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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Departamento de Engenharia Eletrnica

SINTETIZADOR MUSICAL ANALGICO - UMA RELEITURA SOB A TICA DA ELETRNICA MODERNA

Autor: CHRISTIAN GONALVES HERRERA

Orientao: Prof. Pedro Francisco Donoso Garcia

Belo Horizonte - Outubro de 2001

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NDICE

1 OBJETIVOS.......................................................................................................................... 3

2 INTRODUO ..................................................................................................................... 3

3 UMA BREVE REFERNCIA HISTRICA....................................................................... 4

4 PRINCPIOS DE SNTESE MUSICAL............................................................................... 5

5 OS PARMETROS FUNDAMENTAIS DO SOM.............................................................. 5 5.1 FREQNCIA.................................................................................................................................6 5.2 AMPLITUDE...................................................................................................................................8 5.3 CONTEDO HARMNICO............................................................................................................8

6 VARIAO NOS PARMETROS...................................................................................... 9

7 SINTETIZADORES MUSICAIS ELETRNICOS........................................................... 11

8 SINTETIZADORES CONTROLADOS POR TENSO ................................................... 11 8.1 OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSO .......................................................................12 8.2 RELAO EXPONENCIAL ENTRE FREQNCIA E TENSO DE CONTROLE .....................15 8.3 AMPLIFICADORES CONTROLADOS POR TENSO.................................................................18 8.4 FILTROS CONTROLADOS POR TENSO..................................................................................21 8.5 O TECLADO .................................................................................................................................23 8.6 GERADOR DE ENVELOPE - ADSR.............................................................................................25

9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS................................................................................... 26

10 CONCLUSO ..................................................................................................................... 31

11 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................. 33

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1 OBJETIVOS

Desde o seu surgimento a eletrnica mostrou-se uma forte aliada criao musical, seja na gravao ou na reproduo de msica.

Na gerao de sons musicais, ou sntese sonora, no foi diferente. Ao longo das ltimas dcadas surgiram os mais variados tipos de instrumentos musicais eletrnicos, influenciando toda uma gerao de msicos e engenheiros eletrnicos.

Entretanto, os msicos sempre tiveram dificuldades com a complexidade tcnica de tais instrumentos, e por muitas vezes chegaram a evitar o seu uso efetivo. Os primeiros sintetizadores, construdos no incio do sculo XX, envolviam dezenas de circuitos analgicos primitivos, e eram extremamente difceis de se operar, obrigando o msico a gastar semanas na composio de uma obra da qual ele s saberia o resultado depois de pronta.

O ponto alto da interao entre os msicos e os instrumentos musicais eletrnicos ocorreu apenas nas dcadas de 60 e 70, com o lanamento dos sintetizadores analgicos Moog. Estes sintetizadores revolucionaram este ramo por serem extremamente amigveis ao usurio. Os controles de todos os parmetros sonoros estavam disponveis no painel do instrumento na forma de chaves e potencimetros, e ajustveis em tempo real. Em poucas horas de experimentao era possvel familiarizar-se com os controles, e as possibilidades de criao sonora eram infinitas.

Com o surgimento dos microprocessadores, na dcada de 80, os sintetizadores Moog caram em desuso, sendo substitudos por sintetizadores digitais de arquitetura complexa, que prometiam uma maior preciso no controle dos parmetros. Em contrapartida, voltaram a ser evitados pelos msicos pela dificuldade na compreenso e execuo do instrumento.

Este relatrio tcnico tem como objetivo fazer uma releitura do sintetizador Moog, atravs do estudo aprofundado das tcnicas de sntese empregadas por este sintetizador. proposto neste trabalho, a anlise e a implementao de circuitos atualizados, utilizando dispositivos eletrnicos modernos.

2 INTRODUO

O desenvolvimento da sntese sonora foi baseado no desejo do homem de reproduzir os sons existentes na natureza. Veio da a criao dos instrumentos musicais acsticos, que visam imitar a voz humana em seus mais diferentes aspectos.

O crescente desenvolvimento da eletrnica possibilitou o surgimento do sintetizador eletrnico, um aparelho que inclui todos os fundamentos do som e abre um extenso leque de recursos, pois viabiliza a criao de novos sons, alm dos j existentes.

Neste projeto orientado ser abordada uma tcnica de sntese sonora desenvolvida pelo Dr. Robert Moog, na dcada de sessenta, denominado de Mdulos para msica eletrnica controlados por tenso [3]. Esta tcnica foi implementada em todos os modelos dos sintetizadores Moog, que saram de fabricao no incio dos anos oitenta.

De fato, a tecnologia utilizada por esse pesquisador j bastante ultrapassada, de modo que sero aproveitadas suas idias bsicas, aplicadas a uma tecnologia mais moderna e eficaz afim de projetar e implementar cada um dos mdulos que constituem um sintetizador musical eletrnico.

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Antes de identificar e descrever o funcionamento destes mdulos, ser feita uma introduo aos parmetros fundamentais do som, bem como aos princpios da sntese musical, passando por uma breve noo histrica, onde sero citadas algumas das outras tcnicas de sntese. Sero apresentados e discutidos os princpios de funcionamento dos circuitos que compem um sintetizador. Ao final, sero mostrados alguns circuitos integrados modernos totalmente dedicados sntese subtrativa, que substituem os circuitos descritos aqui.

3 UMA BREVE REFERNCIA HISTRICA

O incio das pesquisas relativas msica eletrnica bastante recente [7]. O primeiro aparelho que se teve notcia, o Telharmonium, foi publicado pela primeira vez na revista Eletrical World de 1906 e o seu criador se chamava Thaddeus Cahills. Dezessete anos mais tarde, o professor Leon Theremin inventou o Theremin, um aparelho utilizado at hoje, principalmente por sua estranha forma de execuo: tocado sem contato fsico e sua freqncia e intensidade so alterados medida que se move as mos sobre suas diversas antenas.

O Matenot, o Ondoline e o Trutonium foram contemporneos do Theremin e j utilizavam teclados e osciladores LC com recursos de timbre e vibrato baseados num princpio bastante semelhante as utilizado nos rgos eletrnicos atuais.

Em 1955, os doutores Harry Olson e Herbert Belar construram, com o apoio da RCA, os fabulosos sintetizadores MARK I e MARK II. Tais aparelhos j poderiam ser considerados sintetizadores, pois tratavam todas as caractersticas do som particularmente. O MARK II existe ainda hoje no Columbia Princeton Electronical Musical Center e est avaliado em cerca de meio milho de dlares. Utiliza uma fita de papel perfurado onde so registrados a freqncia, a oitava, o timbre, o envelope e a intensidade do som a ser reproduzido, todos em funo do tempo. Os registros acionam uma srie de osciladores, divisores de freqncia, diapases, rels e controladores de amplitude.

Um outro processo para a realizao de msica eletrnica surgiu com o desenvolvimento das fitas magnticas. O msico opera uma srie de osciladores, filtros, amplificadores e outros equipamentos de udio e grava em uma fita magntica a seqncia a ser executada.

Tanto no caso do MARK II quanto das fitas magnticas, as evidentes desvantagens esto no custo e no tempo de operao. Para que o msico obtenha uma seqncia musical necessrio que cada som seja cuidadosamente calculado, sem contato direto com a obra que est executando, pois no se trabalha em tempo real. O trabalho todo desenvolvido em laboratrio e demora meses para ser completado.

