Práctica. Capítulo 6.

CAPITULO 6. VCF de 12dB

 

Las cinco formas de onda producidas por el VCO, cuya descripción concluyó en el capítulo anterior, pueden procesarse para producir una amplia gama de colores de tono utilizando los módulos de modelado de tono, que consisten en el filtro controlado por voltaje (VCF), el amplificador controlado por voltaje (VCA) y el modelador de envolvente de Ataque, Decaimiento, Sostenido y Liberación (ADSR). El presente artículo describe el VCF, que es el módulo que adapta el espectro de la señal del VCO. Para el VCF se emplea un circuito algo inusual y dispone de cuatro funciones de filtro: paso bajo, paso alto, paso banda con Q variable y muesca. A pesar de esta versatilidad, el circuito VCF es sencillo de construir, fácil de ajustar y fiable.

Antes de examinar el circuito VCF en detalle, merece la pena examinar las formas en que se utiliza en el VCF. Hay cuatro funciones de filtro disponibles. Un filtro de paso bajo con una atenuación de -12 dB por octava por encima del punto de inflexión, un filtro de paso alto con una atenuación de -12 dB por octava por debajo del punto de inflexión, un filtro de paso de banda con Q variable y una pendiente mínima de -60 dB por octava a ambos lados de la frecuencia central, y un filtro anular. El punto de rotación (o frecuencia central en el caso de los filtros de banda) es el mismo para las cuatro funciones de filtro y puede variarse aplicando una tensión de control.

Filtro paso bajo.

El uso más sencillo del VCF es lo que podría llamarse adaptación estática de una salida VCO utilizando la salida KOV (CV) del teclado para controlar el VCF. Supongamos (por poner un ejemplo sencillo) que es necesario filtrar una gran parte de los armónicos de la señal de onda cuadrada para producir un tono similar al de una flauta. Se utilizaría la función de paso bajo del VCF y el punto de rotación se ajustaría de forma que al pulsar una tecla determinada se obtuviera el color de tono deseado. Si se pulsa una nota más alta, el tono VCO aumentará. Sin embargo, dado que la salida del VCO también se aplica al VCF, el punto de rotación del VCF aumentará con la frecuencia del VCO, de forma que siempre permanezca en la misma relación de octava con la frecuencia del VCO. De este modo, se mantiene la misma estructura armónica de la forma de onda de salida, es decir, el VCF se utiliza como filtro de seguimiento. Si el VCF se utiliza simplemente como filtro de seguimiento, el contenido armónico de la salida permanece fijo durante la duración de cada nota. Sin embargo, la variación dinámica del contenido armónico durante una nota también es posible controlando el VCF desde el formador de envolventes. Por ejemplo, para proporcionar una buena imitación del sonido de un trombón, las notas deberían comenzar inicialmente con un contenido armónico débil. A medida que aumenta el volumen de la nota, también aumenta el contenido armónico, es decir, la nota se vuelve más brillante. Del mismo modo, al final de la nota son los armónicos los que primero desaparecen.

Esto se consigue utilizando el VCF en el modo de paso bajo como un filtro de seguimiento con control ADSR, es decir, con entradas desde el KOV (CV) y desde el formador de envolvente. Cuando se pulsa una tecla, el punto de rotación viene determinado inicialmente por la entrada KOV (CV), y se ajusta para que se filtren los armónicos. A medida que el voltaje de salida del formador de envolvente aumenta (ataque), la frecuencia de rotación del VCF se incrementa para pasar más contenido armónico. Al final de la nota (decaimiento), la salida del formador de envolvente cae y la frecuencia de rotación del VCF se reduce para filtrar los armónicos una vez más. Estos dos sencillos ejemplos están relacionados con la capacidad imitativa del sintetizador, ya que la mayoría de la gente tendrá una «sensación» del sonido de los instrumentos musicales convencionales. Sin embargo, hay que subrayar una vez más que el sintetizador no se limita únicamente a la función animitativa. También puede producir sonidos que le son propios, que no se producen de forma natural y que son totalmente «electrónicos».

Filtro paso alto.

Hasta ahora sólo se ha tratado el uso del filtro paso bajo. El filtro de paso alto tiene el efecto opuesto al filtro de paso bajo, es decir, puede utilizarse para atenuar las fundamentales de las notas conservando los armónicos. Esto es obviamente útil para sonidos que sólo tienen una fundamental débilmente desarrollada o un carácter tonal brillante, como los sonidos de clavicordio y espinete, y ciertos instrumentos de cuerda y metal. Cuando se controla mediante el modelador de envolvente, el filtro de paso alto también puede dar un carácter «etéreo» a un sonido.

