Filter:
Für das Projeklabor im Sommersemester 2019 wurde im Rahmen des Projektes
„Synthaffäre“ ein Spannungsgesteuertes Multimode-Filter realisiert. Es
basiert stark auf einem Entwurf von Nyle Steiner, welcher 1974 in der Zeitschrift „Electronic Design“ veröffentlicht wurde. Im Kern handelt es sich um eine
Sallen-Key-Architektur mit 12 dB/Oktave Flankensteilheit, bei der das Eingangssignal über einen Schalter verschiedenen Punkten der Schaltung zugeführt
werden kann, um so Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- oder Allpasscharakteristik
zu erzeugen. Über Potentiometer lassen sich sowohl Cutoff, Lautstärke,
Steuerspannunglevel sowie Gütefaktor „Q“ des Filters einstellen. Letzteres
sogar bis in den Bereich der Selbstoszillation. Es stehen zudem zwei Klinkenbuchsen als Eingang für Steuerspannungen, sowie je eine Buchse für Audio-
Ein- und Ausgang zur Verfügung. Das zugehörige Schaltbild lässt sich Abbildung auf der letzten Seite dieses Teils entnehmen. Die resistiven
Elemente der Sallen-Key-Schaltung, welche die Einstellung der Grenzfrequenz
ermöglichen wurden hier durch ein Diodennetzwerk ersetzt. Diese verändern bei
unterschiedlicher Spannung, welche in Vorwärtsrichtung angelegt wird, ihren
Widerstand. Ein differenzielles Transistorpaar sorgt durch Phasenauslöschung
mit dem RC-Diodennetzwerk dafür, dass die Steuerspannung der Grezfrequenzregelung nicht am Ausgang des Filters anliegt. Insgesamt lässt sich der Cutoff über den gesamten hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz einstellen.
Für die Umsetzung im diesjährigen Projektlabor wurde das originale Design um einen zweiten Signaleingang erweitert. Auf die umsetzung eines Volt-Pro-Oktave-Eingangs im Sinne des Eurorack-Standards wurde verzichtet. Da Es sich um eine Schaltung handelt, welche auf eine bipolare Spannungsversorgung mit 12 V ausgelegt wurde, und die verwendeten Spannungslevel dem Standard des Projektlabors entsprechen, mussten keine weiteren Anpassungen vorgenommen werden.
Konstruktion und Entwurf:
Da nur wenige Bauteile des von Yves Usson überarbeiteten Schaltungsentwurfs[1]
für das Filter angepasst werden mussten, verlief der Entwurf des CAD-Layouts
in EAGLE durchweg problemfrei. Die gesamte Schaltung wurde auf einer einseitig
bestückten Platine, auf welcher insgesamt 66 Bauteile verbaut wurden,
realisiert. Diese sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.
Auch die Bestückung lief weitestgehend problemlos. Lediglich ein Kurzschluss,
welcher durch nicht vollständige Ätzung der Leiterbahnen entstanden sein kann,
musste behoben werden. Bilder von Ober- und Unterseite der bestückten Leiterplatte im Euroformat, sowie das EAGLE-Layout der Platine sind den folgenden Abbildungen 47-49 zu entnehmen. Alle verwendeten Potentiometer, Buchsen und Schalter wurden über Kabel „fiegend“ mit der Platine verbunden und ermöglichen so den Einbau in das Gehäuse ohne eine designierte Interfaceplatine.
Figure47:Oberseite Platine
Figure48:Unerseite Platine
Figure49:EAGLE-Layout
Test der Schaltung:
Im Anschluss an den Aufbau der Schaltung wurden einige Tests durchgeführt um die Funktionalität des Filters zu überprüfen. Da ausgiebige Untersuchungen zum Verhalten der Schaltung, so wie beispielsweise Analysen von Leistung, Verzerrung, Phasengang etc. den Rahmen des Labors übersteigen würden, wurde lediglich auf grundlegende Funktionalität im Sinne eines Moduls von einem Synthesizer zur experimentellen Klangerzeugung getestet. Über Funktionsgeneratoren wurden hierfür Audio- und CV-Eingänge beschaltet, der Ausgang auf einem Oszilloskop dargestellt und schliesslich mit dem Eingangssignal verglichen. Zudem wurde die Schaltung auch mit einem Lautsprecher am Ausgang verschaltet und ein reiner Hörtest wurde durchgeführt. Die Abbildungen 25-27 zeigen einige der Ergebnisse der durchgeführten Messungen. In Abbildung 25 ist in blau dargestellt ein rechteckförmiges Eingangssignal und in gelb das zugehörige Ausgangssignal bei vollständig geöffnetem Cutoff. Die Wellenformen gleichen sich fast perfekt. Lediglich eine leichte Verzerrung macht sich bemerkbar. Dieses verhalten ist, jedoch eine gewünschte Charakteristik des Steiner-Parker-Filters.
Wird das Filter als Tiefpass konfiguriert und der Cutoff ein wenig zugedreht,
so ergibt sich das in Abbildung 52 zu sehende Ausgangssignal. Es gleicht
sich bei fallender Grenzfrequenz immer mehr einem sinusförmigen Signal von
der Grundfrequenz des Eingangs an. Dies deckt sich mit dem durchgeführten Hörtest und bestätigt das Tiefpassverhalten.
Figure50:Filter offen
Figure51:Tiefpass
Über das Resonanzpotentiometer lässt sich der Gütefaktor so weit erhöhen,
dass das Filter in Selbstoszillation gerät. Die Frequenz dieser Eigenschwingun
lässt sich wie vermutet über den Cutoff-Regler beziehungsweise die CV-Inputs
steuern. Dies kann ausgenutz werden um das Filter als sehr simplen Oszillator zu
konfigurieren. Bei genauer Kalibrierung der Schaltung über Trimmpotentiometer
auf der Platine lässt sich sogar genaues 1V/Oktave-Tracking über mehrere Oktaven erzielen. In Abbildung 52 ist dieses Verhalten zu erkennen.
Figure 52: Filter in Selbstoszillation
Zuletzt wurde das Filter mit einem Signal am CV-Eingang verschaltet um so die Spannungssteuerung zu überprüfen. Der resultierende Ausgang ist Abbildung 53 zu entnehmen. Auch hier entsprechen die Messergebnisse denen des Hörtests.
Figure 53: Filter mit Steuerspannung am Eingang
Konklusion:
Der gesamte Prozess, von Entwurf des CAD-Layouts bis zum Aufbau der Schaltung,
verlief fast vollkommen problemfrei. Die Schaltung funktioniert genau wie
erwartet, und wurde im Rahmen des Zeitplans fertiggestellt. Insgesamt lässt sich
sagen, dass das gesamte Projekt erfolgreich durchgeführt werden konnte.
Figure 54: Schaltplan