Unter einem Filter versteht man in der Elektronik eine Schaltung, welche bestimmte Frequenzen bzw. Frequenzbereiche abschwächt. In einem Synthesizer spielen Filter eine zentrale Rolle und dem Sound eine Struktur zu geben. Sie werden genutzt, um aus den Tönen des Oszillators bestimmte Frequenzbänder zu selektieren und durch beispielsweise Resonanzüberhöhungen zu modifizieren. Sie spielen somit in der Klangerzeugung eines Synthesizers eine zentrale Rolle.
Aufgabenstellung
Aufgabe ist es, ein funktionierendes Filtermodul zu entwerfen und anschließend auf eine Platine zu bringen. Die Mindestanforderung für ein derartiges Audio-Filtermodul ist die variable Grenzfrequenz, damit beliebige Frequenzen gefiltert werden können. Da ein einzelnes Filter mit variabler Grenzfrequenz jedoch nur hohe oder tiefe Frequenzen filtern kann, werden mindestens zwei derartige Schaltungen benötigt: ein Hochpass- und ein Tiefpassfilter.
Des Weiteren sollen jeweils ein weiteres spannungsgesteuertes Hoch- und Tiefpassfilter in einer komplexeren Filtertopologie mit einem interessanteren Klangbild und variabel einstellbarer Resonanz realisiert werden. Hierbei werden die Filter aus dem bekannten KORG-Synthesizer MS-20 aus den 80ern zum Vorbild genommen. Der hier durch Dioden realisierte Klang der Resonanz macht diesen Synthesizer einzigartig.
Blockschaltbild
In der Abbildung ist das funktionale Blockschaltbild des Filtermoduls dargestellt. Es umfasst zwei Sallen-Key Filter mit variabler Grenzfrequenzverstellung und zwei spannungsgesteuerte MS-20 Filter mit variabel einstellbarer Grenzfrequenz sowie einer regelbaren Resonanz. Aus der Abbildung wird die Vernetzung der Gruppe zu den anderen Gruppen ersichtlich. So werden z.B. die im Oszillatormodul erzeugten Töne im Filtermodul verarbeitet und an die Effekte ausgegeben. Die Steuerspannung kann z.B. vom µControlller aus dem Outputmodul kommen. Wichtig zu verstehen hierbei ist, dass es sich um einen modularen Synthesizer handelt, die Module also auf beliebige Weise aneinander angeschlossen werden können. Auch weitere Module können verwendet werden, man ist nicht auf die im Rahmen dieses Projektlabors entwickelten Module beschränkt.
Filter – Sallen Key Filter
Zunächst sollen jeweils ein Hoch- und ein Tiefpassfilter in Sallen-Key Struktur mit variabler Grenzfrequenz entworfen werden. Die ersten beiden Abbildungen im nächsten Kapitel zeigen die Schaltbilder von Hoch- und Tiefpassfiltern in der Sallen-Key Architektur.
Die Grenzfrequenz eines Sallen-Key Filters lässt sich über
bestimmen. Um diese Gleichung weiter zu vereinfachen, werden
R1 = R2 und C1 = C2 gewählt. Daraus folgt:
Es ist zu erkennen, dass die Grenzfrequenz direkt von dem Wert der Widerstände R abhängt. Somit kann ein duales Potentiometer mit zwei verstellbaren Widerständen genutzt werden, um die Grenzfrequenz zu einzustellen.
Schaltplan
Zunächst wurde die Wirkung eines Potentiometers als Widerstand im Hoch- und im Tiefpassfilter in LTspice simuliert. Dabei wurde durch Ausprobieren die Kombination Rmax=15kΩ und C=1 µF als zielführend ermittelt. In den Abbildungen und sind die simulierten Amplitudengänge der Filter für Widerstandswerte zwischen 0Ω und 15kΩ dargestellt.
Da die Simulation die gewünschte Funktionsweise der entworfenen Schaltungen bestätigte, wurden die Filter zunächst auf einem Steckbrett aufgebaut und auf korrekte Funktionsweise unter realen Bedingungen getestet.
Die in Abbildung 4 zu sehende Erhöhung bei höheren Signalfrequenzen und niedriger Grenzfrequenz konnte auf dem Steckbrettaufbau nicht nachgewiesen werden, dies könnte der auf Kleinsignalersatzschaltbildern basierenden AC-Analyse von LTspice geschuldet sein.
Anschließend wurden die Schaltpläne in EAGLE gezeichnet, aus denen später das Platinenlayout erstellt wird. Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die Schaltpläne (engl. schematics) der Filter.
Filter – MS-20 Filter
Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Anschließend sollen jeweils ein Hoch- und ein Tiefpassfilter in der spannungsgesteuerten MS-20 Filtertopologie (VCF, engl. voltage controlled filter) mit variabler Grenzfrequenz und einstellbarer Resonanz entworfen werden. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen die Schaltbilder von Hoch- und Tiefpassfiltern in der MS-20 Topologie.
Der einzige Unterschied zwischen Tief- und Hochpass in dieser Topologie besteht darin, wo das Eingangssignal angeschlossen wird, der restliche Schaltungsaufbau ist identisch.
Schaltplan
Die in dem Schaltbildern auftauchenden LM13700 ICs sind sogenannte Transkonduktanzverstärker (OTA, engl. operational transconductance amplifier), welche ähnlich wie Operationsverstärker die Differenz am Eingang verstärken. Im Unterschied zum Operationsverstärker besitzt der OTA einen stromquellenartigen Ausgang. Die Verstärkung des OTA (Transkonduktanz gm) kann über den sog. amplifier bias current Iabc eingestellt werden.