Filtro de paso de banda.

Además de las series fundamental y armónica producidas cuando suena una nota concreta del instrumento, los instrumentos de viento-metal y muchos de viento-madera presentan una serie de resonancias de paso de banda fijas conocidas como bandas formantes, que vienen determinadas por la construcción mecánica concreta del instrumento. El uso del VCF como filtro pasabanda con frecuencia central fija (entrada KOV desactivada), junto con un segundo VCF como filtro pasabajos de seguimiento, permite imitar con mayor precisión estos instrumentos.

Wa-Wa controlado por pedal.

Utilizando el VCF en el modo de paso de banda con un factor Q bastante alto, se puede obtener un efecto Wa-Wa controlando el VCF con una alimentación de 0 a 5 Vcc desde un potenciómetro controlado por pedal (estos pedales Wa-Wa están disponibles comercialmente o se pueden fabricar fácilmente en casa).

Filtro Notch.

Barriendo la frecuencia central del filtro notch hacia arriba y hacia abajo del espectro, ya sea manualmente usando un potenciómetro o automáticamente usando un oscilador de baja frecuencia, se pueden producir sonidos tipo phaser. Si esto se hace utilizando una entrada de ruido blanco en lugar de un VCO, se pueden obtener interesantes sonidos de «avión a reacción».

Diseño del VCF.

Ya en 1965, R.A. Moog diseñó filtros de paso bajo y paso alto de 24 dB/octava, y no se encontró ninguna alternativa satisfactoria a éstos durante varios años, aunque fueron «reinventados» periódicamente por otros. No fue hasta la introducción de un tipo específico de circuito integrado, el amplificador operacional de transconductancia (OTA), que se hizo posible una alternativa viable.  El VCF se desarrolla a partir del bucle de dos integradores que se muestra en la figura 1. Aunque un análisis matemático completo de este circuito está fuera del alcance de este artículo, el concepto básico es bastante sencillo de entender.

Fig.1

El bucle de dos integradores puede considerarse como un ordenador analógico para la resolución de una ecuación diferencial de segundo orden. Si se eliminan la resistencia de entrada R1 y el potenciómetro PQ, el circuito se parece mucho a un oscilador en cuadratura. De hecho, si la ganancia de bucle del circuito es suficiente, entonces funcionará como un oscilador – en la frecuencia para la que se cumple la solución de la ecuación diferencial.

PQ proporciona amortiguación para que el circuito no oscile, sino que simplemente actúa como un filtro. En las salidas (1), (2) y (3) se dispone simultáneamente de las funciones de paso alto, paso banda y paso bajo. En la frecuencia central de los filtros hay un desfase de 90° entre las entradas y salidas del integrador. Por lo tanto, entre el punto (1) y el punto (3) hay un desplazamiento de fase de 180° en todos los puntos. Combinando las salidas (1) y (3) mediante un seguidor de tensión A4 se puede obtener una función de muesca. Dado que las dos entradas están desfasadas 180° en la frecuencia central, hay un nulo en la unión de las dos resistencias de entrada del seguidor de tensión en esta frecuencia. Por supuesto, el centro/volumen de este filtro no está controlado por tensión, sino que está fijado por las constantes del integrador R y C, por lo que para lograr el control por tensión, uno de estos elementos debe estar controlado por tensión. Las resistencias controladas por tensión son posibles en forma de combinaciones LED/LDR o FET, pero desgraciadamente ambos métodos presentan desventajas como un rendimiento impredecible debido a las amplias tolerancias, el pequeño rango de control, la escasa linealidad y la ruptura de la señal de control. Se puede encontrar una solución alternativa replanteando el diseño básico del integrador. El integrador de amplificador operacional clásico consiste en un amplificador de tensión de entrada diferencial con la entrada no inversora conectada a tierra. Una resistencia de entrada conectada a la entrada inversora (que es un punto de tierra virtual) convierte la tensión de entrada en una corriente proporcional. Dado que esta corriente no puede fluir hacia la entrada inversora, debe fluir hacia el condensador de realimentación, y aparece una tensión a través del condensador (y por lo tanto en la salida del amplificador operacional).

