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Sintetizadores Musicais
Biblioteca » Artigos » Eletrônica e tecnologia
Descrição: Exame das técnicas de síntese sonora analógica e sua implementação prática
Categoria: Eletrônica e tecnologia :: Tipo: Artigo
Data: Dom 23 Abr 06 20:07 :: Visitas 16625
Palavras-chave: sintetizador, música eletrônica
Índice
1 Objetivos
2 Introdução
3 Uma Breve Referência Histórica
4 Princípios De Síntese Musical
5 Os Parâmetros Fundamentais Do Som
5.1 Freqüência
5.2 Amplitude
5.3 Conteúdo
6 Variação Nos Parâmetros
7 Sintetizadores Musicais Eletrônicos
8 Sintetizadores Controlados Por Tensão
8.1 Osciladores Controlados Por Tensão
8.2 Relação Exponencial Entre Freqüência E Tensão De Controle
8.3 Amplificadores Controlados Por Tensão
8.4 Filtros Controlados Por Tensão
8.5 O Teclado
8.6 Gerador De Envelope - ADSR
9 Resultados Experimentais
10 Conclusão
11 Bibliografia
A Circuitos Integrados Dedicados À Síntese Musical
1 OBJETIVOS
Desde o seu surgimento a eletrônica mostrou-se uma forte aliada à criação musical, seja
na gravação ou na reprodução de música.
Na geração de sons musicais, ou síntese sonora, não foi diferente. Ao longo das últimas
décadas surgiram os mais variados tipos de instrumentos musicais eletrônicos,
influenciando toda uma geração de músicos e engenheiros eletrônicos.
Entretanto, os músicos sempre tiveram dificuldades com a complexidade técnica de tais
instrumentos, e por muitas vezes chegaram a evitar o seu uso efetivo. Os primeiros
sintetizadores, construídos no início do século XX, envolviam dezenas de circuitos
analógicos primitivos, e eram extremamente difíceis de se operar, obrigando o músico a
gastar semanas na composição de uma obra da qual ele só saberia o resultado depois de
pronta.
O ponto alto da interação entre os músicos e os instrumentos musicais eletrônicos
ocorreu apenas nas décadas de 60 e 70, com o lançamento dos sintetizadores analógicos
Moog. Estes sintetizadores revolucionaram este ramo por serem extremamente
amigáveis ao usuário. Os controles de todos os parâmetros sonoros estavam disponíveis
no painel do instrumento na forma de chaves e potenciômetros, e ajustáveis em tempo
real. Em poucas horas de experimentação era possível familiarizar-se com os controles,
e as possibilidades de criação sonora eram infinitas.
Com o surgimento dos microprocessadores, na década de 80, os sintetizadores Moog
caíram em desuso, sendo substituídos por sintetizadores digitais de arquitetura
complexa, que prometiam uma maior precisão no controle dos parâmetros. Em
contrapartida, voltaram a ser evitados pelos músicos pela dificuldade na compreensão e
execução do instrumento.
Este projeto orientado tem como objetivo fazer uma releitura do sintetizador Moog,
através do estudo aprofundado das técnicas de síntese empregadas por este sintetizador.
É proposto neste trabalho, a análise e a implementação de circuitos atualizados,
utilizando dispositivos eletrônicos modernos.
2 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da síntese sonora foi baseado no desejo do homem de reproduzir os
sons existentes na natureza. Veio daí a criação dos instrumentos musicais acústicos, que
visam imitar a voz humana em seus mais diferentes aspectos.
O crescente desenvolvimento da eletrônica possibilitou o surgimento do sintetizador
eletrônico, um aparelho que inclui todos os fundamentos do som e abre um extenso
leque de recursos, pois viabiliza a criação de novos sons, além dos já existentes.
Neste projeto orientado será abordada uma técnica de síntese sonora desenvolvida pelo
Dr. Robert Moog, na década de sessenta, denominado de Módulos para música
eletrônica controlados por tensão [3]. Esta técnica foi implementada em todos os
modelos dos sintetizadores Moog, que saíram de fabricação no início dos anos oitenta.
De fato, a tecnologia utilizada por esse pesquisador já é bastante ultrapassada, de modo
que serão aproveitadas suas idéias básicas, aplicadas a uma tecnologia mais moderna e
eficaz a fim de projetar e implementar cada um dos módulos que constituem um
sintetizador musical eletrônico.
Antes de identificar e descrever o funcionamento destes módulos, será feita uma
introdução aos parâmetros fundamentais do som, bem como aos princípios da síntese
musical, passando por uma breve noção histórica, onde serão citadas algumas das outras
técnicas de síntese. Serão apresentados e discutidos os princípios de funcionamento dos
circuitos que compõem um sintetizador. Ao final, serão mostrados alguns circuitos
integrados modernos totalmente dedicados à síntese subtrativa, que substituem os
circuitos descritos aqui.
3 UMA BREVE REFERÊNCIA HISTÓRICA
O início das pesquisas relativas à música eletrônica é bastante recente [7]. O primeiro
aparelho que se teve notícia, 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 até
hoje, principalmente por sua estranha forma de execução: é tocado sem contato físico e
sua freqüência e intensidade são alterados à medida que se move as mãos sobre suas
diversas antenas.
O Martenot, o Ondoline e o Trautonium foram contemporâneos do Theremin e já
utilizavam teclados e osciladores LC com recursos de timbre e vibrato baseados num
princípio bastante semelhante as utilizado nos órgãos eletrônicos atuais.
Em 1955, os doutores Harry Olson e Herbert Belar construíram, com o apoio da RCA,
os fabulosos sintetizadores MARK I e MARK II. Tais aparelhos já poderiam ser
considerados sintetizadores, pois tratavam todas as características do som
particularmente. O MARK II existe ainda hoje no Columbia Princeton Electronical
Musical Center e está avaliado em cerca de meio milhão de dólares. Utiliza uma fita de
papel perfurado onde são registrados a freqüência, a oitava, o timbre, o envelope e a
intensidade do som a ser reproduzido, todos em função do tempo. Os registros acionam
uma série de osciladores, divisores de freqüência, diapasões, relês e controladores de
amplitude.
Um outro processo para a realização de música eletrônica surgiu com o
desenvolvimento das fitas magnéticas. O músico opera uma série de osciladores, filtros,
amplificadores e outros equipamentos de áudio e grava em uma fita magnética a
seqüência a ser executada.
Tanto no caso do MARK II quanto das fitas magnéticas, as evidentes desvantagens
estão no custo e no tempo de operação. Para que o músico obtenha uma seqüência
musical é necessário que cada som seja cuidadosamente calculado, sem contato direto
com a obra que está executando, pois não se trabalha em tempo real. O trabalho todo é
desenvolvido em laboratório e demora meses para ser completado.
Métodos mais aperfeiçoados surgiram em 1964 apenas, quando o Dr. Robert A. Moog
apresentou, em uma convenção da Audio Engineering Society, um trabalho intitulado
Módulos para música eletrônica controlados por tensão. Iniciou-se, então, um método
tão revolucionário que suprimiu completamente os anteriores, sendo adotado não só
pelos sintetizadores da MOOG Inc., cuja primeira linha surgiu em 1967, como também
por todas as outras firmas ligadas à música eletrônica. O método consiste em modificar
as características do som por meio de tensões e não, como anteriormente, pela posições
de botões. Surgiram então os VCOs (oscilador controlado por tensão), VCFs (filtro
controlado por tensão), VCAs (amplificador controlado por tensão) e uma série de
outros módulos que fornecem um controle simultâneo sobre os parâmetros sonoros,
aumentando extraordinariamente a velocidade da síntese sonora, chegando inclusive a
permitir que o sintetizador seja utilizado em atuações ao vivo.
4 PRINCÍPIOS DE SÍNTESE MUSICAL
A arte de criar e ouvir música é uma das mais antigas formas de expressão cultural do
homem. Somente o homem é capaz de criar e controlar sons que simultaneamente
detém todos os parâmetros que caracterizam uma música.
