Artigo Sintetizador

8/20/2019 Artigo Sintetizador

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Revista Ilha Digital, ISSN 2177-2649, volume 0, páginas 1 – 8, 2010.

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Artigo disponibilizado on-line

Revista Ilha DigitalEndereço eletrônico:

http://ilhadigital.florianopolis.ifsc.edu.br/

SINTETIZADOR ANALÓGICO DE ÁUDIO

Victor Augusto dos Santos1, Rogério Luiz Prando2

Resumo: A proposta deste artigo é apresentar um modelo estrutural de um sintetizador simples de áudio, bem como o funcionamento de cada bloco constituinte. Visando facilitar o entendimento do funcionamentoda estrutura como um todo, iniciamos com uma breve revisão sobre o funcionamento de uma estruturaosciladora básica, seguido dos princípios de funcionamento de um filtro controlado por tensão para, por fim,apresentar a estrutura completa do sintetizador propriamente dita.

Palavras-chave: Sintetizador de áudio. Oscilador de Baixa Frequência. Oscilador controlado por tensão.Filtro controlado por tensão.

Abstract : This article proposal is to present a structural model of a simple audio synthesizer, as well as the functioning of each of its own blocks. In order to turn easy the understanding of the structure functioning asa whole, we began with a brief review of the functioning of a basic oscillator structure, followed by theworking principles of a voltage-controlled filter to, by the end, present the complete synthesizer structure byitself.

Keywords : Audio synthesizer. Low Frequency Oscillator. Voltage-Controlled Oscillator. Voltage-Controlled

Filter 1 Acadêmico do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Eletrônicos do IF-SC <[email protected]>.2 Acadêmico do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Eletrônicos do IF-SC<[email protected]>.

1. INTRODUÇÃO

O sintetizador de áudio é um dispositivoeletrônico capaz de produzir uma ampla gama desons, podendo reproduzir a sonoridade de

instrumentos musicais já existentes ou criar novostimbres. Um sintetizador pode ser construído de

forma totalmente analógica, usando somentecomponentes eletrônicos analógicos e dispositivoseletro-mecânicos, ou também de forma digital,usando uma unidade central de processamento,como um FPGA (Field-programmable Gate Array)

ou um DSP (Digital Signal Processor).Embora hoje em dia o uso de sintetizadores

digitais esteja muito mais evidente devido autilização destes por profissionais do ramo damúsica, como DJs e produtores musicais, a estruturaapresentada neste documento será totalmenteanalógica e de baixo custo, sem usar nenhuma

unidade de processamento ou componente programável.

2. HISTÓRICO

Basicamente, a composição dos sintetizadoresacompanhou o desenvolvimento natural da

eletrônica, sendo os primeiros modelos baseados nofuncionamento das válvulas eletrônicas em conjunto

de sistemas eletro-mecânicos, que foramsubstituídos posteriormente por sistemas menores,usando transistores, até os circuitos se tornaremcompletamente digitais no início dos anos 80.

2.1. 1920s-1950s

Os primeiros sintetizadores apareceram emmeados dos anos 20, onde seus principais elementosgeradores e/ou modificadores de som eram asválvulas termiônicas (ou eletrônicas), em conjuntode sistemas eletro-mecânicos que implementavam a

interface homem-máquina. A figura 1 demonstraum exemplo de sintetizador desta época.




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Figura 1 – Sintetizador de 1928 – Trautonium.

2.2. 1960s – 1970s

A maior progresso tanto de qualidade deconstrução dos sintetizadores quanto na variedade

de sons gerados por estes, aconteceu neste período.Com a popularização do transistor na década de

50, os projetistas deixaram de lado os circuitosenormes confeccionados com válvulas e passaram amontar sistemas muito menores usando transistores,estes integrados a outras plataformas existentes nomercado, o que criou o conceito de sintetizadoresmodulares.

Os projetistas aproveitavam soluções de áudio

já existentes para modificar e por fim integrá-las àssuas próprias criações.

Entretanto, em 1970 foi lançado umsintetizador chamado Minimoog (Bill Hemsath eRobert Moog), que revolucionou o mercado,

trazendo integração com teclado, controles demodulação e de mudança de tom, além de

apresentar o conceito de condução de sinal nosentido VCO→VCF→VCA.

