Riccardo Monti

VCO  Voltage Controlled Oscillator

Il V.C.O. è il cuore del sintetizzatore a cui è affidata la funzione di generazione delle note;

a causa della sensibilità dell'orecchio alle variazioni di altezza del suono, è necessario che le frequenze generate siano di estrema precisione.

La relazione tra tensione di controllo e frequenza generata, ha una relazione esponenziale.

Questa è ottenuta pilotando un C.C.O. (oscillatore controllato in corrente) lineare, tramite un convertitore tensione/ corrente con caratteristica esponenziale (figura 1).

Otteniamo quindi un V.C.O. con relazione tensione-frequenza con la caratteristica esponenziale richiesta.

criteri di progetto

convertitore esponenziale

La funzione richiesta al convertitore esponenziale, è di presentare alla sua uscita una corrente che raddoppia per ogni incremento di 1 V della tensione d 'ingresso.

Per ottenere questa relazione, con una buona dinamica, si utilizza un elemento non-lineare come un transistor, di cui si sfrutta la relazione esponenziale che lega la Ic alla Vbe.

Questa relazione è molto precisa per correnti di collettore variabili nella gamma da 1 pA a oltre 1 mA.

Il difetto di questo approccio alla generazione della funzione esponenziale è che la Vbe, dei transistori e quindi la Ic, sono variabili con la temperatura, perciò sarà necessario compensare questa variazione.

schema convertitore esponenziale

Per raddoppiare la Ic è necessario un incremento della Vbe, di circa 16 -20 mV.

l'integrato IC1 forma un amplificatore con guadagno variabile –da circa 0,022 a 0,015, in modo da ridurre l'incremento di 1 V della tensione di ingresso ad un incremento di ,circa 15 mV.

L'amplificatore è in configurazione invertente, perciò ad un incremento di 1 V in ingresso corrisponderà una diminuzione di 15 mV della tensione in uscita.

Le funzioni di Ql, Q2 e IC2.

L'ingresso non invertente di IC2 è collegato a massa in modo che l'ingresso invertente si trovi anch'esso ad un potenziale di massa.

Questo ingresso è collegato al collettore di Q1 e tramite la R7 da 1 Mohm collegata all'alimentazione positiva.

L'uscita di IC2 è connessa tramite R8 agli emettitori di Ql e Q2.

Se la tensione in ingresso aumenta di 1V, la tensione in uscita da IC1 diminuisce di circa15 mV.

Siccome la corrente di collettore di IC1, essendo pilotato a corrente costante non può diminuire, diminuisce la tensione sull'emettitore di Q2, che avendo la base collegata a massa, vedrà aumentare di 15 mV la propria Vbe, raddoppiando quindi la Ic.

La variazione di temperatura fa variare allo stesso modo le Vbe dei due transistori; in tal modo la corrente in uscita non presenta variazioni.

Attraverso questa resistenza scorre quindi una corrente costante di 15 microA; questa corrente, non potendo scorrere attraverso l'ingresso invertente di IC2, può scorrere solo attraverso Q1, che si trova a funzionare in regime di corrente costante.

Questa avviene solo nel caso che le Vbe dei due transistori siano uguali e che si trovino alla stessa temperatura.

Per Q1 e Q2 è stato usato un transistore duale, cioè in due transistori selezionati montati nello stesso involucro; in questo caso, la compensazione in temperatura è ottenuta automaticamente, senza necessità di regolazioni.

C.C.O.      Current Controlled Oscillator

schema semplificato del C.C.O.

Il condensatore C4 è caricato dalla corrente costante proveniente da un generatore di corrente costante, Q2, ottenendo ai suoi capi una rampa lineare.

La tensione ai capi del condensatore è presente all'uscita di IC3, che svolge le funzioni di adattatore d’impedenza; l'uscita dell'adattatore di impedenza è connessa al trigger di Schmitt IC4.

Quando la tensione all'uscita di questo cambia stato, Q3, prima interdetto, si satura scaricando C4.

Il ciclo ricomincia.

All'uscita di IC3 si ha un dente di sega di frequenza direttamente proporzionale alla corrente I.

Poiché il C.C.O. ha caratteristica lineare, sostituendo il generatore con il convertitore esponenziale, otteniamo un V.C.O. con caratteristica esponenziale.

Per ottenere una buona linearità è necessario che il fronte di salita della rampa sia il più breve possibile. Ciò significa utilizzare un trigger estremamente veloce: nel nostro caso è stato utilizzato un 74LS13, che consente di ottenere un fronte di salita della durata di 100 ns; per questa velocità di commutazione, l'integrato IC3 dovrà avere una elevata velocità di risposta, unita ad una alta impedenza di ingresso.