Durante a evolução da história da música e dos instrumentos musicais, vários tipos de
materiais brutos como varetas, troncos de árvores e chifres de animais foram utilizados
para produzir sons. Com a evolução da humanidade, estes materiais foram modificados
e aperfeiçoados de modo a produzir uma maior variedade de sons. Com o advento dos
primeiros instrumentos musicais com uma escala de tons totalmente definida, a música
passou a ser executada somente em instrumentos artificiais.
Historicamente, os fabricantes de instrumentos musicais sempre mostraram uma
tendência a utilizar a tecnologia e os materiais mais recentes de que dispunham. A
utilização de uma nova tecnologia de uma maneira experimental em música é bastante
razoável, uma vez que a conseqüência de uma falha não é nada mais do que um
incentivo para se tentar novamente. Além disto, para um músico, o resultado que não foi
desejado por alguns, pode ser apreciado por outros.
Não é de surpreender, então, que os fabricantes de instrumentos musicais do século XX
tenham rapidamente se aventurado na engenharia eletrônica moderna, uma vez que essa
tecnologia proporciona a construção de instrumentos compactos, precisos e com uma
enorme variedade de timbres sonoros.
Provavelmente, o maior objetivo do músico que se dedica à pratica de instrumentos
musicais eletrônicos é ampliar as suas opções de sons para a composição musical.
Todos os instrumentos tradicionais são limitados com relação à freqüência, à potência
sonora e ao conteúdo harmônico que podem produzir. Embora teoricamente seja
possível conseguir qualquer tipo de som combinando os instrumentos de uma orquestra,
esta é uma prática que se mostra inviável, devido a fatores como tempo e custo.
Outro fator que pesa a favor dos instrumentos eletrônicos é o controle preciso de todos
os parâmetros sonoros. Embora a precisão levada ao extremo não soe necessariamente
musical, variações de afinação e andamento causadas por uma execução deficiente,
além de alguns tipos de distorção, causam desagradáveis sensações aos ouvintes mais
treinados.
Muitos sons naturais são extremamente complexos quando descritos em termos dos
parâmetros sonoros fundamentais. Uma área de interesse de vários pesquisadores é a
análise precisa de sons naturais, muitos dos quais são difíceis de ser imitados. Com a
informação vinda destas análises, novos sons podem ser sintetizados eletronicamente de
modo a se parecer com os originais, ou até enfatizando uma ou mais de suas
características.
Em conclusão, o músico que trabalha com instrumentos musicais eletrônicos está
limitado apenas pela sua própria imaginação.
5 OS PARÂMETROS FUNDAMENTAIS DO SOM
A música é um conjunto de sons ordenados. Na síntese musical, um certo conhecimento
da física do som é necessário para se entender, construir e experimentar sons com um
adequado grau de controle, principalmente quando lidamos com instrumentos musicais
eletrônicos.
Uma maneira de se visualizar um determinado som é através da sua forma de onda, ou
seja, a forma em que a pressão de ar varia no tempo. Hoje em dia é possível visualizar
formas de onda na tela de um osciloscópio ou de um computador, através de uma placa
de aquisição de dados. Para tanto, os sons devem ser convertidos em tensão elétrica,
quando já não se encontram nessa grandeza.
Toda forma de onda pode ser descrita através de seus parâmetros fundamentais. Assim,
uma onda senoidal pode ser descrita por dois parâmetros: a amplitude e o período, como
na equação 1:
(1)
onde Vp é a amplitude máxima e T é o período (Figura 1).
Fig 1 - Representação gráfica de uma forma de onda senoidal.
5.1 FREQÜÊNCIA
O recíproco do período (T) é chamado de freqüência (f=1/T), que é o termo comumente
usado. Sua unidade é o hertz (Hz). Altos valores de freqüência são medidos em
kilohertz (kHz). O ouvido humano é capaz de perceber sons com freqüências entre 16
Hz e 16 kHz, embora esses valores sejam um tanto arbitrários, por variarem de pessoa
para pessoa, além de ser influenciado pela idade destes.
A freqüência de uma onda sonora está relacionada com a sua altura. A altura é um
parâmetro subjetivo que existe apenas no cérebro do ouvinte, enquanto a freqüência é
um parâmetro físico. Assim, um incremento na freqüência corresponde a um incremento
na altura de um som, sendo que a relação entre estas duas grandezas não é linear, e sim
exponencial. Um incremento de 100 Hz numa onda cuja freqüência é também de 100
Hz resulta num grande aumento em sua altura, enquanto o mesmo incremento numa
onda sonora de 5 kHz é praticamente imperceptível. Para causar o mesmo efeito de
percepção, é necessário dobrar a freqüência, isto é, partir de 5 kHz para 10 kHz.
A escala de tons musicais têm seu próprio sistema de medida. Ao contrário da
freqüência, as unidades são relativas ao invés de absolutas. A unidade fundamental é a
oitava. Se um tom B é uma oitava acima de um tom A, então a sua freqüência é
exatamente o dobro da segunda. Outra unidade é o semitom, que é 1/12 de uma oitava,
ou uma razão de 1,05946. Um semitom é a diferença de altura entre duas notas
diretamente adjacentes em um instrumento musical afinado convencionalmente.
Uma vez que as unidades de afinação são puramente relativas, uma nota padrão deve ser
definida a fim de se obter as freqüências correspondentes de todas as outras notas
musicais, aplicando-se a elas uma razão apropriada. Esta nota é o Lá (A4) acima do Dó
(C4) médio, e sua freqüência é de 440 Hz.
Tabela 1. Sistemas de afinação
A Tabela 1 mostra dois sistemas de afinação bastante utilizados [1]. O mais popular
deles é a escala temperada, que é baseada simplesmente na razão de 1,05946 entre dois
semitons adjacentes (e.g.: A4®A#4). O outro sistema mostrado é a escala justa, que é
mais musical e agradável aos ouvidos, particularmente quando são tocados acordes. A
distância entre duas notas é baseada na razão de dois números inteiros de baixo valor.
Por exemplo, um intervalo de quinta (sete semitons) é idealmente uma razão de 3:2, e
uma terça (quatro semitons) é uma razão de 5:4. A desvantagem deste sistema é que
nem todos os semitons estão igualmente espaçados; a transposição de um tom para
outro é prejudicada, uma vez que todas as notas da escala são afinadas para responder a
uma razão relacionada a um tom fundamental. A escala mostrada na Tabela 1, por
exemplo, corresponde ao tom Lá Maior. Tal situação é claramente impraticável em
todos os instrumentos de afinação fixa, como pianos, órgão, violões, etc.
5.2 AMPLITUDE
O outro parâmetro que descreve uma forma de onda, ou um determinado som, é a
amplitude. Em acústica, a amplitude representa a magnitude da variação da pressão do
ar, enquanto que em eletrônica a amplitude é relacionada com a magnitude da tensão ou
da corrente num circuito.
A maneira mais óbvia de se especificar a amplitude de uma onda de tensão senoidal é
determinando a mínima e a máxima tensão num período e expressando a amplitude
como a diferença entre os dois extremos. Esta é chamada a amplitude pico-a-pico. É
comum também especificar o valor médio da amplitude da onda num período de tempo.
Outro método relaciona a quantidade de calor produzida em uma carga resistiva ligada a
uma fonte de tensão senoidal, com a quantidade de calor produzida na mesma carga
ligada à uma fonte de tensão contínua. A tensão contínua necessária para produzir a
mesma quantidade de calor é chamada de tensão efetiva, ou rms (root-mean-square).
Devido a vários fatores como, por exemplo, a enorme faixa dinâmica do ouvido
humano, a amplitude é usualmente expressa em decibéis, que é uma unidade
adimensional que relaciona logaritmicamente a razão entre duas grandezas. Assim,
(2)
onde A é a amplitude original, Aref é uma amplitude de referência e AdB é a amplitude
em decibéis.
