Co to jest sterowanie napięciowe?

Co to jest sterowanie napięciowe? Studiując opis i dane techniczne konwertera MIDI/CV typu MCV-3, jak też czytając opisy różnych syntezatorów analogowych, co i rusz natykamy się na tajemnicze oznaczenia V/oct, Hz/V. Zazwyczaj przy opisie danego syntezatora brak jest wyjaśnienia o co chodzi, poza tajemniczą wzmianką, że dany model ma wejście VCO CV Hz/V, przez co jest hard to control (trudny w sterowaniu). Co to właściwie oznacza i jak ma się do modelu syntezatora analogowego, który posiadam, lub też chcę nabyć? Podstawą wytwarzana dźwięku w syntezatorze analogowym jest generator, w języku angielskim oscillator. Generator generuje, czyli wytwarza przebieg (falę) napięcia zmiennego, który słyszymy jako dźwięk. Jest on tak zbudowany, że jego częstotliwość, czyli wysokość wytwarzanego przez niego dźwięku, jest zależna od specjalnego napięcia dostarczanego na jego wejście. Napięcie to, zwane napięciem sterującym oznaczane jest jako CV (z angielskiego Control Voltage). Generator taki (czy też jak chcą niektórzy oscylator), będący podstawowym blokiem konstrukcyjnym syntezatora analogowego, jest nazywany po angielsku Voltage Controlled Oscillator (generator sterowany napięciem) i oznaczany skrótowo jako VCO. Skąd się bierze napięcie sterujące (CV) w syntezatorze? Jest ono wytwarzane przez klawiaturę muzyczną syntezatora skonstruowaną tak, że naciśnięcie klawisza powoduje wytworzenie napięcia o jakiejś wartości. Każdy klawisz klawiatury wytwarza inną wartość napięcia, zatem dołączony do niej generator VCO będzie wytwarzał dźwięk o różnej wysokości, zależnej od tego, który klawisz został naciśnięty. Czy syntezator musi posiadać klawiaturę? Niekoniecznie, gdyż napięcie CV może być dostarczane do niego z różnych innych układów syntezatora, lub też z zewnątrz, przez specjalne wejście syntezatora oznaczone jako CV IN. Takimi zewnętrznymi źródłami mogą być np. klawiatury innych syntezatorów, lub też specjalne urządzenia przetwarzające używane współcześnie cyfrowe komunikaty sterujące MIDI na napięcie CV, np. oferowany na stronie www.mcv3.pl konwerter MIDI/CV typu MCV-3. www.mcv3.pl 1/6

Sterowanie napięciowe: czym się różnią V/oct i Hz/V? Już w pierwszej połowie lat siedemdziesiątych w produkowanych ówcześnie syntezatorach analogowych ustaliły się dwa standardy sposobu sterowania generatorów VCO za pomocą napięcia: V/oct (volt na oktawę) i Hz/V (herc na volt). Pierwszy z nich (V/oct), w zasadzie dominujący, stosowany był w syntezatorach firm: Moog (podstawa standardu), ARP, E-mu, Sequential Circuits (Pro-One), Roland (System 1M, seria SH) i wielu innych; drugi natomiast (Hz/V) stosowany był przez Korga (m.in. seria MS) i Yamahę (seria CS), a także w kilku innych modelach mniej znanych firm. Stosowany jest również we współcześnie produkowanych syntezatorach analogowych i należy uznać go za system dominujący. W standardzie V/oct napięcie sterujące VCO syntezatora jest proporcjonalne do wysokości tonu w skali chromatycznej. Przyjęto, że zmianie wysokości tonu o jedną oktawę odpowiada zmiana napięcia sterującego o jeden volt. Ponieważ oktawa podzielona jest na 12 równomiernych interwałów - półtonów, zatem zmianie wysokości tonu o 1 półton, czyli 1/12 oktawy będzie odpowiadała zmiana wartości napięcia CV o 1/12 V (ok. 83,3 mv). Zależność częstotliwości i napięcia sterującego (CV) od wysokości tonu dla standardu V/oct 8 18 napięcie [V] 7 6 5 4 3 2 1-1 16 14 12 1 8 6 4 2 częstotliw ość [Hz] -2 C-2 C-1 C c c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 nuta CV (V/oct) częstotliw ość www.mcv3.pl 2/6

W standardzie Hz/V napięcie sterujące VCO syntezatora jest proporcjonalne do częstotliwości tonu. Zmiana wysokości (w sensie muzycznym) tonu o oktawę odpowiada dwukrotnemu zwiększeniu lub zmniejszeniu częstotliwości tonu. Co za tym idzie, w standardzie Hz/V zwiększenie wysokości tonu o jedną oktawę odpowiada dwukrotnemu zwiększeniu wartości napięcia sterującego, zaś zmniejszenie wysokości tonu o jedną oktawę odpowiada dwukrotnemu zmniejszeniu napięcia sterującego VCO. Stosunek napięcia sterującego dla sąsiednich półtonów jest oczywiście identyczny, jak stosunek ich 12 częstotliwości i wynosi 2 =1,59463... (dla skali temperowanej). Zależność częstotliwości i napięcia sterującego (CV) od wysokości tonu dla