Die variable Resonanz wird über den unteren Rückkopplungszweig mittels Dioden realisiert. Diese Resonanz ist das klangliche Alleinstellungsmerkmal des MS-20 Filters und einer der Gründe, darum der MS-20 Synthesizer auch heutzutage noch in einigen Musikrichtungen gerne eingesetzt wird.
Über das in Abb. 8 mit den Widerständen R17 und R18 modellierte Potentiometer wird der Signalfluss durch diesen Pfad gesteuert, somit also der Anteil des Resonanzpfades im ausgehenden Signal eingestellt.
Die Operationsverstärker (hier noch NE5532, später in EAGLE TL074) dienen als Buffer, um den Stromausgang der OTAs nicht zu belasten und so möglicherweise das Ausgangssignal zu verfälschen. Die Abbildungen 10 und 11 zeigen den Frequenzgang der MS-20 Filter mit leichter Resonanz (Die Resonanzüberhöhung in Abb. 10 bei f ∽ 2.19kHz ist nicht intentional und konnte auf dem Steckbrett nicht reproduziert werden.) für Kontrollspannungen (CV, engl. control voltage) von 0V bis 5V.
Die folgenden Abbildungen 12 und 13 verdeutlichen den Einfluss der variablen Resonanz auf den Frequenzgang der Filter. Für die Steuerung der Resonanz wird hier ein 100kΩ Potentiometer genutzt, es wurden mehrere Potentiometerstellungen zwischen vollständig geschlossen und vollständig geöffnet simuliert.
Die Simulation bestätigt die vollständige Funktionstüchtigkeit der Filterstufen, daher wurden anschließend auch die MS-20 Filter auf einem Steckbrett aufgebaut und auf korrekte Funktionsweise unter realen Bedingungen getestet. Darauf folgend wurden die Schaltpläne in EAGLE gezeichnet, aus denen später das Platinenlayout erstellt wird. Die Abbildungen 14 und 15 zeigen die Schematics der Filter.
Filter – control voltage
Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Da der µController des Output Moduls nur eine maximale Kontrollspannung von 5V liefern kann, die LM13700 OTAs jedoch Kontrollspannungen von -12V bis 12V erwarten, muss nun noch eine spannungskonvertierende Schaltung entworfen werden, die die Kontrollspannung in für die Filterstufen nutzbare Pegel umwandelt.
Um dies zu erreichen, soll der Spannungsbereich von 0V bis 5V auf -2.5V bis 2.5V abgebildet und anschließend auf -12V bis 12V verstärkt werden. Hierfür eignet sich eine Differenzenverstärkerschaltung gefolgt von einem nicht-invertierenden Verstärker. Die daraus resultierende Schaltung ist in Abbildung 16 abgebildet.
Die Teilschaltungen sind dem Buch Tietze-Schenk entnommen, die Formeln für Übertragungsverhalten bzw. Verstärkung ebenfalls.
Schaltplan
Die Verstärkung eines Differenzverstärkers lässt sich über
errechnen. Um diese Formel zu vereinfachen, werden die Widerstände R6, R7, R8 und R9 alle gleich gewählt. Somit kürzen sich alle Widerstände aus der Formel und es bleibt:
Die Differenzverstärkerschaltung um den Operationsverstärker U2 bildet also lediglich die Differenz zwischen dem Kontrollspannungseingang und einer Referenzspannung von 2.5V. Diese wird von einem entlasteten Spannungsteiler (Abb. 17) bereitgestellt.
Anschließend wird die resultierende Spannung von dem nicht-invertierenden Verstärker um den Operationsverstärker U12 verstärkt. Die Verstärkung des nicht-invertierenden Verstärkers lässt sich über
errechnen. Schlussendlich liegt, wie in Abbildung 18 zu sehen, der korrekte Spannungsbereich am Ausgang der Schaltung an. Da ein geringer Spannungsabfall über die mit ±12V versorgten Operationsverstärker stattfindet, kommt die Kontrollspannung nicht genau bei den Versorgungsspannungsgrenzen an. Dies ist hier jedoch unerheblich.
Da die korrekte Funktionsweise der Umwandlungsschaltung nachgewiesen wurde, wurde anschließend der Schaltplan in EAGLE gezeichnet. Dieser wird in Abbildung 19 dargestellt.
Layout
Das Layout wurde mithilfe von EAGLE erstellt und ist an die Voraussetzungen zur Fertigung des ProLab angepasst. Die Maße der Platine von 80mm x 100mm entsprechen einer halben Europlatine. Da weder die Potentiometer, noch die Klinkenstecker für die Ein- und Ausgänge direkt auf die Platine gelötet werden, sondern später auf der Frontplatte landen, sind für diese Bauteile auf der Platine Steckverbindungen hierfür vorgesehen. Diese sind auch in den Schematics zu sehen.
Platine
In Abbildung 21 ist die (zu Teilen) bestückte Filterplatine zu erkennen. Da beim Bestücken leider der Mittenabgriff der resonanz- und grenzfrequenzverstellenden Potis falsch angeschlossen wurde, sind sowohl ein Potentiometer, als auch ein Operationsverstärker-IC bei den ersten paar Inbetriebnahmeversuchen kaputt gegangen. Daher konnte nur der MS-20 Tiefpassfilter auf Funktionsfüchtigkeit geprüft werden. Durch den fehlenden OP-Amp ließ sich zwar die Grenzfrequenz nicht variabel verstellen, mit variabler Resonanz und fester Grenzfrequenz gefiltert wurde aber dennoch. Wenigstens ein Teilerfolg!
Am kommenden Montag, den 22.02.2021, werden wir noch einmal versuchen die Filterplatine vollständig in Betrieb zu nehmen.