5.3 CONTEÚDO HARMÔNICO
Talvez o parâmetro mais interessante num sinal sonoro seja o seu conteúdo harmônico.
É ele quem define o timbre, ou característica tonal de um som.
Em meados do século XVII, o matemático francês J. Fourier provou matematicamente
que qualquer forma de onda, independente da sua origem, é um somatório de ondas
senoidais de diferentes freqüências, amplitudes e fases. Ele mostrou que se a forma de
onda se repete periodicamente, então as freqüências das componentes senoidais são
restritas a valores múltiplos da freqüência de repetição da forma de onda.
A Figura 2 mostra uma tentativa de composição de uma onda quadrada. O primeiro
gráfico é a freqüência fundamental, ou o primeiro harmônico. À medida em que
harmônicos de ordem superior vão sendo somados, a forma de onda vai se aproximando
da onda quadrada. No segundo gráfico é mostrado a soma de três harmônicos, e no
terceiro gráfico é mostrado a soma de seis harmônicos. Note que os sinais são
representados tanto no domínio do tempo (à esquerda na figura) quanto no domínio da
freqüência (à direita).
A forma de onda quadrada, segundo Fourier, pode ser expressa da seguinte maneira:
(3)
para todo i ímpar.
Fig 2 - Representação de formas de onda no domínio do tempo e no domínio da
freqüência.
6 VARIAÇÃO NOS PARÂMETROS
Todos os sons em estado estacionário podem ser descritos por três parâmetros
fundamentais: a freqüência, a amplitude e o conteúdo harmônico. Os equivalentes
audíveis para esses parâmetros são a altura, a intensidade e o timbre.
Contudo, a maioria dos sons reais variam alguns de seus parâmetros no decorrer de um
intervalo de tempo. O período enquanto os parâmetros de um sinal sonoro variam,
levando-o de um estado estacionário para outro é denominado transitório.
De todos os parâmetros, talvez a freqüência seja o que causa o maior efeito quando é
variado dinamicamente. Uma simples melodia a uma voz é na verdade uma série de
relativamente longos estados estacionários com curtas transições de freqüência entre
eles. Se a transição de freqüência é igualmente longa, o efeito audível é um
deslizamento de uma nota para uma outra.
Numa execução musical, uma pequena mas intencional modulação na freqüência é
adicionada a extensos estados estacionários. Esta modulação é chamada de vibrato, e
pode assumir infinitas freqüências, amplitudes e formas de onda. Normalmente o
vibrato é algo próximo a uma onda senoidal com 6Hz e uma amplitude de 1% da onda
original (Figura 3).
Fig 3 - Modulação em freqüência.
Variações na amplitude também são de extrema importância na caracterização de um
som. Tomando uma melodia a uma voz como exemplo novamente, são as variações na
amplitude que separam uma nota da outra, particularmente quando as duas notas
consecutivas são da mesma freqüência. Uma variação de amplitude delineando uma
nota ou um som qualquer é freqüentemente chamado envelope de amplitude, ou
simplesmente envelope. A forma e a duração do envelope tem profundo efeito na
percepção do timbre de uma nota, tão importante quanto o próprio conteúdo harmônico.
Fig 4 - Forma de onda de um envelope de amplitude
A Figura 4 mostra uma representação generalizada e simplificada de um envelope de
amplitude. O estado estacionário inicial é o silêncio ou zero. O estado estacionário
intermediário é chamado sustentação. A transição entre o zero e a sustentação é
chamado ataque. A duração do ataque é a sua característica principal, embora a forma
também seja importante, particularmente se o ataque é longo. O decaimento inicial é
uma transição entre o ataque e a sustentação, e é causado pela diferença de amplitude
entre o ponto máximo do ataque e o nível da sustentação. Novamente temos a sua
duração como o parâmetro principal. A transição entre a sustentação e o zero é o
decaimento final. Alguns instrumentos como o piano não têm sustentação e começam a
decair imediatamente após o ataque. Nos órgãos a nota é sustentada enquanto a
respectiva tecla estiver acionada. Já nos instrumentos de sopro ou de corda com arco, o
músico determina com grande precisão a duração e a forma de todos os estados do
envelope.
Finalmente, variações dinâmicas no espectro de um som são as mais interessantes e
também as mais difíceis de sintetizar. A razão para tal complexidade está na
multidimensionalidade de um espectro de freqüências. Enquanto a amplitude e a
freqüência são representadas unidimensionalmente, cada harmônico de um sinal sonoro
necessita de uma variável independente para ser representado.
Uma maneira óbvia de se controlar e variar o espectro é controlar individualmente a
amplitude de cada harmônico que compõe o sinal. Trata-se de uma técnica geral e é
aplicável a qualquer tipo de som. Os problemas que acompanham esta abordagem são
dois. O primeiro diz respeito à quantidade de parâmetros a serem controlados – dezenas
de amplitudes de harmônicos. Somente utilizando computadores ou microprocessadores
podemos tornar esta tarefa um pouco razoável. O segundo problema é justamente como
as amplitudes dos harmônicos devem variar para se obter o efeito desejado. Existem
métodos de análise de sons naturais que resultam em formulações matemáticas que
solucionam tal problema. Uma outra alternativa consiste em escolher aleatoriamente
contornos para cada harmônico e julgar subjetivamente os resultados que soam bem em
determinadas circunstâncias. Em todos os casos, entretanto, um computador deve estar
envolvido para gerar e documentar os dados.
7 SINTETIZADORES MUSICAIS ELETRÔNICOS
A síntese musical eletrônica consiste em desenvolver por meio de circuitos eletrônicos
sons que sejam úteis na composição musical. Estes sons devem possuir freqüência,
amplitude e conteúdo harmônico bem definidos e controláveis.
Existem várias técnicas de síntese musical. Uma das mais simples é a síntese aditiva.
Consiste na implementação eletrônica do teorema de Fourier, ou seja, os sinais de vários
osciladores senoidais com freqüência e amplitude controladas independentemente são
adicionados para se obter a forma de onda desejada.
Outro tipo de síntese que é a recíproca da aditiva é a síntese subtrativa. Sinais ricos em
conteúdo harmônico (e.g.: onda retangular) são filtrados convenientemente a fim de se
obter uma forma de onda com as características espectrais desejadas.
Tanto a síntese aditiva quanto a subtrativa apresentam limitações que dizem respeito à
própria implementação eletrônica e também à complexidade no uso destes tipos de
sintetizadores.
Técnicas mais sofisticadas demandam o uso de um microcomputador, como no caso do
software Csound. Todos os parâmetros sonoros são definidos num programa escrito
pelo músico, compilados e executados pelo computador.
8 SINTETIZADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Os sintetizadores controlados por tensão utilizam a síntese subtrativa para gerar sons. O
seu desenvolvimento foi possibilitado pela evolução dos dispositivos eletrônicos na
década de 60. Esta técnica está baseada no conceito de sistemas modulares para a
síntese musical, utilizando tensões de controle como uma base conceptual para a
organização e padronização de todo o sistema musical. Cada módulo tem uma função
distinta que normalmente corresponde ao parâmetro fundamental do som ali tratado.
Tais módulos são facilmente interconectados, possibilitando infinitas configurações que
podem ser alteradas em segundos simplesmente conectando e desconectando os cabos
de ligação. O sistema pode ser tocado através de um teclado similar ao dos órgãos.
Os sinais em um sintetizador controlado por tensão são conceptualmente divididos em
sinais de áudio que representam sons, e sinais de controle que representam parâmetros.