Mtodos mais aperfeioados surgiram em 1964 apenas, quando o Dr. Robert A. Moog apresentou, em uma conveno da Audio Engineering Society, um trabalho intitulado Mdulos para msica eletrnica controlados por tenso. Iniciou-se, ento, um mtodo to revolucionrio que suprimiu completamente os anteriores, sendo adotado no s pelos sintetizadores da MOOG Inc., cuja primeira linha surgiu em 1967, como tambm por todas as outras firmas ligadas msica eletrnica. O mtodo consiste em modificar as caractersticas do som por meio de tenses e no, como anteriormente, pela posies de botes. Surgiram ento os VCOs (oscilador controlado por tenso), VCFs (filtro controlado por tenso), VCAs (amplificador controlado por tenso) e uma srie de outros mdulos que fornecem um controle simultneo sobre os parmetros sonoros, aumentando extraordinariamente a velocidade da sntese sonora, chegando inclusive a permitir que o sintetizador seja utilizado em atuaes ao vivo.

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4 PRINCPIOS DE SNTESE MUSICAL

A arte de criar e ouvir msica uma das mais antigas formas de expresso cultural do homem. Somente o homem capaz de criar e controlar sons que simultaneamente detm todos os parmetros que caracterizam uma msica.

Durante a evoluo da histria da msica e dos instrumentos musicais, vrios tipos de materiais brutos como varetas, troncos de rvores e chifres de animais foram utilizados para produzir sons. Com a evoluo da humanidade, estes materiais foram modificados e aperfeioados de modo a produzir uma maior variedade de sons. Com o advento dos primeiros instrumentos musicais com uma escala de tons totalmente definida, a msica passou a ser executada somente em instrumentos artificiais.

Historicamente, os fabricantes de instrumentos musicais sempre mostraram uma tendncia a utilizar a tecnologia e os materiais mais recentes de que dispunham. A utilizao de uma nova tecnologia de uma maneira experimental em msica bastante razovel, uma vez que a conseqncia de uma falha no nada mais do que um incentivo para se tentar novamente. Alm disto, para um msico, o resultado que no foi desejado por alguns, pode ser apreciado por outros.

No de surpreender, ento, que os fabricantes de instrumentos musicais do sculo XX tenham rapidamente se aventurado na engenharia eletrnica moderna, uma vez que essa tecnologia proporciona a construo de instrumentos compactos, precisos e com uma enorme variedade de timbres sonoros.

Provavelmente, o maior objetivo do msico que se dedica pratica de instrumentos musicais eletrnicos ampliar as suas opes de sons para a composio musical. Todos os instrumentos tradicionais so limitados com relao freqncia, potncia sonora e ao contedo harmnico que podem produzir. Embora teoricamente seja possvel conseguir qualquer tipo de som combinando os instrumentos de uma orquestra, esta uma prtica que se mostra invivel, devido a fatores como tempo e custo.

Outro fator que pesa a favor dos instrumentos eletrnicos o controle preciso de todos os parmetros sonoros. Embora a preciso levada ao extremo no soe necessariamente musical, variaes de afinao e andamento causadas por uma execuo deficiente, alm de alguns tipos de distoro, causam desagradveis sensaes aos ouvintes mais treinados.

Muitos sons naturais so extremamente complexos quando descritos em termos dos parmetros sonoros fundamentais. Uma rea de interesse de vrios pesquisadores a anlise precisa de sons naturais, muitos dos quais so difceis de ser imitados. Com a informao vinda destas anlises, novos sons podem ser sintetizados eletronicamente de modo a se parecer com os originais, ou at enfatizando uma ou mais de suas caractersticas.

Em concluso, o msico que trabalha com instrumentos musicais eletrnicos est limitado apenas pela sua prpria imaginao.

5 OS PARMETROS FUNDAMENTAIS DO SOM

A msica um conjunto de sons ordenados. Na sntese musical, um certo conhecimento da fsica do som necessrio para se entender, construir e experimentar sons com um adequado grau de controle, principalmente quando lidamos com instrumentos musicais eletrnicos.

Uma maneira de se visualizar um determinado som atravs da sua forma de onda, ou seja, a forma em que a presso de ar varia no tempo. Hoje em dia possvel visualizar

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formas de onda na tela de um osciloscpio ou de um computador, atravs de uma placa de aquisio de dados. Para tanto, os sons devem ser convertidos em tenso eltrica, quando j no se encontram nessa grandeza.

Toda forma de onda pode ser descrita atravs de seus parmetros fundamentais. Assim, uma onda senoidal pode ser descrita por dois parmetros: a amplitude e o perodo, como na equao 1:

( )T

t2sinV=tv pp

, (1)

onde Vp a amplitude mxima e T o perodo (Figura 1).

T

t

vp(t)

Vp

Fig. 1.- Representao grfica de uma forma de onda senoidal.

5.1 FREQNCIA

O recproco do perodo (T) chamado de freqncia (f=1/T), que o termo comumente usado. Sua unidade o hertz (Hz). Altos valores de freqncia so medidos em kilohertz (kHz). O ouvido humano capaz de perceber sons com freqncias entre 16 Hz e 16 kHz, embora esses valores sejam um tanto arbitrrios, por variarem de pessoa para pessoa, alm de ser influenciado pela idade destes.

A freqncia de uma onda sonora est relacionada com a sua altura. A altura um parmetro subjetivo que existe apenas no crebro do ouvinte, enquanto a freqncia um parmetro fsico. Assim, um incremento na freqncia corresponde a um incremento na altura de um som, sendo que a relao entre estas duas grandezas no linear, e sim exponencial. Um incremento de 100 Hz numa onda cuja freqncia tambm de 100 Hz resulta num grande aumento em sua altura, enquanto o mesmo incremento numa onda sonora de 5 kHz praticamente imperceptvel. Para causar o mesmo efeito de percepo, necessrio dobrar a freqncia, isto , partir de 5 kHz para 10 kHz.

A escala de tons musicais tm seu prprio sistema de medida. Ao contrrio da freqncia, as unidades so relativas ao invs de absolutas. A unidade fundamental a oitava. Se um tom B uma oitava acima de um tom A, ento a sua freqncia exatamente

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o dobro da segunda. Outra unidade o semitom, que 1/12 de uma oitava, ou uma razo de 1,05946. Um semitom a diferena de altura entre duas notas diretamente adjacentes em um instrumento musical afinado convencionalmente.

Uma vez que as unidades de afinao so puramente relativas, uma nota padro deve ser definida afim de se obter as freqncias correspondentes de todas as outras notas musicais, aplicando-se a elas uma razo apropriada. Esta nota o L (A4) acima do D (C4) mdio, e sua freqncia de 440 Hz.

Tabela 1. Sistemas de afinao

Nota Razo Freqncia (Hz) Freqncia (Hz)A0 0,0625 27,5000 1/16 0,0625 27,5000A1 0,1250 55,0000 1/8 0,1250 55,0000A2 0,2500 110,0000 1/4 0,2500 110,0000A3 0,5000 220,0000 1/2 0,5000 220,0000A#3 0,5297 233,0680B3 0,5612 246,9280 9/16 0,5625 247,5000C4 0,5946 261,6240C#4 0,6300 277,2000 5/8 0,6250 275,0000D4 0,6674 293,6560 4/6 0,6667 293,3330D#4 0,7071 311,1240E4 0,7492 329,6480 3/4 0,7500 330,0000F4 0,7937 349,2280F#4 0,8410 370,0400 5/6 0,8333 366,6670G4 0,8910 382,0400G#4 0,9439 415,3160 15/16 0,9375 412,5000A4 1,0000 440,0000 1 1,0000 440,0000A#4 1,0594 466,1360B4 1,1224 493,8560 9/8 1,1250 495,0000C5 1,1892 523,2480C#5 1,2600 554,4000 5/4 1,2500 550,0000D5 1,3358 587,3120 4/3 1,3333 586,6670D#5 1,4142 622,2480E5 1,4984 659,2960 3/2 1,5000 660,0000F5 1,5874 698,4560F#5 1,6820 740,0800 5/3 1,6667 733,3330G5 1,7820 784,0800G#5 1,8878 830,6320 15/8 1,8750 825,0000A5 2,0000 880,0000 2 2,0000 880,0000A6 4,0000 1760,0000 4 4,0000 1760,0000

