Oszillator
Der hier beschriebene, spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) erzeugt Dreieck, Sägezahn und Rechtecksignale variabler Pulsbreite und wird durch eine an seinem Eingang anliegende Steuerspannung in seiner Frequenz beeinflusst. Wichtig für die Verwendung in einem Synthesizer ist die extrem genaue Linearität zwischen Steuerspannung und Frequenz, die bei diesem Oszillator durch die Verwendung der schnellen, alten aber noch gut erhältlichen 3140-CMOS-OpAmps gewährleistet ist.
Der Oszillator selbst erzeugt Dreiecksignale, die dann durch zwei entsprechende Konverter in Sägezahn- und Rechtecksignale umgewandelt werden. Natürlich lassen sich auch spannungsgesteuerte Oszillatoren aufbauen, die Sägezahnsignale erzeugen, aber die Umwandlung eines Sägezahnsignals in ein Dreiecksignal gleicher Frequenz ist nicht ganz unproblematisch. Im vorliegenden Fall erfolgt auch streng genommen keine „Umwandlung“ in ein Sägezahnsignal: Hier wird ein (halber) Sägezahngenerator durch den Dreieck-Oszillator synchronisiert.
Oszillator-Schaltung
Die Steuerspannung am Eingang (Ucontrol) des Integrators IC1 bewirkt ein lineares Ansteigen der Ausgangsspannung. Übersteigt diese Spannung die Triggerschwelle des nachgeschalteten Komparators IC2, so schließt der mit dem IC 4066 aufgebaute CMOS-Schalter IC7a und die Spannung am invertierenden Eingang wird durch den nun auf Masse gelegten Spannungsteiler R1/R1 verringert. Dies führt zu einem linearen Abfall der Ausgangsspannung bis zu einem Punkt, an dem der Komparator den Schalter wieder öffnet und das Spiel von vorne beginnt, so dass am Ausgang von IC1 ein Dreiecksignal erscheint, dessen Frequenz mit einer Erhöhung der Steuerspannung (maximal ca. ¾ der Versorgungsspannung ) zunimmt.
Die Schaltung funktioniert auch mit anderen OpAmps, ist dann jedoch nicht mehr ganz linear, weil mit zunehmender Frequenz die stets gleichbleibende und von der Steuerspannung unabhängige Schaltzeit dann immer mehr als Störfaktor ins Gewicht fällt. Mit dem Trimmpoti P1 wird das Dreiecksignal genau symmetrisch eingestellt: Die ansteigende Flanke muss genau so lang sein wie die abfallende Flanke. Die Einstellung kann bei gutem Gehör auch akustisch erfolgen: Der vom Oszillator erzeugte Ton muss möglichst sinusförmig klingen. Dies ist nur bei einer einzigen, punktgenauen Einstellung (beide Flanken gleich lang) möglich. In dieser Stellung ist auch die Frequenz des Oszillators (bei konstanter Steuerspannung) am höchsten. Durch C3 wird das Signal von seinem Offset befreit. P6 dient zur Einstellung der Amplitude, die im Sinne eines guten Störabstandes durchaus 4VSS betragen kann. Mit dem Buffer IC6B wird das Signal zur weiter verarbeitenden Stufe (VCA) ausgekoppelt.
