Guitar Effects Processor ZOOM GFX-8

Danas je nabavljen gitarski efekt procesor GFX-8 japanskog proizvođača Zoom Corporation iz 1999. godine.

Tvrtka Zoom Corporation osnovana je 1983. godine te je i danas prisutna na tržištu. Proizvodi električne uređaje za glazbu poput gitarskih pojačala i efekata, digitalnih snimača, ritam mašina i sličnih audio sučelja.

ZOOM GFX-8 je plasiran na tržište 1999. godine i bio je vodeći model Zoom GFX serije. Riječ je o prilično kompleksnom uređaju u koji je ugrađeno 69 različitih gitarskih efekata i gdje se do 9 njih istovremeno može kombinirati zajedno u neki novi efekt. Osim efekata, GFX-8 je opremljen tonskim ekvilajzerom, šumnim filtrom, MIDI sučeljem i memorijom. U memoriju je upisano 160 fiksnih tvorničkih zvukova, a omogućeno je snimanje/čitanje 80 slobodno programibilnih korisničkih postavki, snimanje semplova do 25 sekundi i slično.

Kad govorimo o gitarskim efektima i sličnim procesorima zvuka ulazimo u područje rezervirano za muzičare koji se bave sviranjem električne gitare i stvaranjem muzike (i drugih zvukova) preko iste. Tako je svaki gitarski efekt dobio neki svoj (zvučni) naziv, a isto tako se koriste i mnogi drugi specifični termini koji opisuju pojedine zahvate na zvuku. Mi se ovdje naravno nećemo baviti muzikom, zvukovima i efektima kao gotovim proizvodima, nego nam je cilj upoznati elektroničko sklopovlje koje jedan takav uređaj sadrži. Koga zanima, lako može na internetu pronaći korisničke upute kao i internetske stranice posvećene isključivo gitarskom efekt procesoru ZOOM GFX-8, te na taj način upoznati sve mogućnosti i načine rada istog. Za nas elektroničare pak gitarski efekti nisu ništa drugo nego više ili manje složeni elektronički sklop koji uzrokuje određene distorzije, izobličenja, uzorkovanja, rezanja, ponavljanja, miješanja, itd. originalnog valnog oblika audio signala ili njegovih dijelova kako bi se dobila nešto drugačija zvučna slika ili zvučni efekt. Elektronički sklop za svaki zvučni efekt je naravno poseban i radi na sebi svojstven način, pa je i svaki takav sklop treba izučavati pojedinačno. Kod analognih gitarskih efekata na ulazni audio signal djeluje se izravno, dok se kod digitalnih efekata audio signal prvo digitalizira preko A/D pretvornika, zatim se digitalno obrađuje (DSP – Digital Signal Processor), te se ponovno pretvara u analogni audio signal preko D/A pretvornika.

Tijekom moje karijere bilo je nekoliko projekata izrade popularnih gitarskih efekata (vibrato, tremolo, fuzz, reverb, delay, eho) no to su bili jednostavni analogni efekti bazirani na nekoliko tranzistora, vrlo često na integriranom krugu 555 i optoparovima kojima bi se dobivao analogni efekt vibrata. Naravno, kao i sve drugo u elektronici, ubrzo je počelo biti neisplativo raditi takve uređaje u samogradnji. Danas se ZOOM GFX-8 ili slični gitarski efekt lako može nabaviti po cijeni 100-200 dolara i nešto u toj klasi je nemoguće napraviti u samogradnji. Istina, postoje gitaristi koji se još uvijek drže analognih gitarskih efekata (slično kao što ima audiofila koji se striktno drže lampaških pojačala), no generalno gledano digitalna obrada zvuka daje nesagledivo više mogućnosti uz puno manju cijenu, a razlika između digitalno i analogno obrađenog zvuka ostat će uvijek tema rasprava između pobornika jednog ili drugog načina.