Temperada A Maior JustaRazo

A Tabela 1 mostra dois sistemas de afinao bastante utilizados [1]. O mais popular deles a escala temperada, que baseada simplesmente na razo de 1,05946 entre dois semitons adjacentes (e.g.: A4A#4). O outro sistema mostrado a escala justa, que mais musical e agradvel aos ouvidos, particularmente quando so tocados acordes. A distncia entre duas notas baseada na razo de dois nmeros inteiros de baixo valor. Por exemplo, um intervalo de quinta (sete semitons) idealmente uma razo de 3:2, e uma tera (quatro semitons) uma razo de 5:4. A desvantagem deste sistema que nem todos os semitons esto igualmente espaados; a transposio de um tom para outro prejudicada, uma vez que todas as notas da escala so afinadas para responder a uma razo relacionada a um tom fundamental. A escala mostrada na Tabela 1, por exemplo, corresponde ao tom L Maior.

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Tal situao claramente impraticvel em todos os instrumentos de afinao fixa, como pianos, rgo, violes, etc.

5.2 AMPLITUDE

O outro parmetro que descreve uma forma de onda, ou um determinado som, a amplitude. Em acstica, a amplitude representa a magnitude da variao da presso do ar, enquanto que em eletrnica a amplitude relacionada com a magnitude da tenso ou da corrente num circuito.

A maneira mais bvia de se especificar a amplitude de uma onda de tenso senoidal determinando a mnima e a mxima tenso num perodo e expressando a amplitude como a diferena entre os dois extremos. Esta chamada a amplitude pico-a-pico. comum tambm especificar o valor mdio da amplitude da onda num perodo de tempo. Outro mtodo relaciona a quantidade de calor produzida em uma carga resistiva ligada a uma fonte de tenso senoidal, com a quantidade de calor produzida na mesma carga ligada uma fonte de tenso contnua. A tenso contnua necessria para produzir a mesma quantidade de calor chamada de tenso efetiva, ou rms (root-mean-square).

Devido a vrios fatores como, por exemplo, a enorme faixa dinmica do ouvido humano, a amplitude usualmente expressa em decibis, que uma unidade adimensional que relaciona logaritmicamente a razo entre duas grandezas. Assim,

dBAAlog20Aref

dB= , (2)

onde A a amplitude original, Aref uma amplitude de referncia e AdB a amplitude em decibis.

5.3 CONTEDO HARMNICO

Talvez o parmetro mais interessante num sinal sonoro seja o seu contedo harmnico. ele quem define o timbre, ou caracterstica tonal de um som.

Em meados do sculo XVII, o matemtico francs J. Fourier provou matematicamente que qualquer forma de onda, independente da sua origem, um somatrio de ondas senoidais de diferentes freqncias, amplitudes e fases. Ele mostrou que se a forma de onda se repete periodicamente, ento as freqncias das componentes senoidais so restritas a valores mltiplos da freqncia de repetio da forma de onda.

A Figura 2 mostra uma tentativa de composio de uma onda quadrada. O primeiro grfico a freqncia fundamental, ou o primeiro harmnico. medida em que harmnicos de ordem superior vo sendo somados, a forma de onda vai se aproximando da onda quadrada. No segundo grfico mostrado a soma de trs harmnicos, e no terceiro grfico mostrado a soma de seis harmnicos. Note que os sinais so representados tanto no domnio do tempo ( esquerda na figura) quanto no domnio da freqncia ( direita).

A forma de onda quadrada, segundo Fourier, pode ser expressa da seguinte maneira:

( ) ( )

=

=1i

0q tfi2sini14tA , (3)

para todo i mpar.

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t

t

t

A

A

A

f (Hz)

f (Hz)

f (Hz)

f0

f0

f0

3f0

3f0

5f0

5f0 7f0 11f09f0

Fig. 2.- Representao de formas de onda no domnio do tempo e no domnio da freqncia .

6 VARIAO NOS PARMETROS

Todos os sons em estado estacionrio podem ser descritos por trs parmetros fundamentais: a freqncia, a amplitude e o contedo harmnico. Os equivalentes audveis para esses parmetros so a altura, a intensidade e o timbre.

Contudo, a maioria dos sons reais variam alguns de seus parmetros no decorrer de um intervalo de tempo. O perodo enquanto os parmetros de um sinal sonoro variam, levando-o de um estado estacionrio para outro denominado transitrio.

De todos os parmetros, talvez a freqncia seja o que causa o maior efeito quando variado dinamicamente. Uma simples melodia a uma voz na verdade uma srie de relativamente longos estados estacionrios com curtas transies de freqncia entre eles. Se a transio de freqncia igualmente longa, o efeito audvel um deslizamento de uma nota para uma outra.

Numa execuo musical, uma pequena mas intencional modulao na freqncia adicionada a extensos estados estacionrios. Esta modulao chamada de vibrato, e pode assumir infinitas freqncias, amplitudes e formas de onda. Normalmente o vibrato algo prximo a uma onda senoidal com 6Hz e uma amplitude de 1% da onda original (Figura 3).

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t

A

Fig. 3.- Modulao em freqncia.

Variaes na amplitude tambm so de extrema importncia na caracterizao de um som. Tomando uma melodia a uma voz como exemplo novamente, so as variaes na amplitude que separam uma nota da outra, particularmente quando as duas notas consecutivas so da mesma freqncia. Uma variao de amplitude delineando uma nota ou um som qualquer freqentemente chamado envelope de amplitude, ou simplesmente envelope. A forma e a durao do envelope tem profundo efeito na percepo do timbre de uma nota, to importante quanto o prprio contedo harmnico.

p(t)

tA ta qu e in ic ia l S u s ten ta o

D ec a im en to D eca im en tofina lZ e ro

Fig. 4.- Forma de onda de um envelope de amplitude

A Figura 4 mostra uma representao generalizada e simplificada de um envelope de amplitude. O estado estacionrio inicial o silncio ou zero. O estado estacionrio intermedirio chamado sustentao. A transio entre o zero e a sustentao chamado ataque. A durao do ataque a sua caracterstica principal, embora a forma tambm seja importante, particularmente se o ataque longo. O decaimento inicial uma transio entre o ataque e a sustentao, e causado pela diferena de amplitude entre o ponto mximo do ataque e o nvel da sustentao. Novamente temos a sua durao como o parmetro principal. A transio entre a sustentao e o zero o decaimento final. Alguns instrumentos como o piano no tm sustentao e comeam a decair imediatamente aps o ataque. Nos rgos a nota sustentada enquanto a respectiva tecla estiver acionada. J nos instrumentos de sopro ou de corda com arco, o msico determina com grande preciso a durao e a forma de todos os estados do envelope.

Finalmente, variaes dinmicas no espectro de um som so as mais interessantes e tambm as mais difceis de sintetizar. A razo para tal complexidade est na multidimensionalidade de um espectro de freqncias. Enquanto a amplitude e a freqncia

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so representadas unidimensionalmente, cada harmnico de um sinal sonoro necessita de uma varivel independente para ser representado.

