VCO und lineare FM

Lineare Frequenz-Modulation (FM) und eine möglichst genaue Erzeugung der Wellenformen – das war unsere Anforderung für die Oszillatoren (VCO) im VCS 2.

Da die Schaltpläne des alten VCS 2 von 1982 vorhanden waren, bauten wir als erstes diesen Oszillator auf, nur um festzustellen, dass neben einem ungenauen Exponential-Konverter auch die eigentliche Schwingungserzeugung eine gewisse Nichtlinearität aufwies.

Den Exponential-Konverter zu verbessern stellte kein Problem dar, allerdings waren die Versuche, den Linearitätsfehler in der Schwingungserzeugung zu beseitigen, nur mäßig erfolgreich. Bereits ab ca. 2 kHz driftete der VCO um einige Cent ab. Bei 20 kHz war die Abweichung so hoch, dass sie nicht mehr akzeptiert werden konnte.

Fehlerkorrektur

Die VCO’s von Moog hatten u.a. auch dieses Problem – je höher die Frequenz, umso drastischer der Fehler. Deshalb existiert auch ein High-End-Trim in diesen Oszillatoren, welcher sie scheinbar linearer machte, in Wirklichkeit aber eine Fehlerkorrektur darstellt.

Die Darstellung ist zwar sehr übertrieben, zeigt aber deutlich die Fehlerkorrektur (Blau: idealer Frequenzverlauf, Rot: ohne Korrektur, Grün: mit Korrektur).

Diese Korrektur ist völlig ausreichend, wenn keine Lineare FM gefordert wird.


Nach oben   Wenn mehrere VCO’s parallel mit unterschiedlichen Fußlagen gespielt werden, tritt der (bei analogen Synthesizern oft gewünschte) Effekt auf, dass einige Tasten unterschiedliche Verstimmungen erzeugen. Dadurch gewinnt der Klang aber an Lebendigkeit.

Saubere Lineare FM ist aber nur dann möglich, wenn die VCO’s im gleichen Frequenzbereich arbeiten oder eine gewisse Frequenzgrenze nicht überschritten wird. Ansonsten sorgt die Nichtlinearität dafür, dass trotz Korrektur unerwünschte Interferenzen hörbar werden.

Lineare FM funktioniert in diesem Fall nur in einem sehr engen Frequenzbereich.


Nach oben  

Also kamen wir auf die Idee, mehrere Korrekturstufen zu verwenden. Jede dieser Stufen sollte ab einer bestimmten Frequenz einsetzen und ihren Verlauf linearisieren. Obwohl die Ergebnisse sich danach bedeutend verbesserten, waren bei einigen Noten in den zwei obersten Oktaven noch Interferenzen hörbar. Außerdem stieg durch diese Lösung der Aufwand an Bauelementen beträchtlich, so das sich auch dieses Verfahren als unbrauchbar herausstellte. Zumal der Oszillator auch im VCS 2 eingesetzt werden sollte und selbst als SMD Version zuviel Platz verbraucht hätte.

Danach probierten wir andere Verfahren aus, um Schwingungen zu erzeugen, denn auch die Wellenformen wurden durch den High-End-Trim frequenzabhängig deformiert.

Die vielschichtigen Probleme bei der VCO-Entwicklung in Verbindung mit Rampen-Integratoren und Stromspiegeln, haben wir in einem separaten Bericht zusammengefasst.


Nach oben   Dann fanden wir die Lösung – ein Oszillator mit einem nahezu perfekten,linearen Frequenzverlauf ohne Fehlerkorrektur und einer präziseren Wellenformerzeugung. Bitte habt dafür Verständnis, dass wir auf diese Lösung und die Top-Oktaven nicht näher eingehen. Nur soviel: Es ist schaltungstechnisch kein Problem, den VCO mit zwei zusätzlichen Sub- und Topoktaven auszustatten, so das insgesamt sechs phasensynchrone Fußlagen zur Verfügung stehen. Der Aufwand an Bauelementen steigt allerdings, so das wir in diesem VCO nur eine Top-Oktave integrierten konnten.


Nach oben  

Die Bilder wurden von einem PeakTech 2035 Oszilloskop abfotografiert:

Sinus mit 500 Hz Sinus mit 18 kHz

Sinuswelle mit 500 Hz
und 18 kHz    

 

 

Dreieck mit 500 Hz Dreieck mit 18 kHz

Dreieckswelle mit 500 Hz
und 18 kHz

 

 

Sägezahnwelle mit 500 Hz  Sägezahn mit 500 Hz Sägezahn mit 18 kHz    und 18 kHz  

 

 

Rechteck mit 500 Hz Rechteck mit 18 kHz

Rechteckwelle mit 500 Hz     und 18 kHz    

 

 

Pulswelle mit 500 Hz Puslwelle mit 18 kHz

Pulswelle mit 500 Hz            und 18 kHz    

 

 


Nach oben  

Die Klangbeispiele wurden mit einer M-Audio Audiophile 2496 aufgenommen. Dabei ist bei den Wellenformen mit Top-Oktave auf dem linken Kanal das Original und und auf dem rechten Kanal die Top-Oktave zu hören.

Sinus

Dreieck mit Top-Oktave

Sägezahn mit Top-Oktave

Rechteck mit Top-Oktave

Pulswelle

Nachfolgendes Beispiel demonstriert die Linearität des VCO’s. Die Steuerspannung wurde mit einem Prototyp unseres polyphonen MIDI zu CV/Gate Konverters erzeugt, welcher eine 14 Bit Wandlung mit 10 Volt Referenz besitzt (wird auf 16 Bit erweitert). Auf dem linken Kanal ist der VCO Sinus und auf dem rechten Kanal ein Sinus des (digitalen) Synthesizers Yamaha DX 11 zu hören.

Beim nächsten Beispiel moduliert der Sinus einen zweiten VCO (lineare FM).Während der Sequenz wird die Modulations-Intensität langsam erhöht, so das aus einem Sinus eine glockenartige Wellenform entsteht.

Hinweis: Bei den Klangbeispielen ist zu beachten, dass beim Abhören mit einfachen Wandlern (z.B. PC On-Board) ein starkes Aliasing in den höheren Frequenzen auftreten kann. Dieses Aliasing ist bei Soundkarten mit besseren Wandlern nicht hörbar, d. h. der Fehler liegt auf der digitalen Seite und hat nichts mit dem VCO zu tun.


Nach oben  

In der Tabelle wird die genaue Oktav-Spreizung des VCO’s dargestellt. Die Frequenz-Messung wurde nach einem extrem präzisen Abgleich des Oszillators mit einem PeakTech 4015Adurchgeführt.

Sollwert Istwert Abweichung in
Hz  Hz Hz Cent
32 32,00 - -
64 64,00 - -
128 127,98 0,02 0,26
256 255,84 0,16 0,95
512 511,91 0,09 0,29
1.024 1.024,00 - -
2.048 2.048,00 - -
4.096 4.096,00 - -
8.192 8.192,00 - -
16.384 16.381,00 3,00 0,30
20.000 19.993,00 7,00 0,58

Nach oben