Oszillator

Das Blockschaltbild beschreibt Die Verschaltung auf der Platine.

Modulare Synthesizer verwenden häufig analoge Oszillatoren als Tonquelle, die später weiter verarbeitet wird. Auch im Falle dieses Projektes verwenden wir diese. Um etwas mehr Vielseitigkeit für die
Tonsynthese zu haben, wurden die folgenden drei von einander unabhängigen Tonquellen festgelegt:

• Astabiler Multivibrator
• Wien-Robinson-Oszillator
• Noise-Generator

Der Astabile Multivibrator ist die Quelle für ein Rechteck- und ein Dreiecksignal. Er verfügt über eine einstellbare Frequenz, eine Einstellung für den Tastgrad und die Möglichkeit der Frequenzeinstellung
über eine CV-Signal mittels eines Vaktrols als spannungsgesteuerten Widerstand. Die Steuerung der Frequenz kann per Kippschalter zwischen Potentiometer und CV-Signal umgeschaltet werden.

Der Wien-Robinson-Oszillator ist eine diodenstabilisierte Sinusquelle. Auch dieser Oszillator verfügt über eine Frequenzeinstellung per Potentiometer.

Der Noise-Generator erzeugt je nach Transistor nahezu weißes Rauschen (ein Rauschen in dem idealerweise alle Frequenzanteile mit gleicher Amplitude vertreten sind).

Um die Ausgangsspannungen der Tonquellen abzugleichen und auf den verwendeten Eurorackstandard von 10 V Amplitude befinden sich an den Ausgängen zusätzlich noch invertierende Verstärker, die vor Betriebnahme eingestellt werden.

Schaltpläne

Astabiler Multivibrator

Der Astabile Multivibrator ist ein Oszillator mit einem Rechteck-Signal-Ausgang. Im Prinzip ist der Operationsverstärker als Komparator verschaltet. Der Kondensator C3 wird je nach dem ob
der Komparator auf HI oder LOW steht geladen oder entladen.

Mit dem Potentiometer P2 kann die Frequenz des Oszillators eingestellt werden, in dem der Threshold für die Umschaltung des Komparators verändert wird. Dementsprechend würde eine Veränderung der Kapazität
C3 zu einer Veränderung des Frequenzbereichs führen, was aber für unseren Fall nicht nötig ist.

Durch eine Veränderung von P1 kann das Potential im nicht-invertierenden Eingang des Komparators verändert werden. Das hat zur Folge, dass der Tastgrad des Rechteck-Signals verändert wird. Allerdings wird durch die Änderung der Rise-Time auch die Frequenz verändert.

Mit dem Schalter S1 kann zwischen dem Potentiometer P2 und einem Fotowiderstand U1 gewechselt werden. Der Photowiderstand kann der Ausgang eines Vactrols sein, wodurch die
Frequenz des Oszillators durch eine Control Voltage steuerbar werden kann.

Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers kann zudem ein Dreieck-Signal abgegriffen, was der Lade- und Entladespannung des Kondensators entspricht.

Für die LTSpice-Simulationen von Oszialltoren die auf dem Prinzip der Astabilität beruhen, ist es wichtig, am Anfang eines AC-Analysis einen DC-Impuls in das System zu geben. In der Realität schaltet der
Komparator bei (t=0) zufällig auf HI oder LOW durch Rauschen. In LTSpice ist der Komparator allerdings ideal und nicht rauschbehaftet. Um dennoch einen definierten Zustand bei (t=0) zu
haben nutzen wir den DC-Impuls.

Beide Ausgänge gehen dann in Verstärkerstufen über, in denen der Ausgangssignalpegel angepasst werden kann.

Wien-Robinson-Oszillator

Der Wien-Robinson-Oszillator basiert auf einem einem Verstärker mit einem RC-Netzwerk im Feedback-Loop. Hierbei verstärkt der Operationsverstärker bei (t=0) Rauschen. Das RC-Netz sorgt dafür, dass die Phase des Signals verschoben wird und Signalanteile außerhalb der Resonenzfrequenz des RC-Netzes gedämpft werden. Damit es eine Resonanzfrequenz gibt, wird in diesem Fall ein Filter 2. Ordnung verwendet.

Die Frequenz des Oszillators lässt sich durch die Verstellung des Stereopotentiometers P3 einstellen. Dadurch verändert sich die Zeitkonstante.