Es bastante obvio que el op-amp funciona simplemente como un convertidor de voltaje a corriente, y un circuito equivalente para un integrador sería un amplificador con una salida de corriente controlada por voltaje, con un condensador conectado, no en un bucle de realimentación, sino entre la salida y tierra. La variación de la transconductancia tensión-corriente del amplificador haría variar la constante de «resistencia» del integrador. Existe un dispositivo adecuado en forma de amplificador operacional de transconductancia u OTA. Se trata de un amplificador que produce una corriente de salida proporcional a la tensión de entrada, es decir, i = gm x Ui, donde i es la corriente de salida, Ui es la tensión de entrada y gm es la transconductancia. La característica del OTA que lo hace ideal para el VCF es que la transconductancia gm está determinada por una corriente de control IABC, es decir, gm =k x IABC, donde k es una constante. Esto se ilustra en la figura 2.

Fig.2

Para el CA 3080 OTA utilizado en el VCF, la constante k es de 19,2 v-1 a una temperatura ambiente de 25° C, por lo que gm= 19,2 x IABC mS (miliSiemens = miliamperios/voltio). Este CI es especialmente adecuado debido a la linealidad sobresaliente de su característica de transconductancia durante tres décadas de corriente de control, y debido a su tolerancia relativamente pequeña en el valor de «k» (2:1 para el 3080 y 1,6:1 para el 3080A). Sin embargo, sólo se consigue una buena linealidad para señales de entrada pequeñas, y la tensión de entrada debe atenuarse a unos ± 10 mV cuando se utiliza en el VCF. La figura 3 muestra el circuito del integrador utilizado en el VCF.

Fig.3

La tensión de entrada se atenúa mediante el divisor de potencial conectado a la entrada inversora, y a través de la salida se conecta el condensador integrador de 180pF. Para mantener un funcionamiento correcto del integrador, se debe conectar un divisor de potencial a la entrada inversora. Para mantener el funcionamiento correcto del integrador, la corriente de salida total del OTA debe fluir hacia el condensador integrador, lo que significa que se necesita una etapa tampón con una impedancia de entrada muy alta en la salida del OTA para evitar el «robo de corriente». Para ello se utiliza un FET conectado como seguidor de fuente.

La corriente de control IABC se alimenta a través de una resistencia de 27 k. La constante de tiempo de integración es inversamente proporcional a la corriente de control, por lo que la frecuencia del centro/vuelta del VCF es directamente proporcional a la corriente de control.

La figura 4 muestra el circuito completo del VCF. El circuito real del filtro tiene una característica de frecuencia lineal y está controlado por corriente. Por lo tanto, debe ser precedido por un convertidor exponencial que convierte la tensión de control de entrada en una corriente de control exponencialmente relacionada, de modo que el VCF siga con la misma característica de 1 V/octava que los VCO.

El convertidor exponencial ocupa la parte superior del circuito, y es esencialmente similar al de los VCOs. Sin embargo, la característica de control del VCF no necesita ser tan precisa como la del VCO, ya que un pequeño error sólo introducirá errores menores e imperceptibles en la respuesta de amplitud, mientras que el mismo error en la característica del VCO causaría errores de ajuste inaceptables. Por esta razón, el convertidor exponencial VCF sólo está provisto de un sumador de entrada pasivo (véase la figura 2a del artículo del capítulo anterior), y se prescinde de la estabilización de temperatura del exponenciador, ahorrando así el coste de un IC 726μA no barato. Sin embargo, la compensación de temperatura se mantiene en forma de un par de transistores emparejados. El circuito difiere aquí del VCO ya que el exponenciador debe suministrar corriente al OTA en lugar de hundirla como en el VCO, por lo que se utilizan transistores PNP.

Fig.4

Como no se utiliza la estabilización de temperatura, hay varias opciones para elegir el par de transistores. Quienes tengan acceso a un buen comprobador de transistores o a un trazador de curvas pueden seleccionar un par de transistores de ganancia media de pequeña señal (especificación «B»), como los BC179B, BC559B, BC557B, etc. A continuación, se pegan con adhesivo de epoxi para conseguir un buen seguimiento térmico, tal como se muestra en la figura 5a, teniendo cuidado de que no haya contacto eléctrico entre las carcasas si se utilizan cápsulas metálicas (tenga en cuenta que los números de patilla que aparecen en la figura 5a corresponden a la patillería del IC de la figura 4).