Ovdje nam je u ruke došao jedan kompleksni digitalni gitarski multi-efekt koji osim raznih integriranih analognih i digitalnih krugova, A/D i D/A pretvarača, mikrokontrolera i memorija također sadrži i specijalno razvijene integrirane krugove u koje su implementirane određene funkcije procesiranja zvuka. Po takvom uređaju se bez dobre servisne dokumentacije i originalnih dijelova nema što petljati, a i tada, ukoliko se pojavi neka sistemska greška istu će biti vrlo teško locirati i otkloniti. Bez servisne dokumentacije mogući su tek eventualni popravci u krugovima stabilizacije i regulacije napona napajanja, analognom dijelu ulaznih i izlaznih pojačala, te su moguće zamjene istrošenih ili neispravnih sklopki, potenciometara, konektora i sličnih vanjskih kontrola.

Naš  ZOOM GFX-8 došao je bez mrežnog adaptera i koliko vidimo potrgan je gumb kontrole za namještanje parametara DELAY/REVERB efekata.

ZOOM GFX-8 napaja se izmjeničnim izvorom 12 V / 500 mA preko DC utikača 6,3/3 mm. Ovaj utikač je malo teže nabaviti (uobičajeni su 5,5/2 mm) pa smo mi iskoristili jedan takav iz seta utikača za prijenosna računala u kombinaciji sa plastičnim tijelom nekog gramofonskog konektora. Mrežni transformator 230/12 V je višak od tko zna kakvog uređaja. U načelu se može iskoristiti i mrežni ispravljač koji daje istosmjerni napon 12 V (kakvi su više uobičajeni), potrebno je samo prespojiti ili izvaditi ispravljačke i stabilizatorske elemente na sekundaru.

Spajanjem napajanja ZOOM GFX-8 je proradio, odnosno natpisi na alfanumeričkom LED displeju slijede odabrane efekte i parametre. Sad je potrebno vidjeti što je s nedostajućim gumbom kontrole za namještanje parametara DELAY/REVERB efekata, pa idemo izvaditi tiskanu pločicu.

Tiskana pločica gitarskog efekt procesora ZOOM GFX-8 možda se na prvi pogled čini posve nedokučivom bez ikakve servisne dokumentacije, no već samom identifikacijom osnovnih integriranih krugova odmah se razluči gdje se što nalazi:

• TMS57070FFT : CMOS 24-bit audio DSP (Digital Signal Processor). Ovaj integrirani krug proizvela je 1995. godine japanska podružnica tvrtke Texas Instruments i do 2000. godine već je bio zastario. Čini se da je bio dostupan samo u Japanu i podaci o istom nikad nisu javno objavljeni, barem ne u potpunosti.
• ZOOM GFX-8-0003 : Specijalno razvijeni integrirani krug za ZOOM GFX-8. Podaci za ovaj čip nikad nisu javno objavljeni.
• MN4117405CSJ-06 : 32 MB DRAM memorije
• 74HCU04A : šest invertera
• HC4040 : 12-bitni asinkroni binarni brojači
• 4052BF : analogni multiplekser/demultiplekser
• AK4522VF : 20-bitni stereo A/D i D/A pretvornik
• 6379 : dvokanalni 16-bitni D/A audio pretvornik
• 2100, 2120, 4556, 4558 : operacijska pojačala
• 7082B : audio pojačalo 0,3 W

Sada vidimo da su na lijevoj strani pločice većinom integrirani krugovi koji sadrže funkcije digitalnog upravljanja i digitalne obrade signala. To je mikrokontroler koji na osnovu podataka sa vanjskih digitalnih kontrola (enkodera) uključuje pojedine funkcije digitalnog procesiranja signala uz pomoć vanjske memorije i specijalnog integriranog kruga sa implementiranim digitalnim efektima, te naravno izravno upravlja alfanumeričkim LED displejom (TMS57070FFT, ZOOM GFX-8-0003, MN4117405CSJ-06). Ovi krugovi čine srce uređaja, no to nažalost specijalizirani integrirani krugovi koji nikad nisu bili dobavljivi izvan originalnih pogona proizvođača, a danas više i ne postoje zalihe istih.

U sredini ploče su sklopovi za napajanje, a na desnoj strani su većinom analogna pojačala za pripremu ulaznog gitarskog signala za digitalizaciju i zatim za  pojačanje ponovno konvertiranih digitalnih signala u analogne audio signale (dvostruka operacijska pojačala 2100, 2120, 4556, 4558, 7082). A/D i D/A audio pretvornici sadržani su u dva integrirana kruga (AK4522VF, 6379), a ostatak su pomoćni krugovi za preklapanja, raspodjelu, multipleksiranje i slično upravljanje sa više analognih ili digitalnih signalnih linija..