Uma maneira bvia de se controlar e variar o espectro controlar individualmente a amplitude de cada harmnico que compe o sinal. Trata-se de uma tcnica geral e aplicvel a qualquer tipo de som. Os problemas que acompanham esta abordagem so dois. O primeiro diz respeito quantidade de parmetros a serem controlados dezenas de amplitudes de harmnicos. Somente utilizando computadores ou microprocessadores podemos tornar esta tarefa um pouco razovel. O segundo problema justamente como as amplitudes dos harmnicos devem variar para se obter o efeito desejado. Existem mtodos de anlise de sons naturais que resultam em formulaes matemticas que solucionam tal problema. Uma outra alternativa consiste em escolher aleatoriamente contornos para cada harmnico e julgar subjetivamente os resultados que soam bem em determinadas circunstncias. Em todos os casos, entretanto, um computador deve estar envolvido para gerar e documentar os dados.

7 SINTETIZADORES MUSICAIS ELETRNICOS

A sntese musical eletrnica consiste em desenvolver por meio de circuitos eletrnicos sons que sejam teis na composio musical. Estes sons devem possuir freqncia, amplitude e contedo harmnico bem definidos e controlveis.

Existem vrias tcnicas de sntese musical. Uma das mais simples a sntese aditiva. Consiste na implementao eletrnica do teorema de Fourier, ou seja, os sinais de vrios osciladores senoidais com freqncia e amplitude controladas independentemente so adicionados para se obter a forma de onda desejada.

Outro tipo de sntese que a recproca da aditiva a sntese subtrativa. Sinais ricos em contedo harmnico (e.g.: onda retangular) so filtrados convenientemente afim de se obter uma forma de onda com as caractersticas espectrais desejadas.

Tanto a sntese aditiva quanto a subtrativa apresentam limitaes que dizem respeito prpria implementao eletrnica e tambm complexidade no uso destes tipos de sintetizadores.

Tcnicas mais sofisticadas demandam o uso de um microcomputador, como no caso do software Csound. Todos os parmetros sonoros so definidos num programa escrito pelo msico, compilados e executados pelo computador.

8 SINTETIZADORES CONTROLADOS POR TENSO

Os sintetizadores controlados por tenso utilizam a sntese subtrativa para gerar sons. O seu desenvolvimento foi possibilitado pela evoluo dos dispositivos eletrnicos na dcada de 60. Esta tcnica est baseada no conceito de sistemas modulares para a sntese musical, utilizando tenses de controle como uma base conceptual para a organizao e padronizao de todo o sistema musical. Cada mdulo tem uma funo distinta que normalmente corresponde ao parmetro fundamental do som ali tratado. Tais mdulos so facilmente interconectados, possibilitando infinitas configuraes que podem ser alteradas em segundos simplesmente conectando e desconectando os cabos de ligao. O sistema pode ser tocado atravs de um teclado similar ao dos rgos.

Os sinais em um sintetizador controlado por tenso so conceptualmente divididos em sinais de udio que representam sons, e sinais de controle que representam parmetros. Um mdulo amplificador (VCA), por exemplo, tem uma entrada de sinal de udio, uma entrada

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de controle e um sinal de udio como sada. Variando a tenso CC na entrada de controle o ganho do amplificador alterado. Podemos considerar, ento, que o amplificador altera a amplitude do som passando por ele de acordo com a tenso na entrada de controle. Da mesma maneira, um filtro (VCF) altera o timbre do som de acordo com uma ou duas entradas de controle. Embora um mdulo oscilador (VCO) no tenha entradas de sinal, as entradas de controle determinam a freqncia e em alguns casos a prpria forma de onda da sada.

Uma vantagem do conceito de mdulos controlados por tenso que os sinais de controle podem ser processados como sinais de udio, possibilitando o cascateamento de mdulos para se obter mltiplas operaes no mesmo ou em diferentes parmetros.

Diferentemente das outras tcnicas de sntese, a interao pessoal do msico com o instrumento, alm da facilidade no uso, encorajam a experimentao e a improvisao. A familiaridade com os efeitos audveis dos diversos mdulos adquirida em poucas horas.

A Figura 5 mostra um conjunto de mdulos que interagem num sintetizador controlado por tenso na conformao de um sinal sonoro. As setas verticais representam sinais de controle, enquanto que as setas horizontais representam sinais de udio. Um sintetizador para uso profissional demanda uma topologia mais complexa com vrios osciladores, filtros e amplificadores. A inteno deste trabalho descrever o funcionamento, o estudo e a implementao de cada um destes mdulos.

Fig. 5.- Diagrama de blocos de um sintetizador controlado por tenso.

8.1 OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSO

O oscilador controlado por tenso - VCO (Voltage-Controlled Oscillator) o mdulo principal do sistema sintetizador. Normalmente vrios destes circuitos so encontrados num sintetizador comercial. A sua funo gerar formas de onda ricas em contedo harmnico que sero posteriormente filtradas adequadamente de acordo com o timbre que se deseja. Tipicamente trs formas de onda so geradas pelo circuito do VCO: retangular, triangular e dente de serra. Estas formas esto disponveis simultaneamente na sada do circuito e todas na mesma freqncia e fase.

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A onda dente de serra apresenta harmnicos pares e mpares, cujas amplitudes decaem com o inverso do nmero do harmnico, ou 6 dB/oct. Seu timbre envolvente e brilhante.

A onda triangular tem o espectro diferente, apenas os harmnicos mpares esto presentes e suas amplitudes decaem com o quadrado do nmero do harmnico, ou 12 dB/oct. Seu timbre tnue e suave. Esta suavidade decorrente dos fracos harmnicos de ordem superior.

As caractersticas espectrais exatas da onda retangular dependem exclusivamente da simetria entre os pulsos positivos e negativos. Quando so iguais, a onda chamada quadrada e apresenta somente harmnicos mpares que decaem 6 dB/oct. Seu timbre brilhante e tnue. Se os pulsos no so simtricos, o espectro esperado algo muito rico em harmnicos pares e mpares. Geralmente os VCOs incluem um controle de largura de pulso para a onda retangular.

No h necessidade de sintetizar uma forma de onda senoidal, basta aplicar qualquer uma das ondas citadas anteriormente a um filtro passa baixas com a freqncia de corte fixada no valor da prpria freqncia do oscilador. Quanto maior a ordem deste filtro, menor a distoro da onda senoidal.

Alm de ser o mdulo mais importante num sintetizador, o VCO tambm o mais crtico em termos de projeto e construo. Sua exatido no que diz respeito freqncia deve ser levada ao extremo. Um erro da ordem de 0,1% em freqncias elevadas comprometem muito a qualidade do sistema por ser facilmente perceptvel pelo ouvido humano. A forma de onda bsica gerada pelo circuito do VCO, geralmente a dente de serra, deve ser prontamente convertida em outras formas de onda como triangular e retangular atravs de circuitos independentes.

A Figura 6 mostra a topologia bsica de um oscilador. A corrente Ictrl integrada pelo amplificador operacional AO1 e uma tenso crescente aparece em sua sada. Quando esta tenso ultrapassa um valor pr-determinado (Vref), a sada do comparador formado por AO2 muda de estado, polarizando a base do transistor e permitindo a descarga do capacitor. A tenso Vout cai rapidamente at o comparador voltar ao estado inicial e o capacitor ser carregado novamente. Note que o comparador no volta imediatamente ao estado inicial por causa de R e C2, que determinam um pulso de largura constante na sada de AO2. O tempo de durao deste pulso deve ser longo o bastante para garantir a total descarga de C1.

Fig. 6.- Topologia bsica de um oscilador.

A Figura 7 mostra as formas de onda de sada do circuito da Figura 6.

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Fig. 7.- Formas de onda do oscilador.