Sägezahn-Konverter
Die erste Hälfte des Sägezahnkonverters ist bis auf P2 identisch mit dem Dreieckoszillator. Der dazugehörige Komparator IC4 wird jedoch nicht von IC3 angesteuert, sondern von IC1. Dies hat zur Folge, dass der erzeugte Sägezahn auf die Frequenz des Dreieckoszillators synchronisiert ist. Der Abgleich des Sägezahnkonverters ist jedoch etwas kompliziert, da hier gleich drei Potis exakt aufeinander abgestimmt sein müssen. Stellen Sie P4 zunächst so ein, dass am Ausgang von IC4 relativ schmale, positive Pulse erscheinen. Verstellen Sie nun probeweise die auf Mitte eingestellten Potis P2 und P3 so, dass ein möglichst steiler Sägezahn am Ausgang von IC3 erscheint. Wichtig: Der Sägezahn muss so eingestellt sein, dass er beim Ändern der Frequenz (Steuerspannung) seinen Offset nicht ändert und sich nicht in Y-Richtung verschiebt. Er muss vielmehr am oberen oder unteren Rand „festkleben“. Die oberen bzw. unteren Spitzen des Sägezahns sind dabei leicht abgeschnitten, was jedoch am Klang so gut wie nichts ändert. Dass die steilere der beiden Flanken nicht extrem steil abfällt, sondern einen erkennbaren Anstieg aufweist, ist eher ein Vorteil als ein Nachteil, da dies für einen etwas wärmeren, volleren Klang des Sägezahns ohne die sonst übliche, schneidende Schärfe sorgt. Hier wird das Signal durch C4 vom Offset befreit. Die Einstellung der Amplitude erfolgt mit P8. Das Signal zur weiter verarbeitenden Stufe (VCA) über IC6A ausgekoppelt.
Beachten Sie bitte, dass bei allen 4 ICs von IC1 bis IC4 die Pins für die negative Versorgungsspannung ausnahmsweise nicht mit -15 V (-12 V), sondern mit Masse verbunden sein müssen. Dies gilt nicht für die restlichen ICs des Oszillators (siehe Beschaltung der Versorgungsanschlüsse am rechten Bildrand). Auch beim Sägezahnkonverter ist es wichtig, dass es sich bei den verwendeten OpAmps um die Typen CA 3140 handelt.
Rechteck-Wandler
Die Verwandlung eines Dreiecksignals in ein Rechtecksignal ist sehr einfach und erfolgt durch einen Komparator mit einstellbarer Schaltwelle (IC5). Für IC 5 kann ein beliebiger, möglichst schneller OpAmp eingesetzt werden. Leider stand mir nur ein 741 zum Probieren zur Verfügung – er ist jedoch schneller als der an anderen Stellen von mir eingesetzte OP07. Einen zu langsamen OpAmp erkennen Sie daran, dass die Flanken des Rechtecksignals an seinem Ausgang nicht steil genug sind und nach höheren Frequenzen hin zum Trapez oder gar Dreieck werden. Die Einstellung der Amplitude erfolgt hier mit P7. Auch hier wird das Signal mit einem Buffer (IC6D) ausgekoppelt.
Bei IC6C handelt es sich um einen Addierer für die Schleiferspannung des Potis zur Pulsbreiteneinstellung und ein eventuell hinzu geschaltetes LFO-Signal (langsam laufender Oszillator) zur Pulsbreitenmodulation (Eingang an R9).
Da dem Komparator IC5 über C3 ein nullsymmetrisches Dreiecksignal zugeführt wird, erscheint am Ausgang von IC6D stets ein symmetrisches Rechtecksignal, so lange dem Mischer über das externe Pulswidth-Poti Pext* keine Spannung zugeführt wird. Daran ändert sich auch nichts, wenn man P5 auf einen anderen Wert einstellt, da die Nullsymmetrie des Dreiecks sich auch mit größer oder kleiner werdenden Amplitude nicht ändert. Sobald dem Addierer IC6C über Pext jedoch eine Spannung zugeführt wird, spielt die mit P5 eingestellte Amplitude eine Rolle. Wählen Sie den mit dem Poti Pext in Serie liegenden Widerstand ungefähr so, dass bei Vollausschlag die Pulsbreite so schmal wird, dass gerade noch ein brauchbarer Ton zu hören ist. In der Praxis wird es sich jedoch meist so verhalten, dass der Ton bereits abreißt, bevor sich das Poti am Vollausschlag befindet. Dieser Fehler kann nun durch Verstellen von P5 in engen Grenzen ausgeglichen werden. Der Wert des Vorschaltwiderstandes von Pext hängt natürlich vom Wert des Potis Pext ab, der zwischen 10 k und 100 k liegen darf und am besten individuell ausprobiert werden sollte.
Exponentialkonverter-Hintergrundwissen
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Verdrahtung Teil 1 und Blockschaltbild