KEMPSTON AY ZX Spectrum – zniekształcenia dźwięku, diagnostyka i naprawa interfejsu audio

Pytanie

Interfejs KEMPSTON AY do ZX Spectrum nie odtwarza dobrze dzwieku

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najczęstszą przyczyną „złego” odtwarzania dźwięku przez interfejs KEMPSTON AY są:
  1) niestabilne lub zbyt niskie zasilanie układu AY-3-8910/12,
  2) uszkodzenia/zimne luty w torze audio i przy złączu krawędziowym,
  3) błędnie ustawione zworki miksujące kanały (ABC/ACB) albo dekodujące porty #FFFD/#BFFD,
  4) zniekształcenia we wbudowanym wzmacniaczu audio.
• Pierwszy krok to pomiar napięć (+5 V), sprawdzenie sygnału zegarowego (~1,7734 MHz), przejrzenie lutów oraz test programem odwołującym się bezpośrednio do rejestrów AY.

Kluczowe punkty
• Sprawdź zasilanie i kondensatory filtrujące.
• Zweryfikuj ustawienia zworek J1/J2 (mikser) i ewentualnych przełączników adresu I/O.
• Oczyść styki interfejs-Spectrum; skontroluj luty pod AY i gniazdem audio.
• Uruchom „AY Test” – brak reakcji wskazuje na problem z dekodowaniem lub samym układem AY.
• Oscyloskopem porównaj przebieg na wyjściach AY z sygnałem po wzmacniaczu.

Szczegółowa analiza problemu

1. Architektura interfejsu

Interfejs KEMPSTON AY łączy:

• układ dźwiękowy AY-3-8912 (czasem YM2149F),
• prostą logikę TTL (74LSxxx) dekodującą porty I/O #FFFD (adres rejestru) i #BFFD (dane),
• generator zegara 1,7734 MHz (zwykle rezonator 3,5469 MHz /2),
• wzmacniacz audio (tranzystorowy lub OP-AMP) z regulacją głośności,
• opcjonalne zworki ABC/ACB miksujące kanały i wyprowadzające stereo.

2. Typowe objawy i ich źródła

1. Całkowity brak dźwięku
    • Brak +5 V na nodze 40 AY – uszkodzony stabilizator 7805 w Spectrum lub przerwany ślad.
    • Brak sygnału zegarowego na nodze 6 – pęknięty kwarc lub uszkodzona bramka dzielnika.
    • Uszkodzona logika dekodowania – brak impulsów /CS na nodze 24 AY (sprawdzić 74LS138/74LS04).

2. Zniekształcenia / charczenie
    • Clipping we wzmacniaczu: zbyt mała impedancja obciążenia, uszkodzone tranzystory BC547/BC557 lub OP-AMP LM386 pracujący przy 5 V bez rezystora ograniczającego wzmocnienie.
    • Wyschnięte kondensatory sprzęgające (1–10 µF) – spadek basu, przydźwięk 100 Hz.
    • Brak wspólnej masy z urządzeniem odsłuchowym – pętle masy, brum.

3. Brak jednego kanału / niska głośność
    • Zworki J1/J2 ustawione na tryb ACB przy programie oczekującym ABC.
    • Uszkodzony rezystor summujący (typowo 1 kΩ) w mikserze.

3. Procedura diagnostyczna

1. Pomiary statyczne
    a) Multimetr: +5 V (±5 %), rezystancja linii masy ↔ wyjście audio (<1 Ω).
    b) Kontrola kondensatorów ESR-metrem (bez wylutowywania jeśli to możliwe).

2. Test programowy (48 K BASIC):

   10 OUT &hFFFD,0 : REM adres rejestru 0
   20 FOR i=0 TO 15 : OUT &hBFFD,i : NEXT i
   30 OUT &hFFFD,1 : FOR i=0 TO 15 : OUT &hBFFD,32 : NEXT i

   Powinieneś usłyszeć skokową zmianę tonu; cisza → problem sprzętowy.

3. Analiza sygnałów
    • Oscyloskop: przebieg prostokątny 0-2 Vpp na pinach kanałów A/B/C (nóżki 12/13/14).
    • Po wzmacniaczu – amplituda 500 mV-1 V rms. Widoczny clipping przy ±ściętym wierzchołku → przester wzmacniacza.