Um dos primeiros circuitos de osciladores controlados por tenso aplicados sntese sonora utilizava topologias muito similares supracitada. Entretanto, os amplificadores operacionais eram implementados base de transistores bipolares em pares casados. Tal fato contribua com o aumento do preo e do volume fsico do circuito, alm de comprometer fatores como a estabilidade e a exatido.

Hoje em dia existe uma grande variedade de amplificadores operacionais, alguns extremamente dedicados a operaes especficas como comparadores de tenso, buffers, etc., apresentando excelente desempenho.

A freqncia de oscilao deste circuito descrita pela equao 4:

ref

ctrl

V1CI

=f (4)

Para freqncias na faixa de udio, 16 Hz a 16 kHz, e correntes de controle entre 0,25A e 0,25mA, o valor de C1 aproximadamente 2,5nF. O valor comercial mais prximo 2,7nF.

A sada do integrador uma onda dente de serra cuja amplitude varia entre 0V e a tenso de referncia Vref, normalmente 5V. A Figura 8 mostra os circuitos utilizados para padronizar a amplitude desta forma de onda e gerar, a partir dela, as outras trs formas de onda necessrias no sintetizador.

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Fig. 8.- Converso da forma de onda bsica (dente de serra) em onda retangular e triangular.

No amplificador AO3 a onda somada a uma tenso contnua negativa para eliminar a tenso de offset, amplificada para 20V pico a pico e invertida. Neste ponto a forma de onda dente de serra descendente. Com o amplificador AO4 invertemos novamente para conseguir a dente de serra ascendente. O amplificador AO5 implementa a onda triangular a partir da retificao das duas dente de serra obtidas anteriormente. Uma tenso contnua tambm somada por este amplificador, para corrigir qualquer tenso de offset que possa aparecer proveniente da retificao. Aplicando a forma de onda dente de serra a um comparador (AO6) obtemos a onda retangular. A tenso de comparao determina a largura do pulso positivo, variando de 10% a 90%. Um divisor resistivo seguido por um buffer (AO7) atenua o sinal na sada do comparador para os 20V pico a pico definidos como padro.

As quatro formas de onda implementadas neste circuito so somadas ponderadamente de acordo com os quatro potencimetros e invertidas pelo amplificador AO8. Note que este amplificador tem o ganho de aproximadamente 0,5 V/V afim de evitar a saturao quando mais de uma forma de onda aplicada simultaneamente na entrada.

Um circuito idntico ao VCO o oscilador de baixas freqncias - LFO (Low Frequency Oscillator). A nica diferena a faixa de freqncias de oscilao: 0,05 Hz a 25 Hz. O objetivo deste oscilador fornecer um sinal de controle modulante para qualquer um dos mdulos do sintetizador. geralmente utilizado em efeitos como vibrato (modulao em freqncia), tremolo (modulao em amplitude), ou wha-wha (modulao em timbre).

8.2 RELAO EXPONENCIAL ENTRE FREQNCIA E TENSO DE CONTROLE

De todos os parmetros fundamentais do som, certamente a freqncia o mais importante. O ouvido humano muito mais sensvel a pequenas variaes de freqncia do que de qualquer outro parmetro. Obviamente, a questo da relao entre a tenso de controle de freqncia e a freqncia do sinal de udio deve ser cuidadosamente tratada.

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A faixa de sons perceptveis pelo ouvido humano da ordem de 10 oitavas, ou 210, ou 1024:1, ou 16 a 16kHz. Com uma extenso dessas, um erro de 1% chega a ser algo aceitvel em baixas freqncias, mas nas altas freqncias o problema se torna um tanto crtico. Por exemplo, em 20Hz este erro igual a 20/100, ou 0,2Hz. J em 20kHz, este mesmo erro resulta num desvio de freqncia igual a 200Hz! Nos circuitos eletrnicos analgicos, erros desta ordem de grandeza so sempre esperados, provenientes de rudos eletromagnticos, rudos trmicos, ou at mesmo da baixa preciso de alguns dispositivos envolvidos.

Esta uma das razes pelas quais no indicado utilizar uma relao linear entre a freqncia e a tenso de controle. Uma relao exponencial foi definida como padro e a razo escolhida foi a de 1V/oitava. De fato, na escala musical temperada, a relao mesmo exponencial, pois um aumento de uma oitava resulta no dobro da freqncia. Assim sendo, se a base do oscilador for fixada em 20Hz, com uma faixa de tenso de 0 a 10V todo o espectro sonoro coberto. Mais ainda, um erro de 1% corresponde a uma variao de tenso de 14,5mV, independente da freqncia.

Voltando escala temperada, um intervalo de meio tom corresponde a uma variao de 1/12 na freqncia, o que em tenso eqivale a 83mV. Isso uma grande vantagem, uma vez que possvel transpor entre dois tons toda a freqncia de oscilao do sintetizador a partir da soma de uma tenso fixa.

Outra vantagem no caso do vibrato. Considerando que o vibrato demanda uma variao de freqncia da ordem de 1%, num sistema de relao linear o vibrato seria excessivo em altas freqncias e imperceptvel nas baixas. Com a relao exponencial, uma variao de 15mV na tenso de controle resulta na mesma variao relativa de freqncia em qualquer parte do espectro.

Na prtica, entretanto, os osciladores so lineares e o parmetro de controle da freqncia uma corrente de entrada. necessrio, ento, um circuito que faa a converso exponencial de uma tenso de controle para uma corrente de controle. Para tanto, aproveitada a relao exponencial entre a tenso base emissor e a corrente de coletor num transistor. A equao a seguinte [6]:

tbe VVsc eIi = , (5)

onde ic a corrente de coletor, Is a corrente de saturao, Vbe a tenso entre a base e o emissor e Vt a tenso trmica, dada pela expresso:

qkTVt = , (6)

onde:

k = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 joule/kelvin T = temperatura absoluta em kelvin

q = carga do eltron = 1,6 x 10-19 coulomb Para minimizar a forte dependncia com a temperatura, utilizado o circuito de

compensao que mostrado na Figura 9.

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Fig. 9.- Circuito para compensao de temperatura.

O amplificador operacional funciona como uma fonte de corrente, garantindo a corrente Iref independentemente da corrente Iout. A tenso de controle aplicada nas bases dos transistores e referenciada ao terra. A compensao de temperatura se d no fato de que a mesma variao de temperatura sentida pelos dois transistores. importante observar que os transistores devem ser idnticos. Existem arranjos de transistores encapsulados num nico chip, como o CA3046, com cinco transistores NPN idnticos.

O circuito mostrado na Figura 10 incorpora um somador inversor entrada de controle e uma realimentao da corrente de controle na entrada da tenso de controle. A razo para tal realimentao compensar os erros do oscilador em altas freqncias (correntes de controle de maior magnitude) que fazem com que as altas freqncias sejam menores do que deveriam. Este efeito indesejvel causado pelo tempo limitado da descarga do capacitor C1 do oscilador mostrado na Figura 6. Em altas freqncias, a conseqncia o aumento do perodo da onda, ou a diminuio da freqncia de oscilao.

Fig.10.- Circuito completo do conversor exponencial tenso-corrente.

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Temos, ento, dois sinais de controle na sada deste circuito. O primeiro ICTRL, a corrente de controle que determina a freqncia do VCO. O segundo VFc, uma tenso de controle que varia na mesma proporo que ICTRL e serve de referncia para o filtro controlado por tenso - VCF (Voltage-Controlled Filter).

