VCO Analogici

VCO Analogici

Leggendo una news che riguarda il SuperBooth di Berlino, è emersa una tendenza durante l’edizione 2018, il ritorno ai sintetizzatori fisici. Hardware, per intenderci, cioè distanti anni luce dai software che ormai imperano nello studio di ogni produttore.

La kermesse tedesca, giunta quest’anno alla terza edizione, e sempre più incentrata su strumenti e diavolerie legate al mondo della musica elettronica e della produzione in genere, ha riportato alla ribalta il valore aggiunto di pulsanti veri, manopole vere, cursori veri e, in genere, del piacere di toccare con mano un sintetizzatore, cioè un apparecchio in grado di plasmare suoni da zero.

Per chi non conoscesse nulla della materia, basti sapere che non esiste produzione da studio, oggi, dove non vi sia almeno una particella di sintesi. Che si tratti di un suono di basso, di un tappeto (pad), un lead o della simulazione di strumenti veri, in particolare chitarre, pianoforti e archi, c’è quasi sempre di mezzo un sintetizzatore.

Dopo alcuni anni passati tra sintetizzatori fatti solo di bit, duranti i quali i modelli hardware hanno rappresentato un mercato di nicchia coadiuvato al più da qualche interfaccia di controllo, ecco sancito il ritorno ai synth più tradizionali. O meglio, tradizionali nella forma, ma innovativi nella sostanza. E fa piacere sottolineare come l’Italia, in questo caso, faccia la parte del leone.

L’interesse della stampa straniera, per dire, è andato a UNO di IK Multimedia.

L’azienda di Modena, in collaborazione con l’altra italiana Soundmachines, ha sviluppato questo sintetizzatore molto promettente, che fa della compattezza e del prezzo aggressivo i suoi principali punti di forza. Senza però dimenticarsi di una dotazione tecnologica all’altezza. Parliamo di una scatoletta delle meraviglie, grande appena 26 x 15 x 5 cm, e dal peso di 300 grammi, dotata di tastiera tuch a 27 pulsanti, arpeggiatore, sequencer, due oscillatori VCO, un LFO, 100 suoni predefiniti di 80 sovrascrivibili e la possibilità di realizzare ottimi suoni analogici, specialmente bassi e lead. Il tutto a 244 euro iva compresa, a partire da Luglio.

Leggendo le caratteristiche ho preso spunto per la pubblicazione di un VCO esponenziale

Il VCO esponenziale

Come creare il sintetizzatore 1V / ottava vecchia scuola.

La musica di oggi viene principalmente realizzata con software per masterizzare tracce, aggiungere strumenti, mixare canzoni, manipolare suoni e molto altro ancora, ma come si usano per fare musica?

La musica era fatta interamente con strumenti REALI come chitarre e pianoforti, ma anche i suoni sintetici hanno lasciato il segno nella scena musicale.

Questi sintetizzatori (a differenza della maggior parte di quelli che troverete oggi) erano tutti analogici, il che significa che, invece di affidarsi a software e processori, la generazione del suono viene effettuata manipolando i segnali elettrici nel dominio del tempo.

Come funziona un vecchio sintetizzatore?

In questo progetto, parlerò in maniera approfondita del cuore del sintetizzatore, il VCO (oscillatore controllato in tensione), che acquisisce tensioni analogiche e genera i suoni grezzi pronti per essere ulteriormente elaborati da filtri, modulatori, moduli ADSR e sequenze di passi.

Tipo di sintetizzatore e teoria musicale

Il sintetizzatore progettato è noto come sintetizzatore 1V / Ottava. Ciò significa che per ogni aumento di 1 V sull’ingresso, la frequenza di uscita aumenterà di un’ottava (cioè di un fattore 2).

Ora che questo modulo funzioni correttamente, ha bisogno di un convertitore esponenziale sull’input. Questo convertitore prende una tensione lineare e produce una tensione esponenziale che viene immessa nel VCO. Perché abbiamo bisogno di un convertitore esponenziale? La risposta è nella natura dell’udito umano e della teoria musicale!