Um módulo amplificador (VCA), por exemplo, tem uma entrada de sinal de áudio, uma
entrada de controle e um sinal de áudio como saída. Variando a tensão CC na entrada de
controle o ganho do amplificador é alterado. Podemos considerar, então, que o
amplificador altera a amplitude do som passando por ele de acordo com a tensão 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 módulo oscilador (VCO)
não tenha entradas de sinal, as entradas de controle determinam a freqüência e em
alguns casos a própria forma de onda da saída.
Uma vantagem do conceito de módulos controlados por tensão é que os sinais de
controle podem ser processados como sinais de áudio, possibilitando o cascateamento
de módulos para se obter múltiplas operações no mesmo ou em diferentes parâmetros.
Diferentemente das outras técnicas de síntese, a interação pessoal do músico com o
instrumento, além da facilidade no uso, encorajam a experimentação e a improvisação.
A familiaridade com os efeitos audíveis dos diversos módulos é adquirida em poucas
horas.
A Figura 5 mostra um conjunto de módulos que interagem num sintetizador controlado
por tensão na conformação de um sinal sonoro. As setas verticais representam sinais de
controle, enquanto que as setas horizontais representam sinais de áudio. Um sintetizador
para uso profissional demanda uma topologia mais complexa com vários osciladores,
filtros e amplificadores. A intenção deste trabalho é descrever o funcionamento, o
estudo e a implementação de cada um destes módulos.
Fig 5 - Diagrama de blocos de um sintetizador controlado por tensão.
8.1 OSCILADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
O oscilador controlado por tensão - VCO (Voltage-Controlled Oscillator) é o módulo
principal do sistema sintetizador. Normalmente vários destes circuitos são encontrados
num sintetizador comercial. A sua função é gerar formas de onda ricas em conteúdo
harmônico que serão posteriormente filtradas adequadamente de acordo com o timbre
que se deseja. Tipicamente três formas de onda são geradas pelo circuito do VCO:
retangular, triangular e dente de serra. Estas formas estão disponíveis simultaneamente
na saída do circuito e todas na mesma freqüência e fase.
A onda dente de serra apresenta harmônicos pares e ímpares, cujas amplitudes decaem
com o inverso do número do harmônico, ou 6 dB/oct. Seu timbre é envolvente e
brilhante.
A onda triangular tem o espectro diferente, apenas os harmônicos ímpares estão
presentes e suas amplitudes decaem com o quadrado do número do harmônico, ou 12
dB/oct. Seu timbre é tênue e suave. Esta suavidade é decorrente dos fracos harmônicos
de ordem superior.
As características espectrais exatas da onda retangular dependem exclusivamente da
simetria entre os pulsos positivos e negativos. Quando são iguais, a onda é chamada
quadrada e apresenta somente harmônicos ímpares que decaem 6 dB/oct. Seu timbre é
brilhante e tênue. Se os pulsos não são simétricos, o espectro esperado é algo muito rico
em harmônicos pares e ímpares. Geralmente os VCOs incluem um controle de largura
de pulso para a onda retangular.
Não há necessidade de sintetizar uma forma de onda senoidal, basta aplicar qualquer
uma das ondas citadas anteriormente a um filtro passa baixas com a freqüência de corte
fixada no valor da própria freqüência do oscilador. Quanto maior a ordem deste filtro,
menor a distorção da onda senoidal.
Além de ser o módulo mais importante num sintetizador, o VCO também é o mais
crítico em termos de projeto e construção. Sua exatidão no que diz respeito à freqüência
deve ser levada ao extremo. Um erro da ordem de 0,1% em freqüências elevadas
comprometem muito a qualidade do sistema por ser facilmente perceptível pelo ouvido
humano. A forma de onda básica gerada pelo circuito do VCO, geralmente a dente de
serra, deve ser prontamente convertida em outras formas de onda como triangular e
retangular através de circuitos independentes.
A Figura 6 mostra a topologia básica de um oscilador. A corrente Ictrl é integrada pelo
amplificador operacional AO1 e uma tensão crescente aparece em sua saída. Quando
esta tensão ultrapassa um valor pré-determinado (Vref), a saída do comparador formado
por AO2 muda de estado, polarizando a base do transistor e permitindo a descarga do
capacitor. A tensão Vout cai rapidamente até o comparador voltar ao estado inicial e o
capacitor ser carregado novamente. Note que o comparador não volta imediatamente ao
estado inicial por causa de R e C2, que determinam um pulso de largura constante na
saída de AO2. O tempo de duração deste pulso deve ser longo o bastante para garantir a
total descarga de C1.
Fig 6 - Topologia básica de um oscilador.
A Figura 7 mostra as formas de onda de saída do circuito da Figura 6.
Fig 7 - Formas de onda do oscilador.
Um dos primeiros circuitos de osciladores controlados por tensão aplicados à síntese
sonora utilizava topologias muito similares à supracitada. Entretanto, os amplificadores
operacionais eram implementados à base de transistores bipolares em "pares casados".
Tal fato contribuía com o aumento do preço e do volume físico do circuito, além de
comprometer fatores como a estabilidade e a exatidão.
Hoje em dia existe uma grande variedade de amplificadores operacionais, alguns
extremamente dedicados a operações específicas como comparadores de tensão, buffers,
etc., apresentando excelente desempenho.
A freqüência de oscilação deste circuito é descrita pela equação 4:
(4)
Para freqüências na faixa de áudio, 16 Hz a 16 kHz, e correntes de controle entre
0,25mA e 0,25mA, o valor de C1 é aproximadamente 2,5nF. O valor comercial mais
próximo é 2,7nF.
A saída do integrador é uma onda dente de serra cuja amplitude varia entre 0V e a
tensão de referência 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 três
formas de onda necessárias no sintetizador.
Fig 8 - Conversão da forma de onda básica (dente de serra) em onda retangular e
triangular.
No amplificador AO3 a onda é somada a uma tensão contínua negativa para eliminar a
tensão de offset, amplificada para 20V pico a pico e invertida. Neste ponto a forma de
onda dente de serra é descendente. Com o amplificador AO4 invertemos novamente
para conseguir a dente de serra ascendente. O amplificador AO5 implementa a onda
triangular a partir da retificação das duas dente de serra obtidas anteriormente. Uma
tensão contínua também é somada por este amplificador, para corrigir qualquer tensão
de offset que possa aparecer proveniente da retificação. Aplicando a forma de onda
dente de serra a um comparador (AO6) obtemos a onda retangular. A tensão de
comparação determina a largura do pulso positivo, variando de 10% a 90%. Um divisor
resistivo seguido por um buffer (AO7) atenua o sinal na saída do comparador para os
20V pico a pico definidos como padrão.
As quatro formas de onda implementadas neste circuito são somadas ponderadamente
de acordo com os quatro potenciômetros e invertidas pelo amplificador AO8. Note que
este amplificador tem o ganho de aproximadamente 0,5 V/V a fim de evitar a saturação
quando mais de uma forma de onda é aplicada simultaneamente na entrada.
Um circuito idêntico ao VCO é o oscilador de baixas freqüências - LFO (Low
Frequency Oscillator). A única diferença é a faixa de freqüências de oscilação: 0,05 Hz
a 25 Hz. O objetivo deste oscilador é fornecer um sinal de controle modulante para
qualquer um dos módulos do sintetizador. É geralmente utilizado em efeitos como
vibrato (modulação em freqüência), tremolo (modulação em amplitude), ou wha-wha
(modulação em timbre).
8.2 RELAÇÃO EXPONENCIAL ENTRE FREQÜÊNCIA E TENSÃO DE
CONTROLE
De todos os parâmetros fundamentais do som, certamente a freqüência é o mais
importante. O ouvido humano é muito mais sensível a pequenas variações de freqüência
do que de qualquer outro parâmetro. Obviamente, a questão da relação entre a tensão de
controle de freqüência e a freqüência do sinal de áudio deve ser cuidadosamente tratada.