As entradas do circuito so as tenses de controle VCTRL, que vem do circuito do teclado, VLFO, que uma entrada para modulao em freqncia proveniente do oscilador de baixas freqncias - LFO (Low Frequency Oscillator) e um ajuste da freqncia zero, ou seja, a freqncia do oscilador na ausncia das outras duas entradas. Este ltimo sinal de controle tambm funciona como a referncia para a afinao do sintetizador.

Dois ajustes so necessrios para o correto funcionamento deste conversor exponencial. O primeiro diz respeito ao ajuste de oitavas por volt. Ele determina o ponto de operao dos transistores. O segundo ajuste a quantidade de realimentao no circuito compensador para altas freqncias.

8.3 AMPLIFICADORES CONTROLADOS POR TENSO

Um amplificador controlado por tenso - VCA (Voltage Controlled Amplifier), um amplificador de sinais de udio cujo ganho proporcional a uma tenso de referncia, que pode vir de um controle acionado pelo usurio ou de algum outro mdulo do sintetizador.

O princpio de funcionamento do VCA est baseado na multiplicao do sinal de udio pelo sinal de controle, o que resulta numa modulao em amplitude. Uma multiplicao nos quatro quadrantes seria o mais indicado, porque a sada seria o verdadeiro produto algbrico dos sinais. Na prtica, isso significa a possibilidade de se controlar o ganho do amplificador com tenses positivas e negativas. Entretanto, circuitos que realizam a multiplicao em apenas dois quadrantes so muito mais fceis de serem implementados, e a nica restrio o fato de a tenso de controle ser limitada a valores positivos, o que aceitvel.

No passado, qualquer circuito que variasse eletricamente o ganho de um amplificador poderia ser considerado um VCA. Clulas fotorresistivas iluminadas por lmpadas e potencimetros acionados por servo motores so exemplos mais antigos. Tcnicas mais recentes utilizam transistores FET como resistncias variveis, ou ainda a dependncia do ganho de um amplificador transistorizado pela corrente de polarizao.

Dois padres de avaliao inicialmente utilizados foram a distoro do sinal e o isolamento do sinal de controle. A velocidade de resposta do sistema tambm mostrou-se um padro importante, o que leva rejeio de tcnicas que utilizam clulas fotorresistivas, graas sua alta constante de tempo, na ordem de milissegundos. A resposta dos FETs extremamente rpida, entretanto sua resposta ao controle algo no linear, apesar de ser facilmente previsvel. A variao da corrente de polarizao de um amplificador transistorizado, que o pior mtodo sob o ponto de vista do isolamento, o mais usado na construo de VCAs.

A Figura 11 mostra a topologia de um amplificador diferencial cujo ganho determinado pela corrente de polarizao Ic. Como a entrada a diferena entre as tenses E1 e E2 nas bases dos transistores, e a sada a diferena entre as correntes I1 e I2 nos coletores, a relao entre a entrada e a sada corretamente denominado de transcondutncia.

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Fig. 11.- Amplificador diferencial.

Os transistores devem ser idnticos, ou seja, devem ter o mesmo ganho de corrente (). Alm disso, a soma de I1 e I2 constante e igual corrente de polarizao IC. Portanto, uma pequena variao na diferena das tenses nas bases dos transistores, resultar numa variao proporcional na diferena das correntes dos coletores. Adicionando resistores idnticos (R) nos coletores, a sada pode ser tambm uma diferena entre tenses [6]:

( )2E1ERVt1

2I1E1 - E2 coutout

= (7)

Apesar de ser um circuito simples, sua implementao torna-se um pouco complicada por dois fatores: 1) necessrio uma fonte de corrente controlada por tenso para controlar a polarizao dos transistores atravs de um sinal de tenso; 2) para o perfeito isolamento entre os sinais de controle e o sinal de udio, necessrio um amplificador com elevada taxa de rejeio s tenses de modo comum na sada diferencial.

Todos os blocos que compe um VCA esto disponveis em um circuito integrado, a um preo acessvel. O amplificador operacional de transcondutncia varivel, CA3080, possui a clula amplificadora diferencial, um amplificador diferencial de sada e uma fonte de corrente controlada por corrente para a polarizao, tudo em um encapsulamento dual-in-line de oito pinos. Pode ser alimentado com at 15V e possui alta impedncia de entrada e de sada. A sada um sinal de corrente que, temperatura ambiente, obedece expresso:

( )2E1EI2,19I cout = (8)

onde Iout a corrente de sada, Ic a corrente de controle e (E1-E2) o sinal diferencial de entrada.

O comportamento linear deste circuito integrado est limitado a tenses de entrada com amplitudes menores que 10mV de pico. A corrente de controle pode variar numa faixa entre 0,5A at 0,5mA.

O circuito de um VCA apresentado na Figura 12. O ganho do circuito foi projetado para ser igual a A=VIN/10, onde VIN a tenso de controle. Assim, o ganho unitrio para uma tenso de controle igual a 10V, e nulo para tenso de controle igual a 0V.

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Na entrada do CA3080 (AO2) um divisor de tenso formado por R4 e R5 atenua o sinal de udio 1000 vezes, possibilitando a amplitude do sinal de entrada a atingir valores entre 10V pico a pico. Assim as tenses nas entradas diferenciais do CA3080 so mantidas dentro dos 10mV de pico especificados anteriormente.

A corrente de controle do CA3080 gerada pelo amplificador AO1 em conjunto com o transistor Q1. Se o ganho de corrente de Q1 alto, ento a corrente de emissor IE quase igual corrente de coletor IC. A corrente IE determinada pelo resistor R3, gerando a tenso VE , que realimentada para a entrada inversora do amplificador AO1 via o resistor R2. Em operao normal, o amplificador AO1 vai ajustar sua tenso de sada fazendo VE = -VIN. Na verdade, o resistor R3 est em paralelo com o resistor R2, (a entrada inversora est em terra virtual), o que faz a corrente de sada ser aproximadamente igual a 0,5mA quando a tenso de controle VIN for igual a 10V.

A corrente de sada do CA3080, que o sinal de udio, convertida em tenso pelo amplificador AO3. Com a corrente de controle IC ajustada para 0,5mA e um sinal de udio de entrada de 10V de pico, a amplitude da corrente de sada ser aproximadamente 0,1mA de pico. Com o resistor R6 igual a 100k o sinal de udio de sada ter amplitude igual a 10V de pico, ou seja, o VCA apresenta ganho unitrio quando a tenso de controle do ganho mxima (10V).

Um dos pontos crticos deste circuito a relao sinal rudo, comprometida pela necessidade de sinais com baixos valores de amplitude na entrada do CA3080. Com 10mV de pico na entrada este amplificador apresenta uma relao sinal rudo de 66dB e 1,3% de taxa de distoro harmnica. Melhores resultados podem ser obtidos utilizando blindagem apropriada do circuito.

Fig. 12.- Circuito completo do VCA.

A Figura 13 mostra o circuito implementado na prtica, que possui duas entradas de controle. O primeiro sinal de controle vindo do gerador de envelope (ADSR) e o segundo proveniente do oscilador de baixas freqncias (LFO), responsvel por modulaes na amplitude que recebem o nome de tremolo.

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Fig. 13.- Circuito de entrada de controle do VCA.

8.4 FILTROS CONTROLADOS POR TENSO

As formas de onda geradas no oscilador possuem um contedo harmnico rico, porm estes harmnicos so distribudos de maneira uniforme ao longo do espectro. Estas formas de onda so aplicadas ento a filtros, cuja resposta em freqncia modifica a relao de amplitude entre seus harmnicos, resultando numa alterao no timbre do som a ser sintetizado.

Uma vez que o filtro o principal elemento no controle do timbre de um sinal, desejvel que ele apresente diversos tipos de respostas em freqncia, e tambm que seus parmetros possam ser rapidamente variados atravs de controles de tenso, isto , que o timbre do som possa variar dinamicamente.

