletuksia että simuloiden saatuja tuloksia.

Komponentit juotettiin täpläkuparoidulle piirilevylle ja asennettiin valualumiiniseen ko-

teloon, johon istutettiin efektin kytkimenä toimiva painike ja siitä kertova LED -valo,

potentiometrit äänenvoimakkuuden ja efektin vahvuuden säätöä varten sekä liittimet vir-

ransyöttöä ja signaaliteitä varten. Alumiininen umpikotelo vähentää omalta osaltaan ul-

kopuolisista häiriöistä johtuvaa kohinaa.

23

5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA

Työssä tutkittiin äänisignaalien muokkausta sekä niiden käyttäytymistä vahvistinkytken-

nässä. Ymmärrys bipolaaritransistoreista syveni, kun erimallisia transistoreita oli vertail-

tava toisiinsa ja niiden ominaisuuksia tarkasteltava kytkennän toiminnan kannalta.

Alkuperäiseen 60-luvun efektikytkentään jouduttiin ennalta-arvaamatta tekemään muu-

tamia muutoksia käytettyjen transistorien takia, mutta kyseisillä muutoksilla laite saatiin

kuin saatiinkin toimimaan odotetulla tavalla. Tämä oli loppujen lopuksi hyvä asia, sillä

ratkaisuja etsiessä opittiin uusia asioita, ja vastaisuudessa samankaltaisten efektilaitteiden

suunnittelu ja rakentelu on nyt astetta helpompaa.

Mittaustulokset vastasivat, varsinkin aaltomuotojen osalta, erittäin hyvin simuloinnilla

saatuja tuloksia. Jokaiselta sähkökitaralta saatava äänisignaali on erilainen ja kitaravah-

vistinten vaikutukset signaaleihin vaihtelevia. Valmista efektilaitetta testattiin oikeassa

käyttötarkoituksessaan ja se toimi suurimmaksi osaksi juuri kuten odotettiin. Testaus suo-

ritettiin kuitenkin vain yhdenlaisen kitaran ja vahvistimen kanssa, joten voidaan olettaa

että joillain yhdistelmillä se ei suoriudu tehtävästään yhtä hienosti, joskin efektin vah-

vuutta muuttamalla voidaan jollain tasolla mukauttaa laitetta eri kokoonpanoille. Vastaa-

vasti tietyllä yhdistelmällä saattaa se kuulostaa vieläkin paremmalta.

24

LÄHTEET

ElectroSmash 2017. Fuzz Face Analysis. Luettu 10.04.2018.

https://www.electrosmash.com/fuzz-face

Hakala, K. 2017. Kitaraefektilaitteen toteutus ja analysointi. Tietotekniikan koulutusoh-

jelma. Tampereen ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö.

Karjalainen, M. 1999. Kommunikaatioakustiikka. Espoo: Teknillinen Korkeakoulu,

Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio.

Keen, R.G. 1998. The Technology of the Fuzz Face. Luettu 26.04.2018.

http://www.geofex.com/article_folders/fuzzface/fftech.htm

Silvonen, K. 2009. Elektroniikka ja puolijohdekomponentit. Helsinki: Hakapaino.

25

LIITTEET

Liite 1. Kytkentäkaavio