Što se tiče kontrole za namještanje parametara DELAY/REVERB efekata vidimo da je riječ o rotirajućoj enkoderskoj sklopki (Rotary Encoder Switch) sa montažom na tiskanu pločicu. Ovo je električki gledano obična mehanička sklopka koja prilikom vrtnje neprestano zatvara i otvara kontakte. Ako ju promatramo spojenu na napon (5 V) onda prekidima napona stvara naponske impulse ili pravokutni naponski signal. Svaki takav (okidni) pravokutni signal mikrokontroler ili kakav drugi logički sklop prepoznaje kao promjenu logičkog stanja koje onda dalje uzrokuje programirane promjene na izlaznim pinovima upravljačke logike. Lijevo i desno okretanje sklopke pak se prepoznaje po različitim fazama pravokutnih signala.

Na našoj enkoderskoj sklopki puknuta je plastična osovina i sada nedostaje taj dio sa vanjskim gumbom. Zamjenski gumb jednakog oblika vjerojatno nećemo nigdje naći, a što se tiče same sklopke imamo dvije mogućnosti: zamjena novom sklopkom ili pokušaj popravka osovine na postojećoj sklopki. Rotirajuće enkoderske sklopke danas su dostupne u širokoj prodaji, no i one se izrađuju u različitim oblicima, dimenzijama, načinima montaže i rasporedu pinova tako da pronaći odgovarajući model neće biti lako. Možda je bolje pokušati pokrpati postojeću sklopku, a zatim testirati da li naš uređaj ispravno radi u svim segmentima i da li je u konačnici onda isplativo dalje ulagati u 3-D printanje ili sličnu izradu novog gumba.

Kao što se vidi na slikama, za početak smo oblikovali jedan plastični štapić u produžetak osovine sklopke, a do kraja ćemo ga obraditi tek kada pronađemo neki gumb što sličniji originalu.

Testiranjem našeg ZOOM GFX-8 utvrdili smo da isti zapravo nije u funkciji, odnosno ne prosljeđuje ulazni signal iz električne gitare na izlaze ni u kom obliku. S lociranjem greške ovdje je najbolje krenuti od  stereo A/D i D/A pretvornika AK4522VF. Ovaj integrirani krug praktično odvaja analogne sklopove uređaja, što su većinom audio pojačala (operacijska pojačala), od digitalnih sklopova za obradu audio signala koji se baziraju na specijalnim DSP čipovima.

Za integrirani krug AK4522VF srećom su dostupni tvornički podaci i na shemi vidimo njegov osnovni spoj.

Iako još ne znamo kako su ulazni audio signali (INPUT, EXTERNAL DIST) dovedeni na dva diferencijalna analogna ulaza A/D pretvornika, nama su ovdje u svakom slučaju interesantni analogni audio ulazi (pinovi 2 i 4) i analogni audio izlazi (pinovi 22 i 23). Tako možemo razlučili da li je kvar u analognim ulaznim ili izlaznim komponentama, odnosno da li je kvar u digitalnim sklopovima.

Analogni ulazni signal u A/D pretvornik integriranog kruga AK4522VF (kao i u većinu drugih A/D konvertera) mora biti “DC biasiran” na određeni naponski nivo. Naime, ako ulazni audio signal ne zauzme kompletni ulazni naponski opseg A/D pretvornika onda se neće dobiti ni puna digitalna rezolucija tog signala. Drugim riječima, na ulazu u A/D pretvornik uvijek mora biti prisutan neki istosmjerni napon (DC bias) čak i kad nema nikakvog izmjeničnog audio signala. Obično se ulazni audio signal biasira preko buffer operacijskih pojačala, a konkretnih spojeva za to može biti na desetke. Ipak, kod svih tih spojeva pravilo je da se DC-bias napon uvijek dodaje audio signalu na ulazima, a ne na izlazima pojačala. Obično se DC napon uvodi preko otporničkog naponskog djelitelja ili kao u našem slučaju preko operacijskog pojačala u spoju naponskog slijedila (pojačala za odvajanje, buffer pojačala) gdje je izlaz pojačala vezan izravno sa invertirajućim ulazom pojačala.