A maioria dos instrumentos musicais convencionais produzem som aplicando formas de onda simples em ressonadores [2], que reforam uma certa regio do espectro da forma de onda. Ressonadores tpicos so cornetas, tubos ou tambores. Portanto, desejvel tambm que o filtro de um sintetizador possua a resposta em freqncia de um ressonador, ou seja, do tipo passa faixa de 1 ordem (6dB/oct) e o fator de ressonncia (Q) varivel numa ampla faixa de valores.

Circuitos tpicos de filtros apresentam quatro sadas de sinais, cada uma correspondendo a um determinado tipo de resposta em freqncia do filtro: passa baixas, passa altas, passa banda e rejeita banda. As entradas de controle so duas: uma tenso que determina a freqncia de corte do filtro e outra que determina o fator de ressonncia. A entrada de sinal de udio a sada do VCO. Naturalmente outras fontes de sinal de udio podem ser conectadas entrada do VCF.

importante notar que a freqncia de corte do VCF deve acompanhar a freqncia de oscilao para que todas as notas do sintetizador tenham o mesmo contedo harmnico. Esta a funo do sinal VFc, fornecido pelo conversor exponencial. uma tenso de controle que acompanha exatamente as variaes na corrente de controle que determina a freqncia de oscilao do VCO.

A Figura 14 mostra um filtro controlado por tenso baseado no princpio de variveis de estado [2]. As funes de transferncia implementadas pelo filtro so:

( )( ) 22

2PB

K+s..K+sK

=sXsY

, passa baixas (9)

22

( )( ) 22

2PA

K+s..K+ss

=sXsY

, passa altas (10)

( )( ) 22

PB

K+s..K+ss.K

=sXsY

, passa banda (11)

Note que K refere-se ao ganho dos amplificadores AO2 e AO4 (CA3080), que devem ser idnticos. Para tanto, ambos recebem a mesma corrente de controle IFc . O ganho da malha de realimentao (formada pelo amplificador AO6 que controlado por IQ). Este ganho determina o fator de ressonncia do filtro.

Fig. 14.- Circuito completo do VCF.

As Figuras 15 e 16 mostram os circuitos responsveis pelo fornecimento de corrente aos amplificadores operacionais CA3080. O primeiro circuito fornece a corrente IFc, que determina a freqncia de corte do VCF. As entradas de controle so os sinais vindo do LFO, do gerador ADRS, um sinal Fc que determina a freqncia central e o sinal VFc que relativo freqncia do oscilador.

O segundo circuito idntico ao primeiro, entretanto s apresenta uma entrada de controle que um sinal de tenso que determina o fator de ressonncia (Q) do VCF. Os valores de Q variam desde 0,5 at 500, quando o filtro entra na regio instvel, comeando a oscilar.

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Fig. 15.- Circuito conversor tenso-corrente do VCF para o controle da freqncia de corte.

Fig. 16.- Circuito conversor tenso-corrente do VCF para o controle do fator de ressonncia (Q).

8.5 O TECLADO

Para a execuo do sintetizador por um msico, necessrio uma interface que seja ao mesmo tempo familiar para o usurio e funcional para o circuito. Um teclado similar ao dos rgos uma boa escolha, j que o sinal de controle a ser gerado uma tenso (VCTRL) que pode ser conseguida a partir de um divisor resistivo alimentado por uma fonte de corrente, como na Figura 17. Assim, cada tecla do teclado determina uma tenso correspondente, que obedece ao padro 1V/oitava. Se no h nenhuma tecla apertada, uma tenso de aproximadamente -0,5V surge no barramento devido ao resistor R1 conectado a -Vcc e ao diodo D1 que limita esta tenso.

importante frisar que a preciso do oscilador depende deste circuito, portanto, o divisor resistivo deve ser formado por resistores de preciso (1%).

Uma mudana na tenso de controle do teclado acarreta uma mudana da tenso na sada do buffer (AO1) que o precede. A sada do buffer aplicada a um comparador (AO4) e obtido o sinal gate (porta), um degrau de amplitude determinada que se mantm num valor de tenso positivo durante o tempo em que alguma tecla estiver acionada.

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A mudana no nvel de tenso de controle faz o diferenciador formado pelo capacitor C2 gerar um pulso que ser invertido e amplificado pelo amplificador operacional AO2 com ganho de tenso igual a 10 V/V.

Fig. 17.- Circuito completo do teclado.

Para que o monoastvel (555) seja disparado, sua entrada (pino 2) deve estar em nvel alto e receber um pulso de nvel baixo (amplitude menor que 1/3 da tenso de alimentao). Sendo assim, o pulso da sada do diferenciador somado uma tenso contnua igual a Vcc/2. Note que o amplificador somador tem ganho igual a 2 V/V.

Dessa forma o monoastvel disparado somente quando alguma tecla acionada, nunca quando solta, e gera na sua sada o sinal trigger, que um pulso com largura determinada pela a equao 12 [8]:

CR1,1t = , (12)

onde t a largura do pulso em segundos, R e C correspondem ao resistor R10 e ao capacitor C4, respectivamente.

A largura do pulso do trigger um parmetro importante do circuito pois limita o tempo mnimo entre disparo consecutivos do gerador de envelope. Portanto, deve ser mais breve do que a nota mais rpida que um msico capaz de executar. O valor escolhido algo em torno de 1ms.

Como ser visto no mdulo gerador de envelope, a tenso de controle VCTRL deve permanecer no valor da ltima tecla acionada. Para isso, necessrio um circuito sample and hold, implementado com um transistor FET (Q1), um capacitor (C5) e um buffer (AO5). O FET age como chave esttica, sendo disparado pelo sinal trigger. No momento do disparo, o capacitor C5 carregado com a tenso de controle VCTRL. Aps isso, o FET passa a apresentar uma resistncia de algumas centenas de megaohms, que junto com o buffer AO5 no permite que o capacitor C5 se descarregue.

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O circuito slide, tambm chamado portamento, permite que haja um deslizamento de freqncia entre as notas, ou seja, quando o VCO mudar de uma freqncia para outra no o faz bruscamente, passando antes por todas as freqncias intermedirias. Este circuito implementado pelo buffer AO7, pelo capacitor C6 e pelo potencimetro P2. O capacitor C6 se carrega a uma taxa que depende da resistncia ajustada em P2.

8.6 GERADOR DE ENVELOPE - ADSR

Uma caracterstica que diferencia um instrumento musical de outro a variao de sua intensidade sonora em funo do tempo, o que est diretamente relacionado com suas caractersticas fsicas e com a execuo. Numa simplificao razovel o tempo de durao de uma nota pode ser dividido em quatro partes: ataque, decaimento inicial, sustentao e decaimento final ou relaxamento (Figura 4). Num sintetizador, essa forma de onda gerada pelos geradores de envelope, ou geradores ADSR, onde os tempos de ataque e decaimento e o nvel de sustentao so controlados. A sada do gerador um sinal de tenso que varia de acordo com o formato do envelope gerado.

O circuito do gerador (Figura 18) composto de duas partes: um gerador AD (ataque-decaimento inicial) adicionado a um gerador AR (ataque-relaxamento).

Fig. 18.- Gerador de envelope - ADSR.