O Minimoog (Figura 2) tornou-se um modelode sintetizador, se tornando influência para osdesigns de sintetizadores que viriam a serfabricados posteriormente.

Figura 2 – Minimoog.

2.3. 1980 até os dias atuais

Com a crescente evolução da tecnologia, agrande maioria dos sistemas previamente

construídos usando componentes analógicos, foramsubstituídos por circuitos digitais, portáteis em sua

grande maioria, tendo estes o funcionamento

dependente de uma unidade central de processamento, além de apresentar uma interface decomunicação com computador pessoal – PC.

Hoje em dia os sintetizadores de áudio sãoamplamente usados pelos profissionais da músicaeletrônica, produtores e DJs, que usam circuitossintetizadores digitais (Figura 3) em conjunto comsoftwares de composição musical em seuscomputadores.

Figura 3 – Sintetizador de Áudio Digital – Roland MV-8000.

3.

OSCILADOR ELETRÔNICO

Um oscilador eletrônico é um dispositivoeletrônico cuja função é produzir um sinal emcorrente alternada (CA) em sua saída, geralmenteuma senóide ou uma onda quadrada, sem a presençade qualquer sinal de entrada.

São circuitos formados por transistores e/ouamplificadores operacionais em conjunto de

componentes passivos (resistores, capacitores eindutores) estruturados em dois blocos: umamplificador e uma rede de realimentação positiva

(Figura 4).

Figura 4 – Blocos básicos de uma estrutura osciladora.

Como mostrado na Figura 4, o bloco nomeado

α é o circuito de amplificação de sinais, ativo,formado por amplificadores operacionais e/outransistores.




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Enquanto o bloco nomeado β é a rede derealimentação, normalmente composto decomponentes passivos.

Entretanto, para que o sistema oscileadequadamente deve-se adotar o seguinte critério,chamado Cr itério de Barkhausen :

Estes requisitos significam que o ganho demalha (laço aberto) deve ser unitário e que adefasagem (deslocamento de fase) inserida deve sernula.

Figura 5 – Exemplo de uma forma de onda de saída deum oscilador senoidal.

Enfim, existem várias topologias deimplementação de osciladores, encerramos por aquia breve revisão, pois para este projeto não

precisamos de um aprofundamento no assunto.

4.

FILTRO CONTROLADO POR TENSÃO

Filtros eletrônicos são circuitos usados para

realizar funções de processamento de sinal,especialmente para remover e/ou atenuar

frequências indesejadas ou enfatizar umadeterminada frequência ou faixa de frequência.

As características básicas de um filtro são a banda de passagem, a banda de transição e a bandade corte (Figura 6).

Sendo a banda de passagem a região onde o

sinal literalmente passa pelo filtro sem sofreralterações, a banda de transição é a região onde osinal começa a ser atenuado até ser efetivamente“cortado”, onde então passa a “popular” a banda decorte.

Figura 6 – Resposta em frequência de um filtro passa-baixas modelado na topologia Butterworth.

Sendo assim, um filtro simples, passa-baixas por exemplo, é projetado para começar a cortar emuma frequência de corte calculada denominada ϕ,ou seja, o filtro vai deixar passar todos os sinais defrequência infer ior a ϕ, sinais de frequência maiorque ϕ serão cortados.

O que diferencia um filtro “simples” de um

filtro controlado por tensão é que, no VCF (doinglês Voltage-Controlled Filter ) esta frequência decorte muda de acordo com um nível de tensãoaplicado em uma das entradas do filtro (CV)destinadas a este propósito. Além disso os VCFs também apresentam um controle denominado

Ressonância, que, caso neste controle se tenhaaplicado um nível de tensão diferente de zero,

acarreta em uma amplificação das frequências próximas à frequência de corte do filtro e umaatenuação nas frequências posteriores ao corte,como ilustra a figura 7.

Figura 7 – Demonstração do efeito da ressonância emum filtro controlado por tensão.