Shema ulaznog bias buffer pojačala preuzeta je iz dokumentacije za integrirani krug AK4522VF. Kod našeg uređaja za tu namjenu se također koristi dvostruko operacijsko pojačalo 2100, no u nešto drugačijem spoju. 

Visina bias napona je obično polovina napona napajanja. Buffer bias pojačalo se kod ZOOM GFX-8 bazira na dvostrukom operacijskom pojačalu NJM2100. Izmjerili smo da čip dobiva napon napajanja od 1,7 V dok je bias napon upola manji i iznosi 0,85 V. Iako NJM2100 može raditi na niskom naponu napajanja (minimalno 1 V) čini se da je ovo ipak prenizak napon napajanja za ovakvu aplikaciju, a pogotovo je nizak napon biasa. Unatoč tome NJM2100 prosljeđuje ulazni audio signal na izlaz i ispravno ga biasira na 0,85 V. Ovdje naravno nema nikakvog pojačanja ulaznog signala (on je čak i nešto oslabljen) što je i za očekivati od operacijskih pojačala u spoju naponskog slijedila.

Ulazno bias buffer pojačalo sa NJM2100. Preko ovog pojačala vodi se samo signal sa gitare (utičnica 6,3 mm), dok se AUX signal (utičnica 3,5 mm) ne digitalizira i ne obrađuje već se izravno prosljeđuje na izlazna audio pojačala. 

Napon napajanja na NJM2100 trebao bi biti 5 V, a bias napon upola manji, dakle 2,5 V. Mi pak smo na vodovima napajanja našeg ulaznog bias buffer pojačala izmjerili napajanje od 1,7 V i bias napon od svega 0,85 V.

Daljnjom provjerom našli smo da neka od operacijskih pojačala koja služe za pojačanje analognih ulaznih i izlaznih audio signala (2100, 2120, 4558, 7082) također dobivaju napon napajanja od svega 1,7 V dok je na nekima izmjereno nominalnih 12 V (4558) ili 17 V (4556, 4558). Također i AK4522VF dobiva samo 1,7 V što je definitivno premalo, mora imati napon napajanja od 5 V.

Krug napajanja sklopovlja unutar ZOOM GFX-8 je relativno jednostavan. Ulazni izmjenični napon ispravlja se preko dvije diode, tako da se preko jedne dobivaju pozitivne, a preko druge negativne poluperiode. Pozitivno ispravljene poluperiode vode se na pozitivni regulator napona 29M05 i dobivamo stabilizirani napon +5V prema zajedničkoj masi.  Negativno  ispravljene poluperiode vode se na negativni regulator napona 79M12A i dobivamo stabilizirani napon -12V prema zajedničkoj masi, a između izlaza +5V i -12V ćemo izmjeriti napon od 17V. Između ulaznih i izlaznih pinova integriranih regulatora napona spojene su zaštitne diode u slučaju kvara. One štite same regulatore  od prevelike struje koju bi izlazni filtarski elektrolitski kondenzator mogao propustiti preko izlaznog pina regulatora u slučaju kratkog spoja ulaznog pina na masu, a također i štite od mogućnosti pojave punog ulaznog napona na izlazu iz regulatora ukoliko dođe do kakvog prekida zajedničkog pina regulatora sa masom. Mjerenjem smo utvrdili da je sa napajanjem sve u redu, no +5V svejedno ne dolazi do pojedinih komponenti gdje je taj napon potreban.

Na regulator za 5 V (29M05) montiran je neki mali rashladni lim, no isti se u radu svejedno prilično grije. Uočava se zatamnjeno područje uslijed zagrijavanja na suprotnoj strani pločice. Možda ne bi bilo loše montirati kakav veći hladnjak na ovaj regulator.