A faixa de sons perceptíveis pelo ouvido humano é da ordem de 10 oitavas, ou 210, ou
1024:1, ou 16 a 16kHz. Com uma extensão dessas, um erro de 1% chega a ser algo
aceitável em baixas freqüências, mas nas altas freqüências o problema se torna um tanto
crítico. Por exemplo, em 20Hz este erro é igual a 20/100, ou 0,2Hz. Já em 20kHz, este
mesmo erro resulta num desvio de freqüência igual a 200Hz! Nos circuitos eletrônicos
analógicos, erros desta ordem de grandeza são sempre esperados, provenientes de ruídos
eletromagnéticos, ruídos térmicos, ou até mesmo da baixa precisão de alguns
dispositivos envolvidos.
Esta é uma das razões pelas quais não é indicado utilizar uma relação linear entre a
freqüência e a tensão de controle. Uma relação exponencial foi definida como padrão e
a razão escolhida foi a de 1V/oitava. De fato, na escala musical temperada, a relação é
mesmo exponencial, pois um aumento de uma oitava resulta no dobro da freqüência.
Assim sendo, se a base do oscilador for fixada em 20Hz, com uma faixa de tensão de 0
a 10V todo o espectro sonoro é coberto. Mais ainda, um erro de 1% corresponde a uma
variação de tensão de 14,5mV, independente da freqüência.
Voltando à escala temperada, um intervalo de meio tom corresponde a uma variação de
1/12 na freqüência, o que em tensão eqüivale a 83mV. Isso é uma grande vantagem,
uma vez que é possível transpor entre dois tons toda a freqüência de oscilação do
sintetizador a partir da soma de uma tensão fixa.
Outra vantagem é no caso do vibrato. Considerando que o vibrato demanda uma
variação de freqüência da ordem de 1%, num sistema de relação linear o vibrato seria
excessivo em altas freqüências e imperceptível nas baixas. Com a relação exponencial,
uma variação de 15mV na tensão de controle resulta na mesma variação relativa de
freqüência em qualquer parte do espectro.
Na prática, entretanto, os osciladores são lineares e o parâmetro de controle da
freqüência é uma corrente de entrada. É necessário, então, um circuito que faça a
conversão exponencial de uma tensão de controle para uma corrente de controle. Para
tanto, é aproveitada a relação exponencial entre a tensão base emissor e a corrente de
coletor num transistor. A equação é a seguinte [6]:
(5)
onde ic é a corrente de coletor, Is é a corrente de saturação, Vbe é a tensão entre a base e
o emissor e Vt é a tensão térmica, dada pela expressão:
(6)
onde:
k = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 joule/kelvin
T = temperatura absoluta em kelvin
q = carga do elétron = 1,6 x 10-19 coulomb
Para minimizar a forte dependência com a temperatura, é utilizado o circuito de
compensação que é mostrado na Figura 9.
Fig 9 - Circuito para compensação de temperatura.
O amplificador operacional funciona como uma fonte de corrente, garantindo a corrente
Iref independentemente da corrente Iout. A tensão de controle é aplicada nas bases dos
transistores e referenciada ao terra. A compensação de temperatura se dá no fato de que
a mesma variação de temperatura é sentida pelos dois transistores. É importante
observar que os transistores devem ser idênticos. Existem arranjos de transistores
encapsulados num único chip, como o CA3046, com cinco transistores NPN idênticos.
O circuito mostrado na Figura 10 incorpora um somador inversor à entrada de controle e
uma realimentação da corrente de controle na entrada da tensão de controle. A razão
para tal realimentação é compensar os erros do oscilador em altas freqüências (correntes
de controle de maior magnitude) que fazem com que as altas freqüências sejam menores
do que deveriam. Este efeito indesejável é causado pelo tempo limitado da descarga do
capacitor C1 do oscilador mostrado na Figura 6. Em altas freqüências, a conseqüência é
o aumento do período da onda, ou a diminuição da freqüência de oscilação.
Fig 10 - Circuito completo do conversor exponencial tensão-corrente.
Temos, então, dois sinais de controle na saída deste circuito. O primeiro é ICTRL, a
corrente de controle que determina a freqüência do VCO. O segundo é VFc, uma tensão
de controle que varia na mesma proporção que ICTRL e serve de referência para o filtro
controlado por tensão - VCF (Voltage-Controlled Filter).
As entradas do circuito são as tensões de controle VCTRL, que vem do circuito do
teclado, VLFO, que é uma entrada para modulação em freqüência proveniente do
oscilador de baixas freqüências - LFO (Low Frequency Oscillator) e um ajuste da
freqüência zero, ou seja, a freqüência do oscilador na ausência das outras duas entradas.
Este último sinal de controle também funciona como a referência para a afinação do
sintetizador.
Dois ajustes são necessários para o correto funcionamento deste conversor exponencial.
O primeiro diz respeito ao ajuste de oitavas por volt. Ele determina o ponto de operação
dos transistores. O segundo ajuste é a quantidade de realimentação no circuito
compensador para altas freqüências.
8.3 AMPLIFICADORES CONTROLADOS POR TENSÃO
Um amplificador controlado por tensão - VCA (Voltage Controlled Amplifier), é um
amplificador de sinais de áudio cujo ganho é proporcional a uma tensão de referência,
que pode vir de um controle acionado pelo usuário ou de algum outro módulo do
sintetizador.
O princípio de funcionamento do VCA está baseado na multiplicação do sinal de áudio
pelo sinal de controle, o que resulta numa modulação em amplitude. Uma multiplicação
nos quatro quadrantes seria o mais indicado, porque a saída seria o verdadeiro produto
algébrico dos sinais. Na prática, isso significa a possibilidade de se controlar o ganho do
amplificador com tensões positivas e negativas. Entretanto, circuitos que realizam a
multiplicação em apenas dois quadrantes são muito mais fáceis de serem
implementados, e a única restrição é o fato de a tensão de controle ser limitada a valores
positivos, o que é aceitável.
No passado, qualquer circuito que variasse eletricamente o ganho de um amplificador
poderia ser considerado um VCA. Células fotorresistivas iluminadas por lâmpadas e
potenciômetros acionados por servo-motores são exemplos mais antigos. Técnicas mais
recentes utilizam transistores FET como resistências variáveis, ou ainda a dependência
do ganho de um amplificador transistorizado pela corrente de polarização.
Dois padrões de avaliação inicialmente utilizados foram a distorção do sinal e o
isolamento do sinal de controle. A velocidade de resposta do sistema também mostrou-
se um padrão importante, o que leva à rejeição de técnicas que utilizam células
fotorresistivas, graças à sua alta constante de tempo, na ordem de milissegundos. A
resposta dos FETs é extremamente rápida, entretanto sua resposta ao controle é algo não
linear, apesar de ser facilmente previsível. A variação da corrente de polarização de um
amplificador transistorizado, que é o pior método sob o ponto de vista do isolamento, é
o mais usado na construção de VCAs.
A Figura 11 mostra a topologia de um amplificador diferencial cujo ganho é
determinado pela corrente de polarização Ic. Como a entrada é a diferença entre as
tensões E1 e E2 nas bases dos transistores, e a saída é a diferença entre as correntes I1 e
I2 nos coletores, a relação entre a entrada e a saída é corretamente denominado de
transcondutância.
Fig 11 - Amplificador diferencial.
Os transistores devem ser idênticos, ou seja, devem ter o mesmo ganho de corrente (b).
Além disso, a soma de I1 e I2 é constante e igual à corrente de polarização IC. Portanto,
uma pequena variação na diferença das tensões nas bases dos transistores, resultará
numa variação proporcional na diferença das correntes dos coletores. Adicionando
resistores idênticos (R) nos coletores, a saída pode ser também uma diferença entre
tensões:
(7)
Apesar de ser um circuito simples, sua implementação torna-se um pouco complicada
por dois fatores: 1) é necessário uma fonte de corrente controlada por tensão para
controlar a polarização dos transistores através de um sinal de tensão; 2) para o perfeito
isolamento entre os sinais de controle e o sinal de áudio, é necessário um amplificador
com elevada taxa de rejeição às tensões de modo comum na saída diferencial.
