Syntezatory dźwięku (6). Generatory obwiedni

Do kontroli obwiedni jest stosowany dodatkowy sygnał sterujący nazywany mianem Gate, czyli sygnału bramki. Sygnał ten wytwarza zarówno klawiatura sterująca, jak i analogowy sekwencer (sekwencerom poświęcony będzie jeden z dalszych artykułów). Sygnał ten zmienia swój stan na aktywny, gdy klawisz zostanie wciśnięty i wraca do stanu nieaktywnego po puszczeniu klawisza. Przebieg bramkujący można podać bezpośrednio na wejście sterujące układu VCA, ale nie da on tak bogatego brzmienia, jak użycie modułu generatora obwiedni.

Uproszczony kształt przebiegu wyjściowego generatora obwiedni przedstawiono na rysunku 1, wraz z przyjętymi oznaczeniami poszczególnych parametrów kontrolowanych przez użytkownika.

Rysunek 1. Obwiednia ADSR. Generator obwiedni pozwala na kontrolowanie czasów faz A, D i R, amplitudy maksymalnej (między fazami A i D) oraz amplitudy fazy S. Obwiednia zaczyna się w momencie naciśnięcia klawisza, a po jego zwolnieniu trwa faza R

Po angielsku taka obwiednia nosi nazwę ADSR Envelope, a poszczególne litery skrótu oznaczają kolejne fazy obwiedni:

• Attack,
• Decay,
• Sustain,
• Release.

Faza ataku (A) to czas od wciśnięcia klawisza do osiągnięcia maksimum amplitudy. Faza zaniku (D) to czas opadania amplitudy do poziomu podtrzymania (S), na którym sygnał utrzymuje się od końca fazy D do momentu zwolnienia klawisza. Faza zwolnienia (R) to z kolei czas opadania amplitudy do zera po zwolnieniu klawisza. Użytkownik reguluje czasy ataku, zaniku i zwolnienia, a także amplitudy: maksymalną oraz w fazie podtrzymania. Krótkie czasy A i D pozwalają na stworzenie brzmień perkusyjnych, szczególnie gdy amplituda podtrzymania jest równa zeru lub gdy gramy staccato (krótkie, oddzielne wciśnięcia klawiszy). Przy wysokiej (względem poziomu podtrzymania) amplitudzie maksymalnej można uzyskać brzmienia bliskie chordofonom szarpanym. Zrównanie tych amplitud i wydłużenie czasów A i R pozwala uzyskać brzmienia ambientowe. Krótki czas A, długi czas D i niski poziom S z kolei są typowo spotykane w brzmieniach FM dzwonów i podobnych instrumentów. Regulując kilka podstawowych parametrów generatora obwiedni, można zatem uzyskać szeroką gamę artykulacji brzmienia syntezatora. To właśnie obwiednia często odpowiada za charakterystyczne dźwięki syntezatorów w różnych dobrze znanych utworach muzycznych. Warto też dodać, że sygnał z generatora obwiedni może też modulować filtr sterowany napięciem lub oscylator LFO.

„Najszybszy generator obwiedni ADSR na Zachodzie”

Układ przedstawiony na rysunku 2 to relatywnie prosty generator obwiedni oparty na układzie CMOS 7555. Oryginalną wersję zaprojektował i opublikował w 1998 roku René Schmitz, jednak tę wersję przerysował i zmodyfikował Eddy Bergman [1]. Układ ten jest relatywnie prostą realizacją generatora obwiedni z wykorzystaniem stałej czasowej RC do uzyskania zboczy narastających i opadających. Zbocza te nie zmieniają się zatem liniowo, co zdaniem Autora jest pewną wadą, ale w praktyce nie powinno to wpływać znacząco na końcowe brzmienie. Sygnał z wejścia Gate trafia na bazę pierwszego tranzystora przez rezystor ograniczający prąd bazy. Dioda Schottky’ego zabezpiecza wejście. Drugi tranzystor przewodzi przy braku sygnału na wejściu Gate In, przez co na jego kolektorze napięcie wynosi 0 V. Gdy pojawia się sygnał, tranzystor przestaje przewodzić, na kolektorze pojawia się napięcie dodatnie, które powoduje dwa efekty: wejście RESET układu ICM7555 przestaje blokować wewnętrzny przerzutnik, a ponadto kondensator 10 nF jest ładowany, a płynący przez niego i przez rezystor 10 kΩ prąd polaryzuje bazę powodując, że trzeci tranzystor zaczyna przewodzić. Tym samym na pinie 2 układu 555 (TRIGGER) pojawia się sygnał dodatni. Ponieważ sygnał RESET poprzedził sygnał TRIGGER, wewnętrzny przerzutnik układu ICM7555 zmienia stan na 1. Na wyjściu 3 pojawia się sygnał, który przez rezystor 100 Ω, potencjometr 1 MΩ (Attack) i diodę Schottky’ego ładuje główny kondensator układu o pojemności 4,7 μF.

