Der Voltage Controlled Oscillator (kurz VCO) ist eines der wichtigsten Elemente eines Synthesizers. Er erhält eine Steuerspannung über einen Input Select aus verschiedenen Schaltungen (midi2cv, Ribbon-Controller oder Sequencer) und erzeugt daraus ein Signal mit passender Frequenz. Dieses gibt er an den Mixer weiter.
Der MonoToni arbeitet mit zwei parallelen VCOs, die verschiedene Signalformen an den Mixer weitergeben. Dort können die Signale dann nach Bedarf gemischt werden.
Ein Oszillator kann periodische Signale erzeugen, zum Beispiel eine Sinusschwingung. Manchmal spricht man auch von Funktionsgeneratoren. In dem Beispiel der Sinusschwingung wäre es ein Sinusgenerator.
Da wir einen subtraktiven Synthesizer (vom Basissignal werden Obertöne abgezogen) bauen ist es wichtig, dass im Basissignal schon recht viele Obertöne vorhanden sind. Wir wollen daher Dreieck, Rechteck und Sägezahnschwingungen erzeugen können.
Normale Oszillatoren kann man mit z.B. Kippschaltungen realisieren. Bei uns ist die Besonderheit, dass die Frequenz über die Spannung gesteuert werden muss, da wir als Eingangssignal eine Steuerspannung ("control voltage") übergeben bekommen, die unsere Frequenz bestimmt.
Grundsätzlich gibt es natürlich sehr viele verschiedene Arten einen VCO aufzubauen, aber ein paar Grundkonzepte kommen häufig vor. Ein VCO besteht dabei aus drei unterschiedlichen Bestandteilen, denen man verschiedene Funktionen zuordnen kann.
Wie gesagt bekommen wir als Eingangssignal eine Gleichspannung, die die Frequenz am Ausgang steuern soll. Der Zusammenhang zwischen beiden ist exponentiell und pro Volt soll sich der Ton um Oktave erhöhen.
Die drei Bestandteile eines VCOs sind der Exponential Converter, der eigentliche VCO und verschiedene Waveshaper.
Als Eingang hat unser VCO eine Steuerspannung. Diese ist im Verhältnis zur Frequenz exponentiell definiert. Das bedeutet, dass wir ein Signal mit 1 Volt/Oktave bekommen und dieses in ein Signal wandeln, dass linearer zur Frequenz ist. Hierzu dient der Exponential Converter.
Im eigentlichen VCO wird spannungsabhängig ein periodisches Signal erzeugt. Das geschieht bei uns über einen Kondensator, den wir entweder mit einem Integrierer oder einer Stromquelle linear über die Zeit aufladen. Das Signal vergleichen wir mit einem Komparator und entladen den Kondensator wieder, wenn die Spannung eine vorgegebene Referenzspannung überschreitet. Dadurch erhalten wir einen Sägezahn oder ein Dreieck. Es gibt dabei auf das Verhältnis von Lade- und Entladezeit an.
Aus dem im VCO gewonnenen Grundsignal kann man nun mithilfe eines Waveshapers weitere Signalformen generieren. Mit Logikbausteinen kann man sich ein Rechteck erzeugen und mit Filternetzwerken ein Sinussignal.
Wir benutzen als ersten VCO eine Schaltung, bei der ein Integrierer verbaut ist. Ein Komparator vergleicht im zweiten Teil der Schaltung die integrierte Spannung mit einer Referenzspannung und schaltet ggfs. mit einem FET, so dass der Kondensator wieder entladen werden kann. Bei dieser Schaltung liegt am Kondensator eine Dreiecksspannung an und am Ausgang eine Rechteckspannung.
Der zweite VCO gibt am Ende einen Sägezahn (Sawtooth) und ein Rechteck, was in der Breite moduliert werden kann, aus. Einen Sägezahn kann man mit einem Integrierer erzeugen. Das Rechteck haben wir mit einem Komparator davon abgeleitet. Die Referenzspannung des Komparators bestimmt dabei die Breite des Rechtecks. Diese kann man mit einem Potentiometer per Hand einstellen.