Todos os blocos que compõe um VCA estão disponíveis em um circuito integrado, a um
preço acessível. O amplificador operacional de transcondutância variável, CA3080,
possui a célula amplificadora diferencial, um amplificador diferencial de saída e uma
fonte de corrente controlada por corrente para a polarização, tudo em um
encapsulamento dual-in-line de oito pinos. Pode ser alimentado com até ±15V e possui
alta impedância de entrada e de saída. A saída é um sinal de corrente que, à temperatura
ambiente, obedece à expressão:
(8 )
onde Iout é a corrente de saída, Ic é a corrente de controle e (E1-E2) é o sinal diferencial
de entrada.
O comportamento linear deste circuito integrado está limitado a tensões de entrada com
amplitudes menores que 10mV de pico. A corrente de controle pode variar numa faixa
entre 0,5mA até 0,5mA.
O circuito de um VCA é apresentado na Figura 12.
Fig 12 - Circuito completo do VCA.
O ganho do circuito foi projetado para ser igual a A=VIN/10, onde VIN é a tensão de
controle. Assim, o ganho é unitário para uma tensão de controle igual a 10V, e nulo para
tensão de controle igual a 0V.
Na entrada do CA3080 (AO2) um divisor de tensão formado por R4 e R5 atenua o sinal
de áudio 1000 vezes, possibilitando a amplitude do sinal de entrada a atingir valores
entre ±10V pico a pico. Assim as tensões nas entradas diferenciais do CA3080 são
mantidas dentro dos 10mV de pico especificados anteriormente.
A corrente de controle do CA3080 é gerada pelo amplificador AO1 em conjunto com o
transistor Q1. Se o ganho de corrente de Q1 é alto, então a corrente de emissor IE é
quase igual à corrente de coletor IC. A corrente IE é determinada pelo resistor R3,
gerando a tensão VE , que é realimentada para a entrada inversora do amplificador AO1
via o resistor R2. Em operação normal, o amplificador AO1 vai ajustar sua tensão de
saída fazendo VE = -VIN. Na verdade, o resistor R3 está em paralelo com o resistor R2,
(a entrada inversora está em terra virtual), o que faz a corrente de saída ser
aproximadamente igual a 0,5mA quando a tensão de controle VIN for igual a 10V.
A corrente de saída do CA3080, que é o sinal de áudio, é convertida em tensão pelo
amplificador AO3. Com a corrente de controle IC ajustada para 0,5mA e um sinal de
áudio de entrada de 10V de pico, a amplitude da corrente de saída será
aproximadamente 0,1mA de pico. Com o resistor R6 igual a 100kW o sinal de áudio de
saída terá amplitude igual a 10V de pico, ou seja, o VCA apresenta ganho unitário
quando a tensão de controle do ganho é máxima (10V).
Um dos pontos críticos deste circuito é a relação sinal ruído, comprometida pela
necessidade de sinais com baixos valores de amplitude na entrada do CA3080. Com
10mV de pico na entrada este amplificador apresenta uma relação sinal ruído de 66dB e
1,3% de taxa de distorção harmônica. Melhores resultados podem ser obtidos utilizando
blindagem apropriada do circuito.
A Figura 13 mostra o circuito implementado na prática, que possui duas entradas de
controle. O primeiro sinal de controle é vindo do gerador de envelope (ADSR) e o
segundo é proveniente do oscilador de baixas freqüências (LFO), responsável por
modulações na amplitude que recebem o nome de tremolo.
Fig 13 - Circuito de entrada de controle do VCA.
8.4 FILTROS CONTROLADOS POR TENSÃO
As formas de onda geradas no oscilador possuem um conteúdo harmônico rico, porém
estes harmônicos são distribuídos de maneira uniforme ao longo do espectro. Estas
formas de onda são aplicadas então a filtros, cuja resposta em freqüência modifica a
relação de amplitude entre seus harmônicos, resultando numa alteração no timbre do
som a ser sintetizado.
Uma vez que o filtro é o principal elemento no controle do timbre de um sinal, é
desejável que ele apresente diversos tipos de respostas em freqüência, e também que
seus parâmetros possam ser rapidamente variados através de controles de tensão, isto é,
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 reforçam uma certa região do espectro da forma
de onda. Ressonadores típicos são cornetas, tubos ou tambores. Portanto, é desejável
também que o filtro de um sintetizador possua a resposta em freqüência de um
ressonador, ou seja, do tipo passa faixa de 1ª ordem (6dB/oct) e o fator de ressonância
(Q) variável numa ampla faixa de valores.
Circuitos típicos de filtros apresentam quatro saídas de sinais, cada uma correspondendo
a um determinado tipo de resposta em freqüência do filtro: passa baixas, passa altas,
passa banda e rejeita banda. As entradas de controle são duas: uma tensão que
determina a freqüência de corte do filtro e outra que determina o fator de ressonância. A
entrada de sinal de áudio é a saída do VCO. Naturalmente outras fontes de sinal de
áudio podem ser conectadas à entrada do VCF.
É importante notar que a freqüência de corte do VCF deve acompanhar a freqüência de
oscilação para que todas as notas do sintetizador tenham o mesmo conteúdo harmônico.
Esta é a função do sinal VFc, fornecido pelo conversor exponencial. É uma tensão de
controle que acompanha exatamente as variações na corrente de controle que determina
a freqüência de oscilação do VCO.
A Figura 14 mostra um filtro controlado por tensão baseado no princípio de variáveis de
estado [2].
Fig 14 - Circuito completo do VCF.
As funções de transferência implementadas pelo filtro são:
passa baixas (9)
passa altas (10)
passa banda (11)
Note que K refere-se ao ganho dos amplificadores AO2 e AO4 (CA3080), que devem
ser idênticos. Para tanto, ambos recebem a mesma corrente de controle IFc . O ganho da
malha de realimentação é b (formada pelo amplificador AO6 que é controlado por IQ).
Este ganho determina o fator de ressonância do filtro.
As Figuras 15 e 16 mostram os circuitos responsáveis pelo fornecimento de corrente aos
amplificadores operacionais CA3080.
O primeiro circuito fornece a corrente IFc, que determina a freqüência de corte do VCF.
As entradas de controle são os sinais vindo do LFO, do gerador ADRS, um sinal Fc que
determina a freqüência central e o sinal VFc que é relativo à freqüência do oscilador.
Fig 15 - Circuito conversor tensão-corrente do VCF para o controle da freqüência de
corte.
O segundo circuito é idêntico ao primeiro, entretanto só apresenta uma entrada de
controle que é um sinal de tensão que determina o fator de ressonância (Q) do VCF. Os
valores de Q variam desde 0,5 até 500, quando o filtro entra na região instável,
começando a oscilar.
Fig 16 - Circuito conversor tensão-corrente do VCF para o controle do fator de
ressonância (Q).
8.5 O TECLADO
Para a execução do sintetizador por um músico, é necessário uma interface que seja ao
mesmo tempo familiar para o usuário e funcional para o circuito. Um teclado similar ao
dos órgãos é uma boa escolha, já que o sinal de controle a ser gerado é uma tensão
(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
tensão correspondente, que obedece ao padrão 1V/oitava. Se não há nenhuma tecla
apertada, uma tensão de aproximadamente -0,5V surge no barramento devido ao resistor
R1 conectado a -Vcc e ao diodo D1 que limita esta tensão.
É importante frisar que a precisão do oscilador depende deste circuito, portanto, o
divisor resistivo deve ser formado por resistores de precisão (1%).
Uma mudança na tensão de controle do teclado acarreta uma mudança da tensão na
saída do buffer (AO1) que o precede. A saída do buffer é aplicada a um comparador
(AO4) e é obtido o sinal gate (porta), um degrau de amplitude determinada que se
mantém num valor de tensão positivo durante o tempo em que alguma tecla estiver
acionada.
