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| Nahezu 5 Jahre vergingen von der Idee bis zur Realisierung eines VCO's, welcher die
hohen Anforderungen erfüllt, die wir uns für den VCS 2 gestellt haben. Die Modularversion dieses Präzisionsoszillators verfügt zwar nicht über Segmentwaves, erzeugt aber dafür eine phasensynchrone Topoktave der Wellenformen Rechteck, Dreieck und Sägezahn. Außerdem besitzt dieser VCO folgende Eigenschaften: - - linear ohne Fehlerkorrektur ( der "High End Trim" anderer VCO's wird nicht benötigt )
- exakte Wellenformen - Möglichkeit von Linear FM - neben den o.g. Wellenformen wird ein Sinus und ein Puls erzeugt - Pulsbreiten sind durch Potis und externe CV's steuerbar - Puls Modus: umschaltbar von "Classic" auf "Polarity" - synchronisierbar ( Hardsync ) - LFO Modus von ca. 0.5Hz bis ca. 32Hz - gesamter Frequenzbereich inkl. Topoktaven: ca. 0.5Hz bis ca. 40kHz - mit Standardbauelementen aufgebaut ( keine Spezialchips wie z.B. Curtis oder SSM ) - voll analog - temperaturstabilisiert - Schalter: Range ( Low, 2', 4', 8', 16', 32' ), Linear FM In AC/DC, Pulse Mode - Eingänge: CV A, CV B ( mit Abschwächer ), Linear FM ( mit Abschwächer ) Neg Pulse Width CV, Pos Pulse Width CV, Sync - Ausgänge: Rec, Tri, Saw, Rec Top, Tri Top, Saw Top, Sine, Pulse |
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| Die Entwicklung des VCO's |
| Lineare FM und eine möglichst genaue Erzeugung der Wellenformen - das war unsere Anforderung
für die VCO's 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 Exponentialkonverter zu verbessern stellte kein Problem dar, allerdings waren die Versuche, den Linearitätsfehler in der Schwingungserzeugung zu beseitigen, nur mäßig erfolgreich. Bereits ab ca. 2kHz driftete der VCO um einige Cent ab und bei 20kHz war die Abweichung so hoch, daß sie nicht mehr akzeptiert werden konnte. Die VCO's von Moog u.a. hatten 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. Folgende Darstellung ist zwar sehr übertrieben, zeigt aber deutlich diese Korrektur: |
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| Blau: idealer Frequenzverlauf / Rot: ohne Korrektur / Grün: mit Korrektur |
| Diese Korrektur ist völlig ausreichend, wenn keine Linear FM gefordert wird.
Wenn mehrere VCO's parallel mit unterschiedlichen Fußlagen gespielt werden, tritt der ( bei analogen Synthesizern gewünschte ) Effekt auf, daß einige Tasten unterschiedliche Verstimmungen erzeugen. Dadurch gewinnt der Klang 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 dann nur in einem engen Frequenzbereich. |
| Also kam mein Bruder 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 diesen "High End Trim" frequenzabhängig deformiert. |
| Probleme bei VCO's mit Rampenintegratoren und Stromspiegeln |
| Dann, vor einigen Monaten, fand mein Bruder die Lösung - ein Oszillator mit einem nahezu perfekten,
linearen Frequenzverlauf ohne Fehlerkorrektur und einer präziseren Wellenformerzeugung. Bitte habt dafür Verständnis, daß ich auf diese Lösung und die Topoktaven nicht näher eingehe. 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 Topoktave integrierten. |
| Die folgenden Bilder wurden von einem PeakTech 2035 Oszilloskop fotografiert und alle
Klangbeispiele mit einer M-Audio Audiophile 2496 aufgenommen. Dabei ist bei den Wellenformen mit Topoktaven auf dem linken Kanal das Original und und auf dem rechten Kanal die Topoktave zu hören. Herzlichen Dank an meinen Neffen Tobias Knebel, der die ganze Fotoarbeit übernahm. |
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| Rechteck 500Hz+Topoktave | Rechteck 18kHz+Topoktave | Dreieck 500Hz+Topoktave | Dreieck 18kHz+Topoktave |
| Rechteck.wav | Dreieck.wav | ||
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| Sägezahn 500Hz+Topoktave | Sägezahn 18kHz+Topoktave | Sinus 500Hz | Sinus 18kHz |
| Sägezahn.wav | Sinus.wav | ||
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| Puls 500Hz | Puls 18kHz | ||
| Puls.wav | |||
| Nachfolgendes Beispiel demonstriert die Linearität des VCO's. Die Steuerspannung
wurde mit einem Prototyp unseres polyphonen MIDI zu CV/Gate Konverters erzeugt, welcher eine 14bit Wandlung mit 10 Volt Referenz besitzt ( wird auf 16bit erweitert ). Auf dem linken Kanal ist der VCO Sinus und auf dem rechten Kanal ein Sinus des ( digitalen ) Synthesizers Yamaha DX 11 zu hören. |
| VCO / DX11 Sinus.mp3 |
| Bei dem nächsten Beispiel moduliert der Sinus einen zweiten VCO ( lineare FM ).
Während der Sequenz wird die Modulationsintensität langsam erhöht, so das aus einem Sinus eine glockenartige Wellenform entsteht. |
| Linear FM.mp3 |
| Als letztes noch eine Tabelle, welche die genaue Oktavspreizung des VCO's darstellt.
Die Frequenzmessung wurde nach einem extrem präzisen Abgleich des Oszillators mit einem PeakTech 4015A durchgeführt. |
| Sollwert | Istwert | Abweichung in Hz | Abweichung in Cent | ||
| 32Hz | 32.000Hz | 0 | 0 | ||
| 64Hz | 64.000Hz | 0 | 0 | ||
| 128Hz | 127.98Hz | 0.02 | 0.26 | ||
| 256Hz | 255.84Hz | 0.16 | 0.95 | ||
| 512Hz | 511.91Hz | 0.09 | 0.29 | ||
| 1024Hz | 1024.0Hz | 0 | 0 | ||
| 2048Hz | 2048.0Hz | 0 | 0 | ||
| 4096Hz | 4096.0Hz | 0 | 0 | ||
| 8192Hz | 8192.0Hz | 0 | 0 | ||
| 16384Hz | 16381Hz | 3 | 0.3 | ||
| 20000Hz | 19993Hz | 7 | 0.58 |
| Nachtrag zu den Klangbeispielen:
Bei den Klangbeispielen ist zu beachten, daß beim Abhören mit "preiswerten" Wandlern ( z.B. PC On-Board ) ein starkes Aliasing in den höheren Frequenzen auftreten kann. Dieses Aliasing ist bei Soundkarten mit besseren Wandlern ( z.B. Audiophile 2496 ) nicht hörbar. Dieser Fehler liegt auf der digitalen Seite und hat nichts mit dem VCO zu tun. |
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