R12, D1 und D3 haben die Aufgabe die Verstärkung des Operationsverstärkers zu kontrollieren, sodass sie immer bei 1 liegt.

Anstatt des vorher verwendeten TL074 wird in diesem Fall ein LM324N verwendet. Auch wenn die Simulation mit dem TL074 gelang, stellte sich in der Realität heraus, dass sich das System mit ihm nicht zum Schwingen bringen lässt. Dies könnte dem dem Tiefpassverhalten des Operationsverstärkers zusammenhängen. Mit dem LM324N funktionierte es jedoch.

Auch für diese Simulation wird für (t=0) wieder ein DC-Impuls gebraucht.

Der Ausgang des Oszillators geht außerdem ebenfalls in eine Verstärkerstufe zur weiteren Anpassung.

Noise-Generator

Der Noise-Generator funktioniert im Kern mit einem Transistor (T2) der ein Rauschen erzeugt und einem Transistor (T1) der das Rauschen verstärkt.

T2 wird in Reverse-Bias-Mode betrieben, also mit einem höheren Emitterpotential. Das Kollektorbeinchen bleibt unverbunden, bzw. kann abgetrennt werden.

T1 verstärkt das Rauschen, wobei R16 die Verstärkung von `T1` bestimmt.

C10 sorgt im Feedback Loop für eine bessere Verstärkung.

Der Ausgang des Noise-Generators geht auch in diesem Fall wieder in die Verstärkerstufe über.

Peripherie

Verstärkerstufen

Hinter jedem Ausgangssignal der Ton-Generatoren befindet sich invertierende Verstärker, die mit Trimmpotentiometern eingestellt werden können. Hinter jedem invertierenden Verstärker befindet sich außerdem noch jeweils ein Spannungsfolger, der verhindert, dass der Ausgang die Generatoren belastet.

Spannungsversorgung

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Die Spannungsversorgung für die Platine und auch alle anderen Platinen wird über einen Eurorack typischen IDC Stecker realisiert. Dabei wurde die 10-Pin-Variante auf der ersten Abbildung gewählt. Der Bus-Stecker wird wie auf der zweiten Abbildung
angeschlossen. Durch die Wahl der 10-Pin-Variante stehen also 12V und -12V zur Verfügung. C11 und C12 filtern diese Spannungen noch, um einen besseren Betrieb der Platinen zu gewährleisten.

Diese Spannungen werden liegen an den Rails der Operationverstärker angelegt, wobei diese nochmal weiter Kondensatoren zur Spannungsglättung haben.

I/O

Als Eingang gibt es einen für eine Control Voltage mit der ein Vactrol angesprochen der wiederum den Photowiderstand für die Frequenzeinstellung des Wien-Robinson-Oszillator steuert.

Ausgänge sind ensprechend hinter der Verstärkerstufe des jeweiligen Signals.

Platinenlayout

In der folgenden Abbildung sieht man das Platinenlayout. Die linke Seite wird an einem Frontpanel befestigt. Dies geschieht über die Anschlüsse und die Potentiometer, beziehungsweise deren Schraubgewinde. Zusätzlich befindet sich auf der Platine noch ein Anschluss für einen Schalter, mit
dem potentiell die Frequenzsteuerung per Control Voltage für den astabilen Multivibrator realisiert werden kann. Dieser Punkt ist allerdings optional und nicht zwangsweise für den Betrieb der Platine notwendig.

Realisierung der Platine

Entsprechend dem Layout in Abb. 11 wurde eine Platine hergestellt. Erst nach der Herstellung der Platine ist aufgefallen, dass der Schaltplan mehrere Fehler hat, die eine Verwendung von ihr verhindert. Diese Fehler sind in dem Prozess der Übertragung des Schaltplans von LTSpice zu Eagle passiert.
Mit viel Aufwand wäre es vermutlich möglich gewesen die Platine so modifizieren, dass die Schaltung funktioniert hätte. Allerdings haben wir uns in Anbetracht zeitlicher Limitationen dazu entschieden einen Prototypen des Astabilen Multivibrators auf einer Lochrasterplatine zu bauen, da dies in dem engen Zeitrahmen realistischer erschien.

Der Aufbau auf der Lochrasterplatine wurde von dem Schaltplan in Abb. 13 abgeleitet und kann für die weitere Signalverarbeitung der anderen Module genutzt werden.