En la era moderna, la música no se concibe

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SINTETIZADOR ANALÓGICO CON CONTROLADOR MIDI Autor: Fernández del Río, Rodrigo. Director: Muñoz Frías, José Daniel. Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia de Comillas RESUMEN DEL PROYECTO I. Introducción En la era moderna, la música no se concibe sin el apoyo de la electrónica tanto analógica como digital. La utilización de señales eléctricas para la generación de sonidos gracias a la invención del altavoz permite aplicar el conocimiento acerca de teoría de circuitos electrónicos al ámbito musical, lo que supone un control nunca visto sobre los parámetros fundamentales de un sonido. Este proyecto trata de aplicar lo aprendido durante la carrera de ingeniería a un área con un alto significado personal como la música, haciendo especial uso de los conocimientos adquiridos en electrónica tanto analógica como digital. El objetivo del proyecto es crear desde cero un sintetizador analógico (esto es, que genere ondas en base a las teorías de electrónica analógica y no basándose en técnicas de cuantización propias de los sintetizadores digitales) que ofrezca la mayor variedad de timbres posible y pueda ser controlado externamente desde un teclado MIDI. El resultado final es un aparato capaz de generar en su motor de audio tanto ondas cuadradas como sinusoidales y triangulares, pero también capaz de generar combinaciones en diferentes proporciones de las mismas, así como filtrar el contenido armónico de la señal y modular su amplitud y frecuencia en función de dos señales de control provenientes de un micro-controlador, cuya gestión de estas señales se basa en la información recibida en una trama de datos en formato MIDI. Los objetivos perseguidos por el proyecto se listan a continuación: Capacidad de generar múltiples formas de onda gracias al oscilador [1]. Capacidad de combinar las diferentes formas de onda en proporciones ajustables. Capacidad de variar la frecuencia de las ondas, tanto desde un potenciómetro como desde una señal de control. Capacidad de realizar pequeños ajustes en las formas de onda (como cambiar el factor de servicio o modificar el contenido armónico) desde el oscilador. Filtrar el contenido del espectro en frecuencia, tanto los graves (filtro paso alto) como los agudos (filtro paso bajo). Capacidad de ajustar el volumen de la señal final bien desde un potenciómetro o bien desde una señal proveniente del microprocesador. Capacidad de recibir datos MIDI. Capacidad de interpretar correctamente estos datos en caso de controladores que hagan usos especiales del protocolo MIDI. Capacidad de ajustar las señales de control de frecuencia y amplitud en función de las tramas recibidas del controlador MIDI. Posibilidad de seleccionar la fuente del voltaje de control, que puede provenir bien de un DAC o de un módulo PWM. La solución para cubrir estos objetivos comenzó desde cero. Utilizando lo aprendido

