Ein Effekt ist ein Signalverarbeitungselement, in diesem Fall eine Schaltung, welches mittels verschiedener Verfahren, in diesem Fall elektronisch und optoelektronisch, die Spannungsverläufe der eingehenden Audiosignale verändert. So können beispielweise durch Erzeugung von Oberwellen Verzerrungen oder auch der Pegel und der Frequenzgang und alles in Kombination beeinflusst werden.
Aufgabenstellung
Die Gruppe Effekte hat die Aufgabe Effektmodule zu realisieren, welche sich aus verschiedenen Effekten zusammensetzen, um so ein charakteristisches Effektgerät zu konstruieren. Die Vorgabe ist hierbei mindestens einen Verzerrer zu designen. Als Kann können auch weitere Effektgeräte gebaut werden.
Des Weiteren sind die Effekte nach dem Eurorack-Standard mit 12V Versorgungsspannung, ±10V Signalamplitude und der Größe des Frontpanels von \SI{128.5}{\milli\meter} Höhe und der Breite von ganzzahligen Vielfachen von 5.08mm.(1 HP)
Blockschaltbild
In den Abbildungen 1, 2 und 3 sind die Blockschaltbilder der angestrebten Effektgeräte und eines Zusatzgerätes enthalten. Wie bei modularen Geräten üblich sind die Ein- und Ausgänge standartisiert und beinhalten Signal- und Kontrollspannungs- Ein- und Ausgänge. Die Verbindung zu den anderen Modulen kann daher nach Belieben und sehr unterschiedlich ausfallen.
Effekte – Distortion
Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Als Soll-Effekt soll ein Verzerrer entworfen werden, welcher steuerbar dem Eingangssignal Oberwellen überlagert. Anschließend soll das Signal auf die Eurorack-Standardamplitude als Maximum verstärkt werden und wieder ausgegeben werden. Eine Kombination mit weiteren Effekten ist möglich, um ein charakteristisches Modul zu entwickeln.
Stand der Dinge (Januar 2021) – Bisherige Entwicklung der Komponenten des Effekts: Verzerrerschaltung wurde erfolgreich in LTSpice simuliert und auf dem Steckbrett realisiert. Die Notwendigkeit kleinere Feinjustierungen zwecks Verstärkung der Endstufe wurden erkannt. Diese sollen auf der Platine mit Trimpotentiometer und einer entpsrechenden Verstärkerschaltung vorgenommen werden. Außerdem ist beim Testen mit Audiosignalen aufgefallen, dass es ein Leck bei den Tiefen und eine Überhöhung bei den Mittelfrequenzen gibt. Um dem etwas entgegenzuwirken, wurden kleinere Änderungen des Schaltung vorgenommen, die dem Hochpassverhalten entgegenwirken sollen
Simulation
Zur Simulation der Schaltung wurden nur die verzerrenden Bestandteile des Effekts in LTSpice aufgebaut und simuliert. Hier wurden Parameter-Sweeps durchgeführt, um eine Bedienung des Effektgerätes über die nach außen gehenden Potentiometer zu simulieren. Als Eingangsignal wurde ein Sinus gewählt. Anschließend wurde noch eine Frequenzanalyse durchgeführt, um die spektralen Charakter des Effektes zu visualisieren.
Als erstes wurde die Verstellung des Distortion-Potentiometers simuliert, welches das maßgebliche Bedienelement des späteren Effektes sein wird. Die Simulation wurde entlang des Signalpfades mehrfach abgegriffen, um den Weg durch den Effekt zu veranschaulichen. Die Namen der Zwischensignal sind aus Abbildung 4 zu entnehmen.
Im zweiten Simulationsabschnitt wurde ein Verstellen des Filter-Potentiometers simuliert. Da es sich einfach um die Änderung der Zeitkonstante eines Tiefpasses 1. Ordnung handelt, wurde die Visualisierung auf zwei Bilder zusammengefasst.
Um den theoretischen Eindruck für das Filtermodul zu vervollständigen wurde schließlich noch eine Frequenzganganalyse durchgeführt. Diese bestätigt die Eindrücke beim Steckbrettaufbau über ein gefühltes Leck bei tiefen Frequenzen. Für die Simulation wurde für verschiedene Stellungen des Distortion-Potentiometers durchgeführt.
Effekte – Tremollo
Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Als Kann-Effekt habe ich mich für ein sogenanntes Tremollo entschieden. Dieser Effekt amplitudenmoduliert das Eingangssignal mit einem niederfrequenten Signal, welches nach Bedarf in seiner Form und Frequenz verändert werden kann.
Stand der Dinge (Januar 2021) – Bisherige Entwicklung der Komponenten des Effekts: LFO (low frequency generator) des Tremollos als Hauptbestandteil des Effekts erfolgreich in LTSpice simuliert und auf dem Steckbrett realisiert. Es wurde ein Frequenzbereich von 600mHz bis 13Hz erreicht, was perfekt für den gewünschten Effekt auf das Eingangssignal bei Multiplizierung mit diesem ist. Beim testen viel auf, dass die Auswahl des OPV-ICs maßgeblich für das Anlaufen der Schaltung ist, da eine ausreichende Stromtreibfähigkeit vorhanden sein muss. Die Arbeitspunkteinstellung des Vaktrols erfolgte auf dem Steckbrett mithilfe von Funktionsgenerator und Oszilloskop. Ursprünglich war auch eine umschaltbare Ansteuerung de Vaktrols per Kontrollspannung geplant. Diese Idee wurde jedoch in letzter Sekunde wegen der Budgetknappheit verworfen.