Os sinais de trigger e gate iniciam o tempo de ataque. No entanto apenas o sinal gate fornece a durao do perodo de sustentao e inicia o perodo de relaxao, logo aps este sinal retornar a zero. O pulso do trigger enviado entrada set de um flip-flop CD4013. Este por sua vez fornece em sua sada Q uma tenso positiva na base de transistor Q2, que entra em saturao. O nodo do diodo D3 elevado, ento, a um potencial positivo, carregando o capacitor de C2 atravs do potencimetro P1-b. O buffer AO2 monitora a

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tenso no capacitor C2 fornecendo o sinal entrada do comparador AO4. Este compara a tenso crescente do capacitor C2 com a tenso de referncia (10V), de tal forma que quando suas tenses se igualam, sua sada passa rapidamente a um valor positivo. Este pulso diferenciado pelo capacitor C3 e pelo resistor R9, retificado pelo diodo D5 e aplicado entrada reset do flip-flop 4013 que volta ao seu estado inicial. O transistor Q2 entra ento em corte e o capacitor C2 se descarrega atravs do potencimetro P3 e dor resistor R8, devido ao diodo D4. O circuito AR funciona da mesma forma, s que ao invs do flip-flop, o prprio sinal gate que satura ou corta o transistor Q1. Os sinais AD e AR so somados ponderadamente pelo potencimetro P4, gerando ento a forma de onda ADSR.

importante lembrar que os tempos de ataque dos geradores AD e AR devem ser idnticos. Este tempo controlado por um potencimetro duplo, P1, atravs da carga dos capacitores C1 e C2. Os tempos de decaimento inicial e relaxamento so controlados pelos potencimetros P2 e P3 atravs da descarga daqueles capacitores.

So necessrios dois geradores ADSR para o sintetizador: um para modular o VCA e outro para modular o VCF. Ambos aproveitam os mesmos sinais gate e trigger originados pelo circuito do teclado. Enquanto que no VCA o gerador ADSR o nico sinal de controle, no VCF o sinal do gerador somado ponderadamente na sua entrada de controle, juntamente com os outros sinais. No interessante modular a freqncia do VCO com um gerador ADSR, embora alguns sintetizadores comerciais apresentem este recurso.

9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Como o objetivo no era apenas construir um sintetizador, mas sim estudar o comportamento de cada circuito em cada mdulo, a montagem foi desenvolvida em pront-o-boards, pela facilidade e possibilidade de experimentao proporcionada. Todos os circuitos descritos neste relatrio foram implementados.

O bom funcionamento deste sintetizador depende da qualidade dos dispositivos eletrnicos utilizados, isto , alto slew rate, alta impedncia de entrada, alto CMRR .

Os circuitos foram alimentados com fonte de tenso simtrica de 15V. Todos os amplificadores operacionais so do tipo TL084, que possuem entrada FET de altssima impedncia. O teclado de quatro oitavas utilizado fornecia tenses entre 2V e 6V, alimentado por uma fonte de tenso de 6V.

As figuras 19 e 20 mostram as quatro formas de onda geradas pelo circuito do VCO: retangular, dente de serra ascendente e descendente e triangular.

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Figura 19. Sinais do VCO: formas de onda quadrada e dente de serra ascendente.

Figura 20. Sinais do VCO: formas de onda dente de serra descendente e triangular.

A figura 21 mostra o sinal de sada do circuito VCF quando aplicado sua entrada uma onda retangular. A freqncia de corte do VCF foi ajustada para ser a mesma do VCO. O complexo contedo harmnico da onda retangular filtrado, restando sada do VCF apenas o primeiro harmnico (fundamental).

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Figura 21. Sinais de entrada (onda retangular) e de sada do VCF com freqncia de corte igual freqncia do VCO.

A figura 22 mostra a entrada e a sada do VCF quando o fator de ressonncia ajustado em seu valor mximo.

Figura 22. Sinais de entrada (onda retangular) e de sada do VCF com fator de ressonncia mximo.

O sinal de controle sada do gerador ADSR mostrado na figura 23. Neste caso este sinal usado para modular a amplitude do sinal de udio atravs do circuito VCA.

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Figura 23. Sinal de udio com amplitude modulada pelo sinal de controle do gerador ADSR.

As figuras 24, 25 e 26 mostram os sinais de controle gerador pelo circuito LFO - ondas triangular, dente de serra e retangular. Estes sinais foram utilizados para modular em amplitude o sinal de udio. Na figura 27 o sinal do LFO (onda triangular) foi utilizada para modular em freqncia o sinal de udio.

Figura 24. Sinal de udio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda triangular).

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Figura 25. Sinal de udio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda dente de serra ascendente).

Figura 26. Sinal de udio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda retangular).

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Figura 27. Sinal de udio com freqncia modulada pelo sinal de controle do LFO (onda triangular).

10 CONCLUSO

A Eletrnica vem sofrendo um acentuado desenvolvimento tecnolgico nas ltimas dcadas. Com a disponibilidade de novos dispositivos utilizando modernas tecnologias de construo e tambm de circuitos integrados dedicados, houve um ganho considervel por parte dos projetistas no que diz respeito preciso e estabilidade dos circuitos eletrnicos. J possvel fazer releituras de circuitos projetados h algumas dcadas valendo-se desta nova tecnologia. Os resultados so projetos mais confiveis, mais baratos e de menores dimenses fsicas.

Obviamente, este desenvolvimento contnuo e acelerado obriga os projetistas a estarem sempre atualizados. No somente o entendimento dos conceitos bsicos, mas a constante busca por novas informaes fazem parte da plena formao do Engenheiro Eletrnico.

Este Projeto Orientado aproveitou-se desta filosofia para o projeto e a implementao dos mdulos que compe um sintetizador musical analgico controlado por tenso. Embora os conceitos sejam os mesmos que orientaram a construo dos primeiros sintetizadores na dcada de setenta, nesta releitura foram utilizadas tcnicas modernas e dispositivos de ltima gerao.

Dentre os vrios resultados obtidos, o mais importante foi a maturidade conseguida na elaborao de um projeto tcnico-cientfico deste tipo. Foi grande o aprendizado na rea da Engenharia Eletrnica, principalmente no ramo especfico do udio. Aprendizado este que veio a complementar o conhecimento obtido nas cadeiras cursadas anteriormente, tanto na parte terica quanto na prtica.

importante frisar que o alvo principal era um sistema que satisfizesse principalmente no que tange musicalidade, ou seja, a parmetros subjetivos. Questes puramente tcnicas como a freqncia de oscilao so essenciais, contudo, outros parmetros como, por exemplo, tenses de controle do amplificador, no tm muita relevncia para quem ouve o instrumento. Por isso, em algumas questes foram levados ao limite os fatores preciso e exatido, e noutras foi dada abertura a margens de erro.

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O circuito do gerador ADSR no se mostrou completamente eficiente na prtica. Um problema confrontado foi a tenso residual conseqente da descarga incompleta dos capacitores C1 e C2 (Figura 18), responsveis pela determinao dos tempos do gerador. Uma topologia diferente deve ser estudada, certamente alguma que utilize fontes de corrente controladas para carregar e descarregar com maior controle tais capacitores.

O VCF tambm um circuito complicado. A diferena entre os dispositivos ideais e os reais percebida e, principalmente, as conseqncias de no termos dois dispositivos exatamente iguais (CA3080). O resultado, uma tenso de offset no sinal de udio, no percebido auditivamente, mas compromete o bom funcionamento dos circuitos que o precedem.

O bom funcionamento do VCO deve-se principalmente aos procedimentos para sua calibrao; com isto consegue-se bons resultados.

Fica a proposta para uma segunda etapa deste trabalho, na qual o objetivo principal ser o projeto e a construo de um sintetizador completo. Sero confeccionadas placas de circuito impresso, sero utilizados componentes de alta qualidade e maior nmero de unidades de cada mdulo sero montadas.

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9. Manual: Audio Handbook, National Semiconductors, 1987.