Se si prende un piano e si suona la nota A centrale (A4), viene emesso un tono specifico con una frequenza di 440Hz. Se ora suoni la nota A alla destra di questa (12 note su, A5) la nota suona uguale ad eccezione di un tono più alto e ha una frequenza di 880Hz. (La nota inferiore è un’armonica della nota superiore ed è per questo che suonano bene quando suonate insieme). Ora, se suoni la successiva nota A a destra (A6), la nota suona più acuta della precedente nota A; ha una frequenza di 1760Hz.

Ogni due note identiche separate da 12 tasti è chiamata un’ottava. Per ogni due tasti distanti un’ottava, il tasto superiore avrà una frequenza doppia rispetto alla prima. La ragione di ciò è perché la natura dell’udito umano è logaritmica. Ciò significa che se qualcosa suona due volte più forte, la sua ampiezza (o la sua frequenza nel campo reale) deve aumentare di un fattore due.

Se, ad esempio, aumentassimo la frequenza di una forma d’onda da 1 Hz a 2 Hz, questa sarebbe considerata un’ottava superiore secondo l’orecchio umano. Ma l’aumento di una frequenza di una forma d’onda da 440Hz a 441Hz non si determina un cambio di ottava. In effetti, l’orecchio umano non sarebbe in grado di distinguere tra queste due frequenze perché l’orecchio umano è bravo a cambiamenti relativi piuttosto che a cambiamenti assoluti.

Quindi, con tutta questa complicata teoria, dobbiamo trovare un metodo per incorporare una sorgente di tensione lineare e convertirla in una sorgente di tensione che produce tensioni esponenziali. Per fare questo useremo un componente che ha qualità esponenziali intrinseche, il transistor di giunzione bipolare o BJT.

Il convertitore esponenziale

Quindi abbiamo bisogno di un circuito per assorbire una tensione lineare dalla tastiera / controller e produrre una tensione esponenziale che raddoppia di valore per ogni ottava.

Poiché il nostro VCO opera su una singola linea di alimentazione a 5 V, l’uscita del convertitore deve essere compresa tra 0 V e 5 V. Tale intervallo di input di 5 V, offre la possibilità di usare una tastiera da 5 ottave con un totale di 60 tasti.

La tabella seguente mostra la tensione di ingresso dalla tastiera e la tensione di uscita richiesta dal convertitore.

 

 