Fig.5

La solución preferida es utilizar una matriz de transistores CA3084, que es lo que se utilizó en el prototipo, pero si esto es difícil de obtener, entonces casi cualquier transistor PNP dual, como el Analog Devices AD 820 … AD 822, Motorola 2N3808 … 2N3811 o SGS-ATES BFX 11, BFX 36 servirá. Tenga en cuenta que el valor indicado para R6 (1k8) es correcto cuando se utiliza el CA3084. Si se utiliza un transistor doble, es aconsejable reducir el valor de R6 a 1k5. El filtro controlado por corriente consta de IC3, IC4 e IC5. Esto no afecta al funcionamiento del circuito, ya que la no-inversión tiene el mismo efecto que la doble inversión que tiene lugar en la figura 1. Sin embargo, asegura que los tres integradores no se inviertan. Sin embargo, asegura que las tres salidas del filtro están en el mismo sentido, mientras que en la figura 1 la salida pasabanda está invertida con respecto a las otras dos salidas.

IC6 funciona como un búfer de salida, y también como un amplificador sumador para las salidas de paso alto para proporcionar la función de hendidura. Al ajustar S2, S3 o S4 en la posición ‘a’, se pueden seleccionar las funciones de paso alto, paso bajo o paso banda respectivamente. Ajustando tanto S2 como S4 en la posición ‘a’ se obtiene la función notch. Como IC3 está conectado como un amplificador inversor e IC6 también invierte, esta doble inversión significa que la señal de salida no está invertida con respecto a las señales de entrada. La ganancia global del VCF (en la banda pasante) es x I (OdB).

Entradas, controles y salidas.

La sección del convertidor exponencial está equipada con un control de sintonía de octava gruesa P1 (observe la ausencia de un control fino en comparación con el VCO) y dos preajustes P7 y P8 para ajustar el offset y la característica voltio/octava. Se proporcionan entradas de control KOV y ECV, como para el VCO. La entrada de control de la modulación de la envolvente (ENV) es ajustable mediante P2 . La entrada de modulación del color del tono controlada por P3 (TM) es análoga a la entrada FM del VCO, es decir, permite modular la frecuencia central/de giro del VCF. Hay cuatro entradas de señal, tres entradas de VCO cableadas internamente y una entrada de señal externa (ES), cuya amplitud puede controlarse mediante P4. El factor Q del filtro se controla mediante P5. Los conmutadores S2 a S4 seleccionan el tipo de filtro deseado, como ya se ha descrito. Se proporcionan dos salidas, una salida no controlada EOS que se lleva a una toma del panel frontal, y una salida interna I0S, que se controla mediante P6.

Construcción.

En la figura 6 se muestra una placa de circuito impreso y un esquema de componentes para el VCF. Se aplican al VCF las mismas consideraciones de calidad de componentes que se aplican a todas las partes del sintetizador. Como se ha mencionado anteriormente, existen dos versiones básicas del CA 3080. El CA3080A tiene mejores especificaciones en cuanto a tolerancia y rango de temperatura ampliado, pero el CA 3080 básico es bastante adecuado (suponiendo que el sintetizador no vaya a utilizarse en ventiscas antárticas). El CA 3080 está disponible en dos encapsulados, TO y mini-DIP, ambos mostrados en la figura 5b.

Fig.5b

La placa de circuito impreso está diseñada para la versión mini-DIP, pero la versión TO- se puede acomodar fácilmente desplegando los cables para ajustarlos a los pines del mini-DIP (de hecho, algunos 3080 en encapsulado TO- ya se suministran con esta operación hecha). Los FET T1 y T2 deben probarse como se detalla en el capítulo 3 y sus resistencias de fuente R23 y R27 deben seleccionarse de acuerdo con la Tabla 1 de ese artículo. En la figura 7 se muestra una disposición del panel frontal para el VCF, y en la figura 8 se muestra un diagrama de cableado para los componentes montados en el panel frontal.

Prueba y ajuste.

Durante el montaje, es conveniente utilizar zócalos de IC para que la sección del circuito del filtro controlado por corriente puede ser probado independientemente del convertidor exponencial. Para probar el VCF, se retira IC1 y se conecta un potenciómetro de 100k log ‘back-to-front’ entre tierra y -15V (es decir, de modo que el extremo de la pista alcanzado por la rotación en sentido horario del potenciómetro esté conectado a tierra). Se conecta un multímetro ajustado en el rango de 100 μA entre el extremo del potenciómetro y la unión de R10 y R33, se suministra una señal de entrada al VCF desde un generador de ondas senoidales o desde el VCO, y se monitoriza la salida de paso de banda en un osciloscopio. La prueba se realiza de la siguiente manera:

  1. Ajustar el factor Q del filtro al máximo (la aguja del P5 girada hacia R19).
  2. Mediante los potenciómetros logarítmicos de 100k, ajustar la corriente de control a 50 μA en el medidor.
  3. Aumentar lentamente la frecuencia del generador de unos 300 Hz a 1500 Hz; en algún punto de este rango, la salida del VCF debería alcanzar su pico al llegar a su frecuencia de resonancia (es decir, habrá un fuerte aumento de la salida a una frecuencia determinada con una caída a cada lado).
  4. Aumente la corriente de control a 100 μA y compruebe que la resonancia se produce ahora al doble de la frecuencia anotada anteriormente.