Sygnał z kondensatora jest porównywany przez wewnętrzny komparator układu z napięciem ustalonym przez wewnętrzny dzielnik i stabilizowanym przez zewnętrzny kondensator 100 nF na pinie 5. Główny kondensator jest rozładowywany częściowo przez kolejną diodę Schottky’ego, potencjometr 1 MΩ i rezystor 100 Ω do napięcia panującego na wyjściu wtórnika opartego na wzmacniaczu operacyjnym U1a. Napięcie podtrzymania ustala dzielnik złożony z rezystora 4,7 kΩ i potencjometru 10 kΩ, włączonych pomiędzy dodatnią szynę zasilającą układu a pin 7 ICM7555 (wyjście DISCHARGE).

Napięcie na kondensatorze utrzymuje stałą wartość Sustain dopóki na wejściu Gate In panuje stan wysoki. Sygnał z kondensatora jest buforowany przez wzmacniacz U1d, skąd trafia do wyjścia, ale też do kolejnych dwóch buforów: U1c sterującego diodą LED i U1b, który wraz z towarzyszącymi rezystorami i potencjometrem daje drugi sygnał wyjściowy o regulowanym wzmocnieniu. Gdy sygnał wejściowy wraca do zera, pierwszy tranzystor przestaje przewodzić, a drugi zaczyna. To w pierwszej kolejności resetuje przerzutnik układu scalonego i go blokuje, podczas gdy kondensator między drugim i trzecim tranzystorem jest rozładowywany. Trzeci tranzystor przestaje przewodzić, więc na wejściu 2 mamy znów stan wysoki. Dodatkowo wejście 7 zostaje zwarte do masy, co powoduje, że napięcie Sustain spada. Ponadto kondensator główny jest rozładowywany przez drugi tranzystor, rezystor 100 Ω, potencjometr 1 MΩ (Release) i diodę Schottky’ego. Obwód wraca do stanu pierwotnego.

Rysunek 2. „Najszybszy generator ADSR na Zachodzie” oparty na układzie 7555. Rezystor 1 MΩ oznaczony czerwonym kolorem jest opcjonalny i poprawia histerezę układu dla wolnozmiennych przebiegów sterujących

Generator obwiedni na układach logicznych

René Schmitz w najwcześniejszej wersji swojego generatora obwiedni użył dwóch bramek NOR (CD4001) w konfiguracji przerzutnika jako serca generatora obwiedni, dopiero później zastępując je układem ICM7555, który pozwolił na zasilanie całości wyższymi, bardziej typowymi dla syntezatorów napięciami. Na rysunku 3 przedstawiono układ bliższy oryginałowi Schmitza – generator obwiedni oparty na bramkach logicznych, a zaprojektowany przez Raya Wilsona i przedstawiony na stronie Music From Outer Space [2]. Ten generator posiada dwa wejścia sterujące: Gate i Trigger. Wejście Gate pracuje standardowo, generując pełną obwiednię ADSR. Jeśli jednak podamy krótki impuls na wejście Trigger, gdy wejście Gate jest aktywne, a obwiednia jest w fazie Sustain, fazy Attack i Decay zostaną powtórzone. Jeśli zrobimy to samo, ale gdy wejście Gate jest nieaktywne, wygenerowana zostanie obwiednia składająca się tylko z faz A i R.