Chiave 

Chiave #

1v ottava V

Uscita Expo

Frequenza

C0

1

0,0833

0,1655

65,4078

C # 0

2

0,1667

0,1754

69,2971

D0

3

0,2500

0,1858

73,4177

D # 0

4

0,3333

0,1969

77,7834

E0

5

0,4167

0,2086

82,4086

F0

6

0.5000

0,2210

87,3089

F # 0

7

0,5833

0,2341

92,5005

G0

8

0,6667

0,2480

98,0009

G # 0

9

0.7500

0,2628

103.8284

A0

10

0,8333

0,2784

110.0023

A # 0

11

0,9167

0,2950

116.5434

B0

12

1.0000

0,3125

123.4734

C1

13

1,0833

0,3311

130.8155

C # 1

14

1,1667

0,3508

138.5942

D1

15

1.2500

0,3716

146.8355

D # 1

16

1.3333

0.3937

155.5668

E1

17

1,4167

0,4171

164.8172

F1

18

1.5000

0,4419

174.6178

F # 1

19

1,5833

0,4682

185.0011

G1

20

1,6667

0,4961

196.0018

G # 1

21

1,7500

0,5256

207.6567

A1

22

1,8333

0,5568

220.0046

A # 1

23

1,9167

0,5899

233.0868

B1

24

2.0000

0.6250

246.9468

C2

25

2,0833

0,6622

261.6311

C # 2

26

2,1667

0.7015

277.1885

D2

27

2,2500

0,7433

293.6709

D # 2

28

2,3333

0,7875

311.1335

E2

29

2,4167

0,8343

329.6345

F2

30

2.5000

0,8839

349.2356

F # 2

31

2,5833

0,9364

370.0022

G2

32

2,6667

0,9921

392.0037

G # 2

33

2,7500

1,0511

415.3134

A2

34

2,8333

1,1136

440.0092

A # 2

35

2,9167

1,1798

466.1736

B2

36

3.0000

1.2500

493.8937

C3

37

3,0833

1,3243

523.2621

C # 3

38

3,1667

1.4031

554.3769

D3

39

3,2500

1,4865

587.3419

D # 3

40

3,3333

1,5749

622.2670

E3

41

3,4167

1,6685

659.2690

F3

42

3.5000

1,7678

698.4711

F # 3

43

3,5833

1,8729

740.0044

G3

44

3,6667

1,9843

784.0073

G # 3

45

3.7500

2,1022

830.6268

A3

46

3,8333

2,2272

880.0185

A # 3

47

3,9167

2,3597

932.3471

B3

48

4.0000

2.5000

987.7874

C4

49

4,0833

2,6487

1046.5242

C # 4

50

4,1667

2,8062

1108.7538

D4

51

4,2500

2,9730

1174.6838

D # 4

52

4,3333

3,1498

1244.5341

E4

53

4,4167

3,3371

1318.5379

F4

54

4.5000

3,5355

1396.9423

F # 4

55

4,5833

3,7458

1480.0088

G4

56

4,6667

3,9685

1568.0147

G # 4

57

4,7500

4,2045

1661.2537

A4

58

4,8333

4,4545

1760.0370

A # 4

59

4,9167

4,7194

1864.6942

B4

60

5.0000

5.0000

1975.5747

Il componente che verrà utilizzato per le sue proprietà esponenziali è un BJT. La maggior parte du voi conoscerà l’equazione che collega la corrente di base alla corrente del collettore, ma questa relazione è lineare.

L’equazione che collega la tensione base-emettitore alla corrente del collettore è esponenziale:

Dove

  • Ic – Corrente di collettore
  • Is – Corrente di saturazione
  • q – Carica dell’elettrone
  • Vbe – Tensione base-emettitore
  • k – Costante di Boltzmann
  • T – Temperatura (in kelvin)

Di seguito è riportato lo schema completo del VCO per convertire la tensione lineare in ingresso in una frequenza

Nello schema, mostrato sopra, ci sono tre diversi input che alimentano l’U1.2. È possibile aggiungere ulteriori resistori da 100 K per più ingressi, ma in genere tre dovrebbero essere sufficienti.

  • KEY – Questo è l’input dalla tastiera musicale
  • TUNE – Questo è collegato a un trimmer che può essere utilizzato per effettuare piccole regolazioni della frequenza di uscita (aggiungendo una piccola quantità di tensione)
  • LFO – Oscillatore a bassa frequenza – Questo può essere usato per aggiungere effetti come UFO, sirene della polizia o persino arpeggi

Ecco una semplice spiegazione di come funziona questo circuito:

  • U1.2 è usato per sommare i singoli ingressi (KEY, TUNE e LFO) e scalare la tensione in ingresso in modo che 1V in produca -18mV sull’uscita (si noti che è una configurazione invertente).
  • Q1 e Q2 formano una coppia differenziale.
  • U2.2 viene utilizzato per mantenere la corrente costante attraverso Q1. I cambiamenti nella tensione di base del Q1 portano a corrispondenti cambiamenti nella tensione base-emettitore del Q2 e, di conseguenza, a cambiamenti esponenziali nella corrente del collettore del Q2.
  • Q1 e Q2 DEVONO AVERE UN HFE MOLTO SIMILE!
  • U1.1 è un convertitore corrente-tensione (R9 e R10 sono scelti in modo tale che quando la tensione di ingresso è 5 V, anche la tensione di uscita è 5 V).

