{"id":112,"date":"2019-06-07T18:17:18","date_gmt":"2019-06-07T16:17:18","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/ss2019mo\/?page_id=112"},"modified":"2019-07-11T23:39:28","modified_gmt":"2019-07-11T21:39:28","slug":"steiner-parker-filter","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/Synthaffaere\/filter-plus\/steiner-parker-filter\/","title":{"rendered":"Steiner Parker Filter\u00a0"},"content":{"rendered":"
\n

Filter:<\/strong>
\nF\u00fcr das Projeklabor im Sommersemester 2019 wurde im Rahmen des Projektes
\n„Synthaff\u00e4re“ ein Spannungsgesteuertes Multimode-Filter realisiert. Es
\nbasiert stark auf einem Entwurf von Nyle Steiner, welcher 1974 in der Zeitschrift „Electronic Design“ ver\u00f6ffentlicht wurde. Im Kern handelt es sich um eine
\nSallen-Key-Architektur mit 12 dB\/Oktave Flankensteilheit, bei der das Eingangssignal \u00fcber einen Schalter verschiedenen Punkten der Schaltung zugef\u00fchrt
\nwerden kann, um so Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- oder Allpasscharakteristik
\nzu erzeugen. \u00dcber Potentiometer lassen sich sowohl Cutoff, Lautst\u00e4rke,
\nSteuerspannunglevel sowie G\u00fctefaktor „Q“ des Filters einstellen. Letzteres
\nsogar bis in den Bereich der Selbstoszillation. Es stehen zudem zwei Klinkenbuchsen als Eingang f\u00fcr Steuerspannungen, sowie je eine Buchse f\u00fcr Audio-
\nEin- und Ausgang zur Verf\u00fcgung. Das zugeh\u00f6rige Schaltbild l\u00e4sst sich Abbildung\u00a0 auf der letzten Seite dieses Teils entnehmen. Die resistiven
\nElemente der Sallen-Key-Schaltung, welche die Einstellung der Grenzfrequenz
\nerm\u00f6glichen wurden hier durch ein Diodennetzwerk ersetzt. Diese ver\u00e4ndern bei
\nunterschiedlicher Spannung, welche in Vorw\u00e4rtsrichtung angelegt wird, ihren
\nWiderstand. Ein differenzielles Transistorpaar sorgt durch Phasenausl\u00f6schung
\nmit dem RC-Diodennetzwerk daf\u00fcr, dass die Steuerspannung der Grezfrequenzregelung nicht am Ausgang des Filters anliegt. Insgesamt l\u00e4sst sich der Cutoff \u00fcber den gesamten h\u00f6rbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz einstellen.<\/p>\n

\n

F\u00fcr die Umsetzung im diesj\u00e4hrigen 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.<\/p>\n<\/div>\n

Konstruktion und Entwurf:<\/strong>
\nDa nur wenige Bauteile des von Yves Usson \u00fcberarbeiteten Schaltungsentwurfs[1]
\nf\u00fcr das Filter angepasst werden mussten, verlief der Entwurf des CAD-Layouts
\nin EAGLE durchweg problemfrei. Die gesamte Schaltung wurde auf einer einseitig
\nbest\u00fcckten Platine, auf welcher insgesamt 66 Bauteile verbaut wurden,
\nrealisiert. Diese sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.<\/p>\n<\/div>\n

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Auch die Best\u00fcckung lief weitestgehend problemlos. Lediglich ein Kurzschluss,
\nwelcher durch nicht vollst\u00e4ndige \u00c4tzung der Leiterbahnen entstanden sein kann,
\nmusste behoben werden. Bilder von Ober- und Unterseite der best\u00fcckten Leiterplatte im Euroformat, sowie das EAGLE-Layout der Platine sind den folgenden Abbildungen 47-49 zu entnehmen. Alle verwendeten Potentiometer, Buchsen und Schalter wurden \u00fcber Kabel „fiegend“ mit der Platine verbunden und erm\u00f6glichen so den Einbau in das Geh\u00e4use ohne eine designierte Interfaceplatine.<\/p>\n

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\u00a0 \u00a0 Figure47:Oberseite Platine<\/strong><\/h1>\n