2 en la carrera y los conocimiento propios de teoría del sonido y síntesis se han ido construyendo, uno a uno, todos los módulos del sistema. El sistema final se compone de dos sub-sistemas. El primero es el modelador de timbre y constituye el sintetizador propiamente dicho y el segundo es el sistema de control de frecuencia y amplitud, que se basa en un micro-controlador de la familia PIC33F A. OSCILADOR II. Diseño del sintetizador: El motor de audio del sintetizador ( el circuito encargado de generar el sonido de partida ) es un circuito oscilador controlado por voltaje basado en un integrado 8038 diseñado por Thomas Henry. El circuito es capaz de generar, simultáneamente, una onda cuadrada, una triangular y una sinusoidal cuya frecuencia depende de un voltaje de control cv externo al circuito [1]. La generación simultanea de ondas es posible gracias a una etapa integradora que convierte la señal cuadrada en una triangular y, posteriormente, un sine-shaper, que filtra la triangular dando como resultado una onda sinusoidal. Además, el diseño del circuito permite ajustar tanto la simetría de la onda como la cantidad de distorsión remanente tras el sine-shaper en la salida de onda sinusoidal. También permite ajustar las frecuencias mínima y máxima de oscilación, que se situaron en el espectro audible, es decir, entre 20 Hz y 20 khz. B. SUMADOR Permite sumar las tres ondas generadas en la etapa anterior en proporciones reguladas por potenciómetros. Cada punto de salida de onda del motor de audio y cada entrada al nudo del circuito sumador están conectados a los terminales de medio amplificador operacional TL072 en configuración de buffer de audio. A la salida del circuito sumador también hay conectado un buffer de audio. C. FILTROS A la salida del buffer del circuito sumador hay un interruptor que permite direccionar la señal hacia dos filtros activos de primer orden. Ambos filtros son idénticos en cuanto a componentes, con la salvedad de que uno se ha configurado en modo paso-bajo (LP) y el otro en modo paso-alto (HP). Ambos presentan una frecuencia teórica de corte variable entre 72 Hz y el límite superior del espectro audible. Esta frecuencia depende del valor del potenciómetro POT ( cutoff ). Fig. 2.: Configuración de los filtros LP, HP Fig. 1: Salida cuadrada del oscilador frente a salida filtrada La frecuencia de corte del filtro proviene de su función de transferencia G s =! donde τ!!!! es la constante de tiempo y f =! es la!!" frecuencia de corte a la que se produce una

3 atenuación de -3dB. La salida de ambos filtros se volvió a conectar un buffer de audio. D. ETAPA DE GANANCIA Esta etapa tiene dos objetivos principales. En primer lugar, se trata de la etapa desde la que se seleccionará el volumen final del sonido generado o MASTER. Este volumen se regulará con un potenciómetro instalado al efecto. En segundo lugar, la etapa permite recibir una señal gate o envolvente de onda para modular su amplitud. Esto permite que, por ejemplo, el sintetizador deje de sonar cuando una tecla musical es liberada en el teclado MIDI. Se trata, también, de un amplificador controlado por voltaje (VCA) diseñado por Thomas Henry [2] que utiliza un amplificador de trans-conductancia (en concreto el CA 3080) como fuente dependiente de una tensión de entrada que es el producto de la tensión en el potenciómetro por la tensión de control proveniente del micro. E. RUTEO El conexionado final se ha realizado atendiendo al ruteo de un sintetizador comercial común modular. En primer lugar, las tres ondas son generadas en el oscilador para, posteriormente, ser sumadas. La suma de ondas entra entonces bien al filtro HP o al filtro LP, de donde sale hacia la etapa de ganancia o VCA. El ruteo es uno de los factores más importantes del sintetizador, pues permite seleccionar qué módulos actúan en qué orden. Por ejemplo, no se generará el mismo sonido con el modelo de filtros en paralelo utilizado que con otro con ambos filtros en serie. El ruteo final del sintetizador se muestra en la siguiente imagen: Fig. 3: Ruteo del sistema final III. Diseño del sistema de control F. RECEPTOR MIDI Se ha instalado un circuito que, mediante un conector DIN 5 pines y un opto-acoplador, lee las tramas enviadas desde un teclado MIDI externo (M-Audio Axiom 61) y las redirige a la entrada Rx de la UART del micro. Los mensajes MIDI llegan en formato Byte+bit de stop, variando su tamaño entre 2 y 6 bytes según el tipo de mensaje. El primer byte es el llamado byte de estado, se identifica por tener su MSb=1 y da información al sistema sobre el tipo de evento que está teniendo lugar. Tras el byte de estado llegan los bytes de datos que describen el evento en particular. Estos bytes, al contrario que el de estado, tienen su MSb=0. Los mensajes que se utilizaron son aquellos que empiezan por 0x8X (Note Off) y 0x9X (Note On). Una vez leído el mensaje, la lógica del micro debe permitirle tomar la decisión de si debe o no continuar leyendo el mensaje (esto es, si el mensaje recibido es de tipo Note On o Note Off, que indican que se ha pulsado o liberado, respectivamente, una tecla). También debe ser capaz de identificar mensajes de control con tamaño variable de bytes y descartarlos. Por último, se ha