Con il valore di picco del dente di sega in uscita di 3 V, e con fronti di salita di 100 ns, significa che lo «slew rate» di IC3, dovrà essere superiore a 30 V/ ns.

Per avere queste caratteristiche è stato utilizzato un LM310, inseguitore di tensione ad alta velocità, che presenta un'impedenza d’ingresso di 10 Giga ohm,  una corrente di ingresso di 10nA, una banda passante di 20 MHz e uno «slew rate» maggiore di 30 V /ns.

All'uscita del circuito integrato abbiamosi ha una rampa perfettamente lineare, che è impiegata come forma-base per la sintesi delle altre forme d'onda richieste, cioè: rampa, rampa spaziata,  triangolo, sinusoide, onda rettangolare modulabile in larghezza.

schema del C.C.O.

circuiti accessori

Per completare il progetto sono necessari alcuni circuiti accessori:

uno stadio sommatore in ingresso in modo da poter sommare alla tensione proveniente dalla tastiera (KOV) altre tensioni variabili a piacere per selezionare la scala musicale di frequenza del V.C.O. e per effetti di vibrato.

un circuito di sincronismo per bloccare in fase due o più oscillatori che funzionano a frequenze multiple l'uno rispetto all'altro.

un miscelatore in uscita necessario per una vasta gamma di forme d'onda.

formatori d'onda atti a generare, sintetizzandole dalla rampa, le seguenti forme d'onda:

• onda rettangolare modulabile in larghezza, sia manualmente che tramite controllo in tensione
• onda triangolare.
• onda sinusoidale.
• dente di sega e rampa spaziata.

L'ampiezza di ogni forma d'onda è regolabile a piacimento indipendentemente dalle altre.

I comandi, gli ingressi e le uscite presenti sul pannello sono i seguenti:

• Un ingresso di modulazione di larghezza dell'onda rettangolare: la tensione di controllo in questo ingresso varia il DUTY CYCLE dell'onda rettangolare.
• Tre ingressi della tensione di controllo della frequenza del V.C.O. I primi due hanno la caratteristica tensione/frequenza di 1V/ottava, mentre il terzo ingresso una caratteristica tensione/frequenza di 10 V /ottava.
• Un potenziometro PWM, che regola modulazione del DUTY CYCLE dell'onda rettangolare in funzione della tensione di controllo inserita nell'ingresso (1) .
• Un potenziometro per la regolazione di frequenza del V.C.O. (la caratteristica di regolazione di questo potenziometro a 10 giri è di una ottava/giro).
• Un potenziometro per la regolazione manuale del DUTY CYCLE dell'onda rettangolare da circa il 10% a circa il 90%;
• Un attenuatore generale d'uscita del miscelatore;

Non tutti i quattro ingressi hanno la stessa caratteristica di controllo.

Infatti uno di essi, contrariamente agli altri tre che hanno una caratteristica 1 V /ottava, ha una caratteristica V/F di 10 V/ottava; ciò significa che per alzare la frequenza del V.C.O. di 1 ottava sarà necessario inserire in questo ingresso una tensione di 10 V. questo risulta estremamente utile nel caso servano variazioni di frequenza estremamente limitate, ad esempio per la realizzazione dell'effetto vibrato.

Uno degli ingressi di controllo con caratteristica V/F di 1V/ottava (KOV) è internamente collegato alla tensione di controllo proveniente dalla tastiera, tramite i connettori posti sulla parte posteriore dei moduli; si è scelta questa architettura per ridurre gli incavettamenti necessari sul pannello frontale; questo V.C.O. utilizzabile anche come LFO, escludendo la tensione di controllo proveniente dalla tastiera tramite S1.

Il V.C.O. possiede anche una regolazione manuale della frequenza, che è ottenuta tramite RV2, che è un potenziometro a 10 giri, munito di manopola contagiri necessaria per ottenere la precisione richiesta, bufferato da IC1 in configurazione voltage-follower, per non caricare RV2 con la bassa impedenza del sommatore IC2.

Le differenze principali consistono nell'aver inserito una gamma a frequenza bassissima ed un circuito necessario per sincronizzare un V.C.O. con un altro gemello; la prima funzione accessoria è ottenuta semplicemente inserendo in parallelo a C16 un condensatore di capacità notevolmente maggiore, tramite S2.

schema circuito dell’oscillatore controllato in corrente

Il circuito di sincronismo è realizzato utilizzando la seconda metà di IC6, Q4, D1, D2 e alcuni componenti passivi; per sincronizzazione si intende il bloccaggio di due o più oscillatori su frequenze armoniche.