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Figure48:Unerseite Platine<\/strong><\/h1>\n

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Figure49:EAGLE-Layout<\/strong><\/h1>\n

Test der Schaltung:<\/strong><\/h1>\n

Im Anschluss an den Aufbau der Schaltung wurden einige Tests durchgef\u00fchrt um die Funktionalit\u00e4t des Filters zu \u00fcberpr\u00fcfen. Da ausgiebige Untersuchungen zum Verhalten der Schaltung, so wie beispielsweise Analysen von Leistung, Verzerrung, Phasengang etc. den Rahmen des Labors \u00fcbersteigen w\u00fcrden, wurde lediglich auf grundlegende Funktionalit\u00e4t im Sinne eines Moduls von einem Synthesizer zur experimentellen Klangerzeugung getestet. \u00dcber Funktionsgeneratoren wurden hierf\u00fcr Audio- und CV-Eing\u00e4nge 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 H\u00f6rtest wurde durchgef\u00fchrt. Die Abbildungen 25-27 zeigen einige der Ergebnisse der durchgef\u00fchrten Messungen. In Abbildung 25 ist in blau dargestellt ein rechteckf\u00f6rmiges Eingangssignal und in gelb das zugeh\u00f6rige Ausgangssignal bei vollst\u00e4ndig ge\u00f6ffnetem Cutoff. Die Wellenformen gleichen sich fast perfekt. Lediglich eine leichte Verzerrung macht sich bemerkbar. Dieses verhalten ist, jedoch eine gew\u00fcnschte Charakteristik des Steiner-Parker-Filters.
\nWird das Filter als Tiefpass konfiguriert und der Cutoff ein wenig zugedreht,
\nso ergibt sich das in Abbildung 52 zu sehende Ausgangssignal. Es gleicht
\nsich bei fallender Grenzfrequenz immer mehr einem sinusf\u00f6rmigen Signal von
\nder Grundfrequenz des Eingangs an. Dies deckt sich mit dem durchgef\u00fchrten H\u00f6rtest und best\u00e4tigt das Tiefpassverhalten.<\/p>\n

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Figure50:Filter offen<\/strong><\/h1>\n

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Figure51:Tiefpass<\/strong><\/h1>\n

\u00dcber das Resonanzpotentiometer l\u00e4sst sich der G\u00fctefaktor so weit erh\u00f6hen,
\ndass das Filter in Selbstoszillation ger\u00e4t. Die Frequenz dieser Eigenschwingun
\nl\u00e4sst sich wie vermutet \u00fcber den Cutoff-Regler beziehungsweise die CV-Inputs
\nsteuern. Dies kann ausgenutz werden um das Filter als sehr simplen Oszillator zu
\nkonfigurieren. Bei genauer Kalibrierung der Schaltung \u00fcber Trimmpotentiometer
\nauf der Platine l\u00e4sst sich sogar genaues 1V\/Oktave-Tracking \u00fcber mehrere Oktaven erzielen. In Abbildung 52 ist dieses Verhalten zu erkennen.<\/p>\n

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Figure 52: Filter in Selbstoszillation<\/strong><\/h1>\n

Zuletzt wurde das Filter mit einem Signal am CV-Eingang verschaltet um so die Spannungssteuerung zu \u00fcberpr\u00fcfen. Der resultierende Ausgang ist Abbildung 53 zu entnehmen. Auch hier entsprechen die Messergebnisse denen des H\u00f6rtests.<\/p>\n

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Figure 53: Filter mit Steuerspannung am Eingang<\/strong><\/h1>\n

Konklusion:<\/strong><\/p>\n

Der gesamte Prozess, von Entwurf des CAD-Layouts bis zum Aufbau der Schaltung,
\nverlief fast vollkommen problemfrei. Die Schaltung funktioniert genau wie
\nerwartet, und wurde im Rahmen des Zeitplans fertiggestellt. Insgesamt l\u00e4sst sich
\nsagen, dass das gesamte Projekt erfolgreich durchgef\u00fchrt werden konnte.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Figure 54: Schaltplan<\/strong><\/h1>\n
\n

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