Simulation
Zur Simulation wurde der LFO in LTSpice aufgebaut und wieder verschiedene Potentiometerstellungen simuliert. Lediglich die Betätigung des Speed-Potentiometers wurde ausgelassen, da sich hierbei die Form des Signals nicht verändert, Visualisierung unübersichtlich wäre und die Vorstellung der Funktionsweise intuitiv ausfallen sollte. Die restlichen Regler sollten in ihrer Funktion durch den jeweiligen Namen ersichtlich sein. Weiterhin ist auf die starke Tiefpasseigenschaft des Vaktrols hinzuweisen, weshalb trotz kantiger Form der Signale zumindest nahezu eine Sinusmultiplikation möglich ist. Akkustisch war dies zumindest nach meinem Empfinden der Fall.
Effekte – Teremin-Steuergerät
Dokumentation und Arbeitsentwicklung
Als zweites Kann-Modul möchte ich ein Steuermodul entwerfen, welches analog zur Bedienung eines Teremin zwei Steuerspannungen im Bereich 0-5V erzeugt, um so beispielweise den Pitch und die Amplitude eines Oszillatorausgangs zu steuern. Bei einem Teremin handelt es um ein elektronisches Musikinstrument, bei welchem mithilfe zweier Antennen und beider Hände, welche je nach Entfernung voneinander die Kapazität der Antennen verändern und so einen internen Audiooszillator in Frequenz und Amplitude steuern. In Abbildung 17 ist ein solches Teremin zu sehen.
So solle je nach Entfernung der Hand von der jeweiligen Antenne proportional eine Steuerspannung abgegeben werden. Außerdem ist ein justierbarer LFO geplant, welcher die Steuerspannung überlagert und so bspw. zu einer leichten Frequenzmodulation bei Steuerung eines Oszillators führt.
Stand der Dinge (Januar 2021) – Bisherige Entwicklung der Komponenten des Effekts: Die Steckbrettrealisierung des Phase-looked-loop für das Teremin-Steuergerät musste ausgesetzt werden, da aufgrund des Corona-Lockdowns und der dementsprechenden schwierigen Bauteilorganisation keine pünktliche Realisierung einer Schaltung mit ausreichender Güte und Geschwindigkeit möglich war. Dies führte zur vorläufigen Einstellung dieser Geräteentwicklung bis diese vorhanden sind.
Zusammengefasste Schaltung und Platinenlayout
Das Layout wurde mithilfe von Eagle erstellt und ist den Voraussetzungen zur Fertigung des ProjektLabors angepasst. Die Effektplatine ist außerdem so dimensioniert, dass sie über die Potentiometer und 3,5mm-Klinken mit dem Frontpanel verbunden ist. Außerdem wurde an beiden kürzeren Kanten der Platine ein jeweils 5mm breiter Streifen frei von Leiterbahnen gelassen, damit die Platine auch problemlos in eine Schiene geschoben werden könnte, ohne dass es zu Kurzschlüssen kommt. Dieses Feature ist jedoch kein Bestandteil des Eurorackstandards.
Platine
In der Abbildung 20 ist die fertig bestückte und funktionierende Platine zu sehen. Als Vaktrol wurde aus Kostengründen (bis zu 40€ im Netz) eine selbstgebaute Variante genutzt. (in grünem Schrumpfschlauch befindliches Bauteil) Dieser Vaktrol besteht aus einer grünen LED und einem Photowiderstand, welche mit durchsichtigem Leim miteinander optisch gekoppelt und danach mit mehreren Schichten Schrumpfschlauch optisch von der Außenwelt abgekoppelt wurden. Der Arbeitspunkt wurde mit Oszilloskop und Frequenzgenerator ermittelt und der Aufbau dann mit entsprechend berechneten Widerständen realisiert. Das Ergebnis war überraschen gut. Der Vaktrol ist zwar etwas träge und überträgt das Steuersignal mit einer starken Tiefpasswirkung, für das Ohr ist das aber nicht schlecht, sodass der Tremoloeffekt gut funktioniert. Lediglich das Gain-Potentiometer wurde nicht nach außen gelegt, sondern mit einem Trimpotentiometer so eingestellt, dass die maximal übertragene Amplitude des Effektes 1 beträgt.
Auch der Verzerrereffekt funktioniert einwandfrei und die übertragene Amplitude wurde durch einen Verstärker mit Trimpotentiometer auf 1 normiert. Das hat sich bei verschiedenen Tests durch das erzwungene Clipping im Effektgerät und der anschließenden Verstärkung jedoch als ungünstig erwiesen, da bei verstellen des Effektes die Amplitude und damit die Lautstärke stark variiert. Im nächsten Labortermin am 22.02.2021 werde ich noch einmal schauen, ob ich da eine bessere Einstellung finde.
Leider hat das Teremin-Steuergerät seinen Weg nicht auf eine Platine und damit in unseren modularen Synthesizer geschafft. Dieses Projekt werde ich jedoch privat zu Ende bringen, da wir beim Zusammenführen der Module im Labore ein solches Steuergerät gut hätten integrieren können.