A mudança no nível de tensão de controle faz o diferenciador formado pelo capacitor
C2 gerar um pulso que será invertido e amplificado pelo amplificador operacional AO2
com ganho de tensão igual a –10 V/V.
Fig 17 - Circuito completo do teclado.
Para que o monoastável (555) seja disparado, sua entrada (pino 2) deve estar em nível
alto e receber um pulso de nível baixo (amplitude menor que 1/3 da tensão de
alimentação). Sendo assim, o pulso da saída do diferenciador é somado à uma tensão
contínua igual a Vcc/2. Note que o amplificador somador tem ganho igual a 2 V/V.
Dessa forma o monoastável é disparado somente quando alguma tecla é acionada, nunca
quando solta, e gera na sua saída o sinal trigger, que é um pulso com largura
determinada pela a equação 12 [8]:
(12)
onde t é a largura do pulso em segundos, R e C correspondem ao resistor R10 e ao
capacitor C4, respectivamente.
A largura do pulso do trigger é um parâmetro importante do circuito pois limita o tempo
mínimo entre disparo consecutivos do gerador de envelope. Portanto, deve ser mais
breve do que a nota mais rápida que um músico é capaz de executar. O valor escolhido é
algo em torno de 1ms.
Como será visto no módulo gerador de envelope, a tensão de controle VCTRL deve
permanecer no valor da última tecla acionada. Para isso, é necessário um circuito
sample and hold, implementado com um transistor FET (Q1), um capacitor (C5) e um
buffer (AO5). O FET age como chave estática, sendo disparado pelo sinal trigger. No
momento do disparo, o capacitor C5 é carregado com a tensão de controle VCTRL.
Após isso, o FET passa a apresentar uma resistência de algumas centenas de megaohms,
que junto com o buffer AO5 não permite que o capacitor C5 se descarregue.
O circuito slide, também chamado portamento, permite que haja um deslizamento de
freqüência entre as notas, ou seja, quando o VCO mudar de uma freqüência para outra
não o faz bruscamente, passando antes por todas as freqüências intermediárias. Este
circuito é implementado pelo buffer AO7, pelo capacitor C6 e pelo potenciômetro P2. O
capacitor C6 se carrega a uma taxa que depende da resistência ajustada em P2.
8.6 GERADOR DE ENVELOPE - ADSR
Uma característica que diferencia um instrumento musical de outro é a variação de sua
intensidade sonora em função do tempo, o que está diretamente relacionado com suas
características físicas e com a execução. Numa simplificação razoável o tempo de
duração de uma nota pode ser dividido em quatro partes: ataque, decaimento inicial,
sustentação e decaimento final ou relaxamento (Figura 4). Num sintetizador, essa forma
de onda é gerada pelos geradores de envelope, ou geradores ADSR, onde os tempos de
ataque e decaimento e o nível de sustentação são controlados. A saída do gerador é um
sinal de tensão que varia de acordo com o formato do envelope gerado.
O circuito do gerador (Figura 18 ) é 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 duração do período de sustentação e inicia o período de relaxação, logo após
este sinal retornar a zero. O pulso do trigger é enviado à entrada set de um flip-flop
CD4013. Este por sua vez fornece em sua saída Q uma tensão positiva na base de
transistor Q2, que entra em saturação. O ânodo do diodo D3 é elevado, então, a um
potencial positivo, carregando o capacitor de C2 através do potenciômetro P1-b. O
buffer AO2 monitora a tensão no capacitor C2 fornecendo o sinal à entrada do
comparador AO4. Este compara a tensão crescente do capacitor C2 com a tensão de
referência (10V), de tal forma que quando suas tensões se igualam, sua saída passa
rapidamente a um valor positivo. Este pulso é diferenciado pelo capacitor C3 e pelo
resistor R9, retificado pelo diodo D5 e aplicado à entrada reset do flip-flop 4013 que
volta ao seu estado inicial. O transistor Q2 entra então em corte e o capacitor C2 se
descarrega através do potenciômetro P3 e do resistor R8, devido ao diodo D4. O
circuito AR funciona da mesma forma, só que ao invés do flip-flop, é o próprio sinal
gate que satura ou corta o transistor Q1. Os sinais AD e AR são somados
ponderadamente pelo potenciômetro P4, gerando então a forma de onda ADSR.
É importante lembrar que os tempos de ataque dos geradores AD e AR devem ser
idênticos. Este tempo é controlado por um potenciômetro duplo, P1, através da carga
dos capacitores C1 e C2. Os tempos de decaimento inicial e relaxamento são
controlados pelos potenciômetros P2 e P3 através da descarga daqueles capacitores.
São necessários 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 é o único
sinal de controle, no VCF o sinal do gerador é somado ponderadamente na sua entrada
de controle, juntamente com os outros sinais. Não é interessante modular a freqüência
do VCO com um gerador ADSR, embora alguns sintetizadores comerciais apresentem
este recurso.
9 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Como o objetivo não era apenas construir um sintetizador, mas sim estudar o
comportamento de cada circuito em cada módulo, a montagem foi desenvolvida em
proto-boards, pela facilidade e possibilidade de experimentação proporcionada. Todos
os circuitos descritos neste relatório foram implementados.
O bom funcionamento deste sintetizador depende da qualidade dos dispositivos
eletrônicos utilizados, isto é, alto slew rate, alta impedância de entrada, alto CMRR.
Os circuitos foram alimentados com fonte de tensão simétrica de 15V. Todos os
amplificadores operacionais são do tipo TL084, que possuem entrada FET de altíssima
impedância. O teclado de quatro oitavas utilizado fornecia tensões entre 2V e 6V,
alimentado por uma fonte de tensão 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.
Fig 19. Sinais do VCO: formas de onda quadrada e dente de serra ascendente.
Fig 20. Sinais do VCO: formas de onda dente de serra descendente e triangular.
A figura 21 mostra o sinal de saída do circuito VCF quando é aplicado à sua entrada
uma onda retangular. A freqüência de corte do VCF foi ajustada para ser a mesma do
VCO. O complexo conteúdo harmônico da onda retangular é filtrado, restando à saída
do VCF apenas o primeiro harmônico (fundamental).
Fig 21. Sinais de entrada (onda retangular) e de saída do VCF com freqüência de corte
igual à freqüência do VCO.
A figura 22 mostra a entrada e a saída do VCF quando o fator de ressonância é ajustado
em seu valor máximo.
Fig 22. Sinais de entrada (onda retangular) e de saída do VCF com fator de ressonância
máximo.
O sinal de controle à saída do gerador ADSR é mostrado na figura 23. Neste caso este
sinal é usado para modular a amplitude do sinal de áudio através do circuito VCA.
Fig 23. Sinal de áudio 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 áudio. Na figura 27 o sinal do LFO (onda triangular) foi utilizada
para modular em freqüência o sinal de áudio.
Fig 24. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda
triangular).
Fig 25. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda
dente de serra ascendente).
Fig 26. Sinal de áudio com amplitude modulada pelo sinal de controle do LFO (onda
retangular).
Fig 27. Sinal de áudio com freqüência modulada pelo sinal de controle do LFO (onda
triangular).
10 CONCLUSÃO
A Eletrônica vem sofrendo um acentuado desenvolvimento tecnológico nas últimas
décadas. Com a disponibilidade de novos dispositivos utilizando modernas tecnologias
de construção e também de circuitos integrados dedicados, houve um ganho
considerável por parte dos projetistas no que diz respeito à precisão e estabilidade dos
circuitos eletrônicos. Já é possível fazer releituras de circuitos projetados há algumas
décadas valendo-se desta nova tecnologia. Os resultados são projetos mais confiáveis,
mais baratos e de menores dimensões físicas.