Sa tih +5V napaja se veliki broj komponenti na čitavoj tiskanoj pločici te se ta linija grana na sve smjerove, čas po donjim vezama, čas po gornjim vezama, neki put s obje strane pločice istovremeno. Trebalo nam je preko sat vremena da popratimo sve te veze i vidimo gdje je prekid. Primarno smo tražili prekid u nekoj komponenti (SMD prigušnica, SMD kratkospojnik) koja bi mogla služiti za uvođenje napajanja, no na kraju su prekidi nađeni na samim tiskanim vodovima. Ovi prekidi su bili toliko mikroskopski da ih je golim okom bilo nemoguće primijetiti, osim ako bi se baš ciljano tražili na tom mjestu. Zapravo, čini se da je sve bila posljedica nekog jakog vanjskog udarca u gumb kontrole za DELAY/REVERB, pri čemu je puknula osovina enkoderske sklopke, ali je jednako tako došlo i do (jedva vidljivog) napuknuća tiskane pločice ispod sklopke.

Pokrpali smo vodove za napajanje i sad smo dobili +5V na svim čipovima koji su prije dobivali samo 1,7 V. Međutim, uređaj i dalje ne radi. Pošto AK4522VF sada dobiva svoj nominalni napon ponovno smo testirali njegove analogne ulaze. Preko generatora valnih oblika doveli smo audio signal biasiran na 2,5 V na pin 4 čipa AK4522VF i odavde smo napokon dobili izlazni audio signal sa ukomponiranim efektima. Znači, problem je u pojačalu ulaznog signala. Našli smo da se biasirani gitarski signal dalje vodi na operacijsko pojačalo 2120 i preko njega na analogni ulaz čipa AK4522VF. Problem dakle može biti samo u tom operacijskom pojačalu. Na kraju su električkim ispitivanjem pronađene još tri prekinute tiskane veze koje vode signale na pinove operacijskog pojačala 2120. Ovi prekidi su fizički vidljivi samo povećani pod dobrim mikroskopom.

U konačnici smo pokrpali ukupno 8 prekida na vodovima s obje strane pločice. Sve zakrpe izveli smo sa prelemljenom žicom preko pukotine. Možda je bilo dovoljno i prevući samo čisti lem preko tih sitnih pukotina, no nismo htjeli riskirati ponovno pucanje spojeva. Nakon ovoga naš ZOOM GFX-8 je napokon proradio.

Tijekom testiranja otkrili smo da ekspresijska pedala za RTM (real-time modulation) kontrolu ne uključuje sklopku na svojem krajnjem položaju. Naime, ova pedala kontrolira senzorski par (prijemnik i predajnik) koji ne možemo sa sigurnošću detektirati, no moguće da je riječ o nekom foto-paru. U svakom slučaju na taj način se dobiva signal o trenutnom položaju pedale (ukoliko je pedala bliže senzorima signal će biti jači i obrnuto). Ovisno o odabranom efektu pomaci pedale će uzrokovati drugi efekt. U krajnjem pak položaju (pedala stisnuta do kraja) mora se uključiti sklopka za isključenje RTM funkcije. Primijetili smo da poluga u krajnjem položaju ne pritišće sklopku pa smo i to popravili.

Sada je lako biti pametan te primijetiti kako je odmah trebalo provjeriti pločicu oko sklopke i vidjeti da osim osovine nisu stradale i tiskane veze. No mi smo ovaj uređaj nabavili pod opaskom “valjda ispravan” i nije nam bilo na kraj pameti da su se u unutrašnjosti mogla dogoditi ovakva nasilna mehanička oštećenja, jer se ipak radi o relativno dobro očuvanom uređaju u čvrstom metalnom kućištu. Da nam je prethodni vlasnik dao do znanja kako je došlo do jačeg udarca te je uređaj nakon toga prestao raditi, onda bi svakako krenuli i drugim putem u traženje greške. Kod prvog rastavljanja primijetili smo da nedostaju neki vijci koji fiksiraju tiskanu pločicu što znači da je uređaj već netko rastavljao i moguće pokušavao popraviti. Vjerojatno se odustalo od popravka kad se vidjelo da sama enkoderska sklopka, unatoč svim oštećenjima i dalje radi, a neki drugi mogući problem nije se uočavao.

Već sam napisao da imam neka iskustva sa samogradnjom gitarskih efekata, no ipak ovo što može ZOOM GFX-8 napraviti od gitarskog signala doista nadilazi sve dosege analognih efekata. Vjerujem stoga da će me sada ovaj profesionalni gitarski efekt procesor potaknuti i da malo više vježbam sviranje svoje (nerijetko prašinom prekrivene) električne gitare 🙂