Nota. Las pruebas 2 a 4 tienen por objeto comprobar la linealidad de la característica frecuencia del filtro en función de la corriente de mando. La tolerancia en el valor absoluto de la frecuencia del filtro para una corriente de control dada se debe a las tolerancias OTA y no es importante siempre que se mantenga la linealidad, es decir, que la frecuencia del filtro se duplique para cada duplicación de la corriente de control.

  1. Ajuste el generador a unos 50 Hz y compruebe que es posible obtener resonancia a esta frecuencia variando la corriente de control con el potenciómetro 100 k. Repita esta prueba a 15 kHz. El convertidor exponencial puede probarse ahora después de insertar el IC 1 y quitar el IC4 y el IC5. Se conecta un multímetro ajustado en el rango de 100 μA desde el extremo inferior de R 10 a -15V y se controla la tensión de deslizamiento de P1 con un voltímetro.

La prueba y el ajuste se realizan de la siguiente manera:

  1. Ajustar P8 en su posición media, y girar P1 totalmente en el sentido contrario a las agujas del reloj para que su tensión en el cursor sea cero. Ajustar P7 hasta que la lectura del microamperímetro sea de 50 μA. Gire P1 en el sentido de las agujas del reloj hasta que su voltage es de 1 V, a continuación, ajuste P8 hasta que el microamperímetro lee 100 μA.
  2. Repita el procedimiento para 2V, 3V,4V etc. en el curso de P 1, comprobando1 que la corriente de salida del exponenciador se duplica por cada aumento de 1V.

Ajuste del offset.

Ahora que se han comprobado las dos secciones del VCF, se pueden insertar IC4 e IC5 para que se pueda comprobar todo el VCF como una unidad funcional, como se indica a continuación:

  1. Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de unos 500 Hz se introduce en una de las entradas del filtro. P1 se gira completamente en el sentido de las agujas del reloj y P7 se gira en sentido contrario.
  2. La salida de paso bajo del VCF se monitoriza en un osciloscopio, y en esta etapa debería aparecer en la salida sin degradación.
  3. Si el cursor de P7 se gira ahora lentamente en el sentido de las agujas del reloj, el borde de entrada de la onda cuadrada empezará a redondearse a medida que se reduce el punto de rotación del filtro. Para llevar a cabo el ajuste de desplazamiento con P7, se gira su cursor en el sentido de las agujas del reloj tanto como sea posible sin degradar significativamente la forma de onda cuadrada (sólo un ligero redondeo de la esquina superior es aceptable, pero este ajuste no tiene que ser particularmente preciso).

Ajuste de voltio/octava.

La característica voltio/octava del VCF puede ajustarse comparándola con un VCO previamente calibrado. Para ello, la entrada KOV (CV) se conecta al VCO y al VCF, y la salida sinusoidal del VCO se conecta a la entrada VCF. El procedimiento de ajuste es el siguiente:

  1. Desconecte la sintonización principal del teclado, pulse la tecla C superior del teclado y utilice el control de octavas del VCO para ajustar su frecuencia a unos 500 Hz. 2. Ajuste el control Q, P5, del VCF al máximo, monitorice la salida pasabanda del VCF y ajuste P1 hasta que la salida del VCF llegue al máximo. Dado que el filtro se sobrecarga fácilmente con factores Q altos, puede ser necesario reducir la tensión de salida del VCO.
  2. Pulse la tecla dos octavas más abajo y ajuste P8 hasta que la salida del VCF vuelva a alcanzar el máximo.
  3. Vuelva a pulsar la parte superior de C y, si es necesario, reajuste P1. para que la salida alcance el máximo.
  4. Repita los pasos 3 y 4 hasta que la salida del VCF alcance el máximo. Repita los pasos 3 y 4 hasta que ya no sea necesario reajustar la salida para que no se produzcan picos al cambiar de una nota a otra.
  5. Es posible que se haya alterado el ajuste del offset, compruébelo y, si es necesario, reajuste P7 como se describe en el procedimiento de ajuste del offset.
  6. Repita los pasos 3 y siguientes hasta que ya no se puedan obtener mejoras.
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