Obviamente, este desenvolvimento contínuo e acelerado obriga os projetistas a estarem
sempre atualizados. Não somente o entendimento dos conceitos básicos, mas a
constante busca por novas informações fazem parte da plena formação do Engenheiro
Eletrônico.
Este Projeto Orientado aproveitou-se desta filosofia para o projeto e a implementação
dos módulos que compõe um sintetizador musical analógico controlado por tensão.
Embora os conceitos sejam os mesmos que orientaram a construção dos primeiros
sintetizadores na década de setenta, nesta releitura foram utilizadas técnicas modernas e
dispositivos de última geração.
Dentre os vários resultados obtidos, o mais importante foi a maturidade conseguida na
elaboração de um projeto técnico-científico deste tipo. Foi grande o aprendizado na área
da Engenharia Eletrônica, principalmente no ramo específico do Áudio. Aprendizado
este que veio a complementar o conhecimento obtido nas cadeiras cursadas
anteriormente, tanto na parte teórica quanto na prática.
É importante frisar que o alvo principal era um sistema que satisfizesse principalmente
no que tange à musicalidade, ou seja, a parâmetros subjetivos. Questões puramente
técnicas como a freqüência de oscilação são essenciais, contudo, outros parâmetros
como, por exemplo, tensões de controle do amplificador, não têm muita relevância para
quem ouve o instrumento. Por isso, em algumas questões foram levados ao limite os
fatores precisão e exatidão, e noutras foi dada abertura a margens de erro.
O circuito do gerador ADSR não se mostrou completamente eficiente na prática. Um
problema confrontado foi a tensão residual conseqüente da descarga incompleta dos
capacitores C1 e C2 (Figura 18 ), responsáveis pela determinação 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 também é um circuito complicado. A diferença entre os dispositivos ideais e os
reais é percebida e, principalmente, as conseqüências de não termos dois dispositivos
exatamente iguais (CA3080). O resultado, uma tensão de offset no sinal de áudio, não é
percebido auditivamente, mas compromete o bom funcionamento dos circuitos que o
precedem.
O bom funcionamento do VCO deve-se principalmente aos procedimentos para sua
calibração; com isto consegue-se bons resultados.
Fica a proposta para uma segunda etapa deste trabalho, na qual o objetivo principal será
o projeto e a construção de um sintetizador completo. Serão confeccionadas placas de
circuito impresso, serão utilizados componentes de alta qualidade e maior número de
unidades de cada módulo serão montadas.
11 BIBLIOGRAFIA
1. CHAMBERLIN, HAL. Musical Applications of Microprocessors. 2a Edição.
Indianapolis: Hayden Books, 1985.
2. COLIN, DENNIS P. Electrical design and musical applications of an
unconditionally stable combination voltage controlled filter/resonator. Journal of
the Audio Engineering Society, p. 923-927, dez. 1971, vol.19, nº11.
3. MOOG, ROBERT A. Voltage-controlled electronic music modules. Journal of
the Audio Engineering Society, p. 200-206, jul. 1965, vol.13, nº3.
4. MITSUHASHI, YASUHIRO. Waveshape parameter modulation in producing
complex audio spectra. Journal of the Audio Engineering Society, p. 879-895,
dez. 1980, vol.28, nº12.
5. BAXANDALL, PETER J. A low-distortion acoustic-measurement oscillator
using semiconductor junctions as variable-tuning elements. Journal of the Audio
Engineering Society, p. 874-878, dez. 1980, vol.28, nº12.
6. A. S. SEDRA & K. C. SMITH; Microelectronic Circuits, Oxford Series in
Electrical Engineering, Edição de 1998;
7. ROSSI, VALDIR CÁSSIO. A música eletrônica. Nova Eletrônica, São Paulo,
p. 33-37, dez. 1982; p. 42-47, jan. 1983; p. 50-55, fev. 1983; p. 39-41, mar. 1983
8. Manual: Linear applications; National Semiconductors, 1986.
9. Manual: Audio Handbook, National Semiconductors, 1987.
Apêndice. CIRCUITOS INTEGRADOS DEDICADOS À SÍNTESE MUSICAL
Duas empresas de eletrônica lançaram na década de 80 linhas de circuitos integrados
dedicados à síntese musical analógica: a Curtis Electromusic Specialties e a SSM Audio
Products. Seus dispositivos não acrescentaram inovações na tecnologia da síntese,
apenas facilitaram a vida dos projetistas de sintetizadores pela conveniência de se
trabalhar com circuitos integrados ao invés de componentes discretos. É verdade que
alguns destes C.I.'s se tornaram "clássicos", sendo incorporados pelos maiores
fabricantes de sintetizadores em seus projetos, como, por exemplo, o VCF de quatro
pólos SSM2044. É apresentada aqui uma breve análise do funcionamento de alguns
destes circuitos integrados. Em anexo, os datasheets são disponibilizados.
GERADORES ADSR CONTROLADOS POR TENSÃO
Os circuitos integrados CEM3310 e CEM3312 são geradores de envelope controlados
por tensão completos. Os tempos de ataque, decaimento inicial e decaimento final são
exponencialmente controláveis numa ampla faixa de valores de tensão. O nível de
sustentação é linearmente controlado por tensão numa faixa entre 0 e 100% do valor de
pico da tensão.
O modelo CEM3312 apresenta como diferencial uma entrada de tensão na qual é
possível controlar o valor de pico do envelope sem se alterar os tempos de ataque e
decaimento. Em ambos os integrados estes tempos são determinados por um circuito
RC externo. A alimentação pode vir de uma fonte simétrica ou simples de até 15V. O
fabricante especifica os valores de R e C em 24kohms e 0,039uF respectivamente.
Assim, os tempos de ataque e decaimento podem variar entre 2ms e 20s. Além das
tensões de controle dos parâmetros do envelope, são necessários os sinais de gate e
trigger, fornecidos pelo circuito do teclado.
O circuito é composto de uma fonte de corrente controlada por tensão para cada entrada
de controle. Através de circuitos lógicos controlados pelos sinais de gate e trigger, as
fontes de corrente são chaveadas para carregar ou descarregar o capacitor do circuito
RC.
Amplificadores controlados por tensão
Existem vários circuitos integrados que implementam um VCA, como por exemplo, os
CEM3330/35, CEM3360, SSM2013, SSM2014 e o SSM2024. Alguns deles são duplos,
outros quádruplos VCA's completos num único chip. O princípio de funcionamento não
difere da implementação convencional, são todos amplificadores de transcondutância
variável, ou seja, a entrada é um sinal de tensão e a saída um sinal de corrente.
A relação sinal ruído é maior que 80 dB em todos os modelos, a relação sinal de áudio /
sinal de controle maior que 40 dB, e a THD menor que 0,3 %. O que diferencia um
modelo do outro são características como: o tipo de amplificação (A, AB ou B); o
número de VCAs por chip; controle linear ou exponencial do ganho.
Osciladores controlados por tensão
Um oscilador controlado por tensão típico é o modelo CEM 3340. Seu princípio de
funcionamento é idêntico ao VCO analisado neste trabalho, ou seja, baseia-se na carga e
descarga controladas de um capacitor. As formas de onda geradas são as mesmas: dente
de serra, triangular e quadrada, esta última com controle da largura do pulso. O
oscilador possui entradas exponenciais e lineares para determinar a freqüência de
operação.
A vantagem defendida pelo fabricante é a compensação de temperatura interna,
extremamente estável, além da precisa conversão exponencial, no estágio de entrada.
FILTROS CONTROLADOS POR TENSÃO
O circuito integrado SSM2044 é um VCF passa baixas de 4ª ordem completo. Seu
princípio de funcionamento está baseado em quatro integradores conectados em cascata
e uma realimentação da saída com a entrada do circuito. Variando o ganho do
integradores a freqüência de corte é variada. A quantidade de realimentação determina o
fator de ressonância (Q). As entradas e saídas deste circuito são diferenciais, o que
aumenta a relação sinal/ruído.