Il generatore sincronizzante dovrà avere frequenza uguale o superiore dell'oscillatore sincronizzato.

Il funzionamento è il seguente: gli impulsi di scarica del condensatore C16 sono bufferati da IC6 e Q4 ottenendo all'uscita degli impulsi di circa 5 V di ampiezza e della durata di 100 micro secondi.

Questi impulsi, introdotti nell'ingresso di sincronismo del secondo oscillatore, servono per scaricare il condensatore in anticipo, bloccando in fase le due frequenze.

circuiti formatori d’onda

La figura seguente mostra gli stadi di formatori d'onda, che sono necessari per ottenere dal V.C.O. tutta una serie di forme d'onda di contenuto armonico diverso.

Grazie a questo circuito il V.C.O., oltre alla rampa può generare le forme d'onda rettangolare, triangolare, sinusoidale e a dente di sega, tutte disponibili contemporaneamente.

schema circuiti formatori d’onda

Il circuito elettrico deve soddisfare requisiti contrastanti; oltre ad avere una banda passante che si estende da frequenze bassissime a frequenze ultrasoniche, deve poter processare segnali con fronti di salita e/o discesa rapidissima.

Il primo punto impone l'accoppiamento D.C. di tutti i circuiti, mentre il secondo e il terzo punto impongono l'uso di operazionali molto veloci, o, quando possibile, l'uso della compensazione «feed-forward».

Funzionamento: l'integrato IC7 si comporta come disaccoppiatore e presenta alla sua uscita una rampa lineare.

Il circuito composto da IC8, Q5, Q6 e IC9 serve per ottenere la forma d'onda triangolare; è composto da un rettificatore di precisione (IC8) che presenta alle sue uscite due segnali in opposizione di fase ottenuti rettificando a semionda la rampa in uscita da Q4.

I due segnali ottenuti, bufferati da Q5 e Q6 in configurazione emitter-follower, sono inviati all'amplificatore differenziale IC9 ottenendo alla sua uscita la forma d'onda richiesta.

Una semionda del segnale all'uscita di IC8 è prelevata e bufferata da IC10 ottenendo la rampa spaziata.

L'onda sinusoidale è ottenuta per sintesi dal segnale triangolare; l'integrato IC12 insieme ai diodi D5-D14 formano un generatore di funzione non-lineare, approssimando per gradini successivi la sinusoide.

 La forma d'onda rettangolare è ottenuta dal circuito formato da IC15, Q7, Q8, 09 e IC11.

Il circuito consiste in un comparatore di tensione ai cui ingressi è inviata la rampa in uscita da Q4 e una tensione continua di riferimento, presente all'uscita di IC15, che è variabile sia tramite controllo manuale sia tramite controllo in tensione, pertanto la forma d'onda rettangolare in uscita potrà essere modulata in larghezza in entrambi i modi.

Il miscelatore d'uscita è costruito intorno a IC13 e IC14. IC13 è collegato come sommatore/invertitore, mentre IC14 ripristina la fase corretta.

circuito miscelatore forme d’onda e stadio di uscita

modifica al convertitore esponenziale

per rendere più stabile in frequenza l’oscillatore, si è sostituito il doppio transistor MD8003 (Q1,Q2) con il circuito integrato LM3046 che contiene al suo interno , oltre il doppio transistor, anche altri 3  che abbiamom utilizzato per formare un termostato, 2Q4 e Q5 come riscaldatori e Q3 come sensore di temperatura

utilizzo segnale di sincronismo

il segnale di sincronismo, serve per fare in modo che i due oscillatori non creino battimenti tra di loro, ciò si ottiene collegando l'uscita SINC OUT del generatore sincronizzante con l'ingresso SINC IN dell’oscillatore sincronizzato; si rammenti che la frequenza del generatore sincronizzante deve essere superiore od uguale a quello sincronizzato. 

Nel caso cioè, che i due oscillatori abbiano frequenza l'una tripla rispetto all'altra si posizionano i controlli dei due V.C.O. in modo che le due frequenze siano all'incirca nello stesso rapporto, quindi collegando il cavo che porta il sincronismo tra l'uscita del V.C.O. a frequenza maggiore e l'ingresso del V.C.O. a frequenza minore, si ottiene il bloccaggio in fase dei due oscillatori; il rapporto si mantiene anche cambiando le frequenze tramite la tastiera o tramite il controllo di «pitch» presente nell'interfaccia della tastiera

l'impulso di sincronismo può modificare la durata e quindi l'ampiezza delle forme d'onda, alterando pertanto le forme d 'onda triangolare e quadra, ottenendo degli effetti sonori interessanti.