4. Naprawa / modyfikacje

• Wymiana kondensatorów audio (lutownica + odsysacz, 10 µF/16 V low-ESR).
• Dołożenie rezystora 10 Ω szeregowo z wejściem LM386 ogranicza wzmocnienie i redukuje zniekształcenia.
• Jeśli generator zegara zintegrowany z CPU Z80 jest niestabilny, zastosować osobny kwarc 1,7734 MHz oraz dzielnik 74HC74.
• Przy głośnym szumie → filtr RC 100 Ω + 4,7 nF między wyjściem AY a wzmacniaczem.

Aktualne informacje i trendy

• W repozytoriach GitHub (np. „kempston-ay-interface-rev2023”) pojawiły się nowsze PCB z:
  • OP-AMP TS922 w konfiguracji liniowej,
  • stereo „SpecDrum-compatible” i złączem mini-DIN,
  • paskiem LED VU-meter do wizualizacji poziomu.
• Coraz popularniejsze są karty z FPGA-reimplementacją AY (np. „EclaireXL AY Core”), które eliminują problemy ze starymi układami MOS/CMOS.
• Trend „Stereo AY” (tryb ABC/ACB) z niezależną regulacją kanałów – wsparcie w najnowszych demach 2022-2023.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• AY-3-8912 wyprowadza trzy niezależne kanały prostokątne + generator szumu. Ich sumę można modelować równaniem:
  \[ V{OUT} = \frac{1}{3}(A{\text{A}}\cdot d{\text{A}} + A{\text{B}}\cdot d{\text{B}} + A{\text{C}}\cdot d_{\text{C}}) \]
  gdzie \(d\) – współczynnik wypełnienia sterowany rejestrem tonu.
• Wzmacniacz LM386 zaczyna klipować już przy 400 mVpp na 5 V – dlatego warto obniżyć wzmocnienie (rezystor między pinami 1-8) lub zasilać z 9 V (jeśli konstrukcja pozwala).

Aspekty etyczne i prawne

• Modyfikując sprzęt zachowaj oryginalne ROM-y/układy – w wielu krajach ich kopiowanie podlega ochronie prawno-autorskiej.
• Praca na otwartej obudowie Spectrum wymaga odłączenia zasilania – ryzyko porażenia 9 V DC jest małe, ale zwarcie 5 V może uszkodzić ULA/CPU.

Praktyczne wskazówki

1. Diagnostykę zaczynaj od najtańszych elementów: kabel audio, styki, kondensatory.
2. Jeśli nie masz oscyloskopu, użyj „audio probe” (kondensator 100 nF + słuchawki) do śledzenia sygnału.
3. Po każdej ingerencji uruchom test BASIC – minimalizujesz ryzyko jednoczesnego wprowadzenia wielu zmian.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Niektóre wczesne klony KEMPSTON wykorzystują niestandardowe porty (#FFDF/#BFEF); programy domyślnie „milczą”.
• W modelach ZX Spectrum 128K dźwięk AY jest już na płycie; interfejs może wejść w konflikt z wewnętrznym dekoderem → wyjmij interfejs i sprawdź, czy problem nadal występuje.

Sugestie dalszych badań

• Analiza porównawcza jakości audio układów AY vs YM2149F;
• FPGA-core „SAA1099” jako alternatywa – szersze pasmo i 6 kanałów;
• Projekt wspólnego analogowego miksera Spectrum beeper + AY + Covox.

Krótkie podsumowanie

Problemy z dźwiękiem w interfejsie KEMPSTON AY wynikają najczęściej z niedomagań zasilania, uszkodzeń lutów i toru audio lub złej konfiguracji zworek/adresowania. Systematyczna diagnostyka – pomiar + test programowy + analiza sygnału – pozwala w większości przypadków na szybką lokalizację usterki, wymianę kilku kondensatorów bądź korektę ustawień. Jeśli interfejs jest sprawny elektrycznie, warto rozważyć unowocześnienie wzmacniacza audio lub migrację do nowszych rozwiązań stereo AY, dzięki czemu ZX Spectrum zabrzmi tak dobrze, jak to tylko możliwe.