4 programado de modo que soporte el llamado Running Status. Este modo es utilizado por algunos controladores MIDI para agilizar el flujo de datos y consiste en no enviar byte de estado si los únicos eventos producidos son de tipo Note On y Note Off. El sistema es capaz de identificar correctamente si los bytes de datos provienen del modo running status o bien son bytes de algún mensaje de control que se debe ignorar. F. VOLTAJE DE CONTROL Por último, una vez se ha interpretado correctamente el mensaje MIDI, se activa, a través de un driver programado al efecto en el propio micro, un convertidor D/A de precisión que recibe el valor binario que deben valer en ese momento tanto el cv como la envolvente de onda env y entrega los valores proporcionales en DC a las entradas del voltaje de control del VCO y el VCA. F. VOLTAJE DE CONTROL PWM Por motivos estéticos, y como alternativa al convertidor D/A, también se habilita una salida de cv generada por modulación de ancho de pulso (o PWM por sus siglas en inglés). Esta técnica genera un valor medio de DC variable según el factor de servicio, sin embargo, la señal contiene gran contenido armónico y debe ser filtrada. Dado que el voltaje de control debe ser una señal DC perfectamente estable, la opción de utilizar PWM se reduce a motivos puramente estéticos, pues introduce armónicos no obtenibles de otra manera en el sonido final. condiciones de trabajo y se realizaron diversos ajustes que se deben comprobar periódicamente en un futuro. Un ejemplo es el ensayo de ajuste de simetría de onda, en el que se monitoriza con un osciloscopio la señal de salida mientras se ajusta un trimmer hasta encontrar el punto de onda simétrica. Una vez situado en este punto, se deja el trimmer y no se vuelve a tocar hasta futuros ajustes. También se tuvo que realizar un ensayo de afinación para tabular los valores del voltaje de control que arrojasen frecuencias contenidas en la escala musical normalizada. Este ensayo también debe ser repetido periódicamente para afinar el sintetizador. Se incluyen, a continuación, los valores del voltaje de control medidos necesarios para generar una octava completa de la escala. Nota Frec. (Hz) Vcontrol (V) E ,00035 F ,052 F# ,13 G ,183 G# ,233 A ,284 A# ,332 B ,38 C ,427 C# ,472 D ,52 D# ,569 E ,616 F ,661 IV. Implementación Todos los sub-sistemas mencionados se implantaron en un circuito analógico (el plano general del circuito puede consultarse en la sección PLANOS del documento) alimentado por dos fuentes de 6V y -6V provenientes de pilas en serie. Dado el carácter sensible a ligeras modificaciones del circuito, se tomaron sobre el mismo medidas eléctricas en diversas V. Conclusiones El aspecto más desafiante del proyecto fue sin duda su carácter cambiante constante, pues los parámetros del sonido generado dependen siempre del valor de los componentes utilizados, lo que hace que, al no ser éstos ideales, el sistema se comporte de manera distinta con el tiempo. Así, componentes que antes valían un determinado valor tuvieron que

5 ser reemplazados por otros para satisfacer las especificaciones (por ejemplo, el valor del condensador de temporización del oscilador tuvo que recalcularse y sustituirse varias veces para encajar con el espectro audible al eliminarse entradas al nudo multiplicador del voltaje de control). Los otros aspectos que más dificultades han presentado son el control de flujo de datos MIDI (y, en especial, la gestión en modo Running Status) y la generación de DC con el micro a través de un DAC, pues requiere una excelente coordinación entre el micro y el integrado convertidor. Se recomienda la realización o continuación de este proyecto encarecidamente a alumnos futuros, pues no sólo combina fundamentos de prácticamente todas las materias del itinerario electrónico de la carrera, sino que las aplica a un ámbito de interés general como es la música. VI. BIBLIOGRAFÍA [1] Thomas Henry: The VCO Chip Cookbook. [2] Thomas Henry: A synthesizer for the 21st Century