Il VCO

Ora è il momento di creare effettivamente un oscillatore controllato tramite una fonte di tensione.

Questo oscillatore ha quattro sezioni:

  • Integratore (U5.1)
  • Inversione del trigger di Schmitt (U5.2)
  • Circuito di reset (Q3)
  • Buffer (U3.1 e U3.2)

Integratore (U5.1)

L’output dell’integratore farà due cose a seconda dello stato di Q3 (e della presenza di una tensione di ingresso) :

  • Se Q3 è spento, C12 si caricherà e quindi l’uscita dell’integratore diminuirà gradualmente.
  • Se Q3 è attivo, C12 si scaricherà e quindi l’uscita dell’integratore aumenterà gradualmente.
  • La velocità con cui l’uscita sale o scende è determinata da C12, R9, R10, R11, R12 e dalla tensione di ingresso.
  • Più grande è tale tensione, più veloci sono le cariche di C2.

Schmitt Trigger (U3B)

Il trigger di Schmitt farà due cose a seconda dell’output dell’integratore:

  • Se l’uscita dell’integratore supera la soglia superiore, l’uscita trigger di Schmitt sarà 0V.
  • Se l’uscita dell’integratore supera la soglia inferiore, l’uscita trigger di Schmitt sarà 5V.

Circuito di ripristino (Q3)

Il circuito di reset Q3 farà due cose a seconda dell’uscita del trigger di Schmitt:

  • Se l’uscita del trigger è alta (5 V), Q3 sarà acceso.
  • Se l’uscita del trigger è bassa (0 V), Q3 sarà spento.

Come oscilla

Il circuito oscilla nel modello elencato di seguito:

  1. Q3 è acceso e quindi l’uscita dell’integratore aumenta.
  2. L’uscita dell’integratore attraversa infine la soglia superiore del trigger di Schmitt.
  3. L’uscita del trigger di Schmitt ora passa a 0V.
  4. Q3 è ora spento e quindi l’output dell’integratore inizia a diminuire.
  5. L’uscita dell’integratore alla fine scende al di sotto della soglia inferiore del trigger di Schmitt.
  6. L’uscita del trigger di Schmitt ora passa a 5V.
  7. Q3 ora si accende (quindi torna al passaggio 1).

Costruzione

Durante la costruzione, ci sono due cose da tenere a mente:

  • Assicurarsi che Q1 e Q2 abbiano valori hFE vicini (entro 10 l’uno dall’altro). Il metodo migliore è quello di utilizzare un multimetro che possa misurare l’hFE.
  • Q1 e Q2 devono essere legati termicamente l’uno con l’altro in modo che il cambiamento termico in uno rispecchi il cambiamento termico nell’altro, nello stampato si vedono con i corpi che si toccano.

Per quanti volessero testare il funzionamento qui sotto ho preparato uno schema facilmente replicabile al simulatore per comprendere a fondo ogni singola scelta ed il perchè del valore di certi componenti.

Tra il simulatore e la realizzazione definitiva ho apportato alcuni cambiamenti dettati dal fatto che il simulatore usa operazionali ideali e nella pratica i comportamenti sono leggermente diversi.

Probabilmente impostando il simulatore con operazionali reali si poteva fare di meglio, a me bastava già arrivare a questo punto col simulatore, il resto del lavoro lo ho fatto con un oscilloscopio a montaggio ultimato, ma il più era fatto ed è bastato modificare il valore di pochi componenti per arrivare al risultato ottimale

Saluti Amilcare

VOTO
1 commento
  1. theremino dice:

    Che nostalgia. Non avendo transistor duali (per il convertitore esponenziale), facevo il possibile per mantenerli alla stessa temperatura, unendoli con un tubetto di rame e infilandoli nel polistirolo. Ma è comunque difficile mantenere intonati questi aggeggi.

    Ho visto schemi molto più complessi, inutilmente complessi, ma questo è uno schema davvero ben studiato. E’ semplice ma ha tutto il necessario per funzionare bene.

    Approvazioni

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