5. SINTETIZADOR ANALÓGICO DEÁUDIO

Este sintetizador segue o mesmo modelo de projeto do Minimoog (Figura 8), apresentadoanteriormente neste artigo, com algumasmodificações para atender os requisitos de projetodo Projeto Integrador I – 2012/1, para qual este projeto foi designado (Figura 8).

Figura 8 – Diagrama de Blocos do projeto.

A estrutura apresentada foi escolhida pelo fatode usar um oscilador de baixa frequência (LFO, doinglês Low-Frequency Oscillator ), para alterar o




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tom do sinal gerado pelo oscilador controlado portensão, VCO (do inglês Voltage-ControlledOscillator ).

De modo que o sinal de saída do VCO entra nofiltro controlado por tensão VCF, que por sua vez,tem sua saída jogada em um amplificador de sinais“genérico”.

5.1. LFO - LOW FREQUENCYOSCILLATOR

O oscilador de baixa frequência é um circuitoeletrônico que tem por sua funcionalidade gerar um

sinal em corrente alternada em um range defrequência entre 0.1Hz e 10Hz.

Entretanto, não foi essa faixa de frequência queusamos na prática.

Como o oscilador controlado por tensão temem sua saída um sinal em CA que varia de 400Hzaté 4KHz, essa faixa de frequência entre 0.1Hz e10Hz seria irrisória em termos de sonoridade, numatentativa de alterar o tom (pitch , do inglês) do VCO.

Então projetamos um LFO que operasse numafrequência de saída entre 1Hz até 180Hz, quemesmo tendo uma frequência máxima quase 20vezes maior que o circuito “padrão”, nos entregou asonoridade desejada.

Usamos um modelo básico de LFOimplementado com amplificadores operacionais

(Figura 9) gerando duas formas de onda de saída,uma onda quadrada e outra triangular.O sinal que sai do LFO para posteriormente

entrar no VCO é a onda triangular (OUT, videesquemático).

Como pode se perceber, o esquemático

apresenta dois potenciômetros de controle, oMODE e o RATE , sendo que uma alteração no

MODE resulta em uma pequena alteração no shape da forma de onda triangular, assim como umaalteração no RATE acarreta em uma alteração nafrequência deste mesmo sinal.

Figura 9 – Esquemático do bloco LFO.

5.2. VCO – VOLTAGE CONTROLLEDOSCILLATOR

Enquanto as frequências mais graves sãogeradas pelo LFO, o VCO é o circuito responsável

por gerar as frequências média e agudas (de 400Hza 4KHz), de modo a completar uma escala musical

propriamente dita.Basicamente seguimos aqui (Figura 10) o

esquemático sugerido pelo fabricante do circuitointegrado usado no projeto, LM358, da TexasInstruments, com uma pequena alteração para variar

a frequência de saída através de um sensor sensívelao toque, uma fita resistiva (Figura 11), o que

chamamos aqui de Ribbon Sensor , dotada de umaresistência de 10KΩ.

Figura 10 – Esquemático do bloco VCO.

Figura 11 – Ribbon Sensor ou Fita Resistiva.

O Ribbon Sensor tem seu funcionamentoanálogo a um potenciômetro comum ao ser tocado,tendo uma impedância de 10MΩ quando aberto.

O VCO também apresenta duas formas de ondacomo saída, uma onda quadrada e outra triangular,

senda esta última (OUT, vide esquemático) o sinal aadentrar no próximo bloco, o VCF.




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5.3. VCF – VOLTAGE CONTROLLEDFILTER

Como explicado anteriormente, o filtro

controlado por tensão é um conceito de filtro onde afrequência de corte é alterada por meio de uma

tensão de controle aplicada em uma das entradas do

filtro destinadas a este propósito.Implementamos um filtro passa-baixascontrolado por tensão, onde optamos por um nívelde tensão CC no controle da frequência de corte(potenciômetro CV, figura 12).

Os controles de ressonância também foiimplementado, de forma a aplicar em prática todo oconceito estudado sobre VCFs.

Figura 12 – Esquemático do bloco VCF.

5.4.

AMPLIFICADOR

Por fim, a saída do filtro (OUT, vide

esquemático) é conectada em um blocoamplificador, o qual usamos para sua confecção umcircuito disponibilizado no próprio datasheet docomponente LM4818 (Figura 13), da National, umintegrado que possui um amplificador de áudio de350mW RMS (do inglês Root Mean Square) de potência por pastilha.

Neste caso utilizamos dois integrados

conectados em cascata, a fim de obter umaamplificação maior na saída.

Figura 13 – Esquemático do bloco do amplificador desinais, nomeado AMP.

6. PROTÓTIPO

Após as etapas de simulação e montagem daestrutura completa em matriz de contatos (Figura

14), desenhamos o layout do protótipo (Figura 15)usando o software ARES 7 Professional , contido no

software Proteus 7 Professional , da Labcenter

Electronics.

Figura 14 – Protótipo montado em matriz de contatos.

A figura 15 apresenta o layout já com o silkindicando o posicionamento dos componentes na placa de circuito impresso.

Figura 14 – Layout do protótipo e posicionamento doscomponentes.

Enfim, a placa de circuito impresso do

protótipo foi confeccionada (Figuras 15 e 16) e suasformas de onda foram medidas, a fim de compará-las com os resultados previamentesimulados/calculados.

Figura 15 – PCI montada já com o amplificadoracoplado.




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Figura 16 – Estrutura completa já com o RibbonSensor e o auto-falante.

As figuras posteriores, 17-19, apresentam asformas de onda de saída de cada bloco:

Figura 17 – Forma de onda de saída do bloco LFO

Figura 18 – Forma de onda de saída do bloco VCO

Figura 19 – Forma de onda de saída do bloco VCF

Ressaltamos aqui algumas divergências

encontradas tanto nas etapas de teste quanto nasetapas de prototipagem.

Embora o funcionamento do sistema completoseja estável e satisfatório, tendo em vista o preçoinvestido para esta prototipagem em relação ao projeto inicialmente proposto, pudemos observarque quando o controle de frequência (RANGE, doLFO) está em máximo, ocorre uma pequenadistorção no semi-ciclo negativo da saida de onda

quadrada deste bloco.Outra constatação presente em nosso protótipo

é a presença de saída sonora oriunda do LFOquando a fita resistiva está em aberto, diferente do projeto inicialmente proposto onde não saía somalgum caso não houvesse uma interação humana no

produto. Estamos trabalhando em um circuito queatenue completamente esta frequência enquanto o

Ribbon estiver em aberto.A forma de onda do VCF é um tanto quanto

complicada de se manter fixa, pois apresenta umcaráter um pouco oscilatório, dificultando umagravação precisa da mesma.

Enfim, o protótipo atendeu as expectativas,oferecendo características sonoras dentro doesperado, muito próximas ao do projetoinicialmente proposto.

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Quando este projeto nos foi passado, a propostaera de um circuito sintetizador comercial chamadoMonotron, da Korg, que em primeiro contato foi

muito impactante no que tange à complexidade docircuito e à dificuldade de obter os integrados,alguns por serem circuitos proprietários e outros porquestão de obsolescência.

Entretanto, devido à todo um processo de pesquisa, estudo e teste por ambas as partes desta

equipe, literalmente esmiuçando o funcionamentode cada bloco componente da estrutura como um

todo, foi possível chegar a uma solução muito próxima da proposta inicialmente.

Nos prendemos muito em conservar ascaracterísticas do projeto original proposto, porém,

sendo essas oriundas de circuitos menos complexose de componentes de fácil obtenção.

Em adendo, é importante enaltecer a eficiênciado processo clássico de projeto de um circuitoeletrônico, que é o foco deste curso, iniciando porum estudo direcionado aos componentes do projeto,seguido de uma etapa de cálculo/simulação, para posteriormente ser testado na prática e assim,finalmente, se tornar um protótipo.

Agradecimentos

Os autores agradecem aos professores ClóvisAntônio Petry, Luiz Alberto de Azevedo e LuisCarlos Martinhago Schlichting do IF-SC.




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REFERÊNCIAS

PERTENCE JR,A. Eletrônica Analogica:Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. Porto Alegre: Bookman, 2003.

PETRY,C.A. Notas de aula. IF-SC, Florianópolis,2012.

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