Rysunek 3. Rozbudowany generator obwiedni oparty na układach logicznych

Gdy na obu wejściach sterujących panuje stan niski, układ pozostaje w stanie spoczynkowym. W punkcie R panuje stan wysoki, bo oba wejścia bramki U2-D mają stan niski. Przełącznik analogowy U4-C jest zamknięty, co powoduje rozładowywanie kondensatora C15 przez potencjometr R22 (Release) i rezystor R21. Gdy na wejściu Gate napięcie przekroczy 2 V, komparator oparty na układzie U1-A przełącza swoje wyjście z napięcia ujemnego na dodatnie w bardzo krótkim czasie. Sygnał ten przechodzi przez diodę D3 i kondensator C11 tworząc szpilkę prądową na R9, która wystarczy, aby przełączyć przerzutnik oparty na U2-A i U2-B. Na wyjściu U2-B pojawia się stan wysoki, który powoduje wyłączenie przełącznika U4-C i włączenie U4-B. Prąd zaczyna płynąć przez rezystor R25, potencjometr R16 (Attack) i rezystor R21 do kondensatora C15 (oraz równoległego kondensatora C16, jeśli przełącznik S2 jest zamknięty). Napięcie na C15 przechodzi przez bufor U5-B do komparatora U5-C, którego napięcie przełączania wynosi 10 V. Napięcie to jest generowane przez U5-D za pomocą dzielnika R19-R20 i kondensatora C14. Wartość R19 dobiera się zależnie od napięcia zasilania układu. Gdy napięcie na C15 przekroczy próg, U5-C przełączy się z napięcia ujemnego na dodatnie i sygnał ten – przez diodę D5 – trafi na wejście U2-B, resetując przerzutnik RS. Ponieważ na wejściu Gate nadal panuje stan wysoki, sygnał z komparatora U1-A przechodzi przez inwerter U3-A co – w połączeniu ze stanem niskim bramki U2-B – powoduje, że na wyjściu bramki U2-C (punkt D) pojawia się stan wysoki. Załącza to przełącznik analogowy U4-A i łączy kondensator C15 z buforem U5-A przez potencjometr R17 (Decay) i R21. Napięcie na tym buforze ustala potencjometr R18 (Sustain level). W efekcie kondensator jest rozładowywany do momentu osiągnięcia napięcia ustalonego na buforze.

Gdy sygnał Gate powraca do stanu niskiego, inwerter U3-A zmienia stan na wysoki, a inwerter U3-F – na stan niski. Bramka U2-C zmienia swój stan otwierając przełącznik U4-A. W tym samym czasie na wejściach bramki U2-D (z wyjścia przerzutnika i wyjścia inwertera U3-F) panuje stan niski. Przełącznik U4-C jest zamknięty i kondensator C15 jest rozładowywany. Jeśli na wejściu Trigger pojawi się impuls, komparator U1-B zostanie przełączony i zmieni stan przerzutnika, ponawiając fazy A i D, jeśli wejście Gate ma wciąż stan wysoki. W przeciwnym wypadku po zakończeniu pełnej fazy ataku układ wróci do stanu początkowego (brak sygnału na inwerterze U3-A, stan niski na U3-F).

Sygnał obwiedni trafia z wyjścia bufora U5-B, przez potencjometr R23 i rezystor R24, na wyjście układu (ADSR Out). Układ posiada też funkcję ręcznego wyzwalania obwiedni. Rezystor R1 ładuje kondensator C5, który może być rozładowany przez rezystor R3 i przycisk S1. Naciśnięcie przycisku powoduje, że na wyjściu inwertera U3-E pojawia się stan wysoki, który przez diodę D1 trafia na C11, rozpoczynając całą sekwencję. Warto dodać, że R3 chroni przycisk przed przedwczesnym wypaleniem styków, a wraz z pojemnością C5 tworzy ponadto filtr RC eliminujący drgania styków.

Zakończenie

Generatory obwiedni stanowią istotny element każdego syntezatora – bez nich nie udałoby się uzyskać bardziej rozbudowanych brzmień. Układy te spotkamy w każdym typie syntezatora analogowego, w zbliżonych formach. We wczesnych modelach elementy logiczne (przerzutniki i bramki) realizowane były za pomocą tranzystorów i diod. Obecnie można się pokusić o całkowite zastąpienie wieloelementowego generatora obwiedni odpowiednio zaprogramowanym mikrokontrolerem i układem DAC, które w dużo prostszy sposób mogą generować obwiednię poprzez odpowiednią inkrementację i dekrementację cyfrowych wartości sterujących przetwornikiem DAC. Warto jednak zadać sobie pytanie, czy to nie byłaby nadmierna „cyfryzacja” syntezatora.
W następnych odcinkach przejdziemy do kluczowych bloków kształtujących charakter syntezatora analogowego – filtrów.

Paweł Kowalczyk, EP

Źródła:
[1] https://www.eddybergman.com/2024/12/ADSR%20Rene%20Schmitz.html
[2] https://musicfromouterspace.com/analogsynth_new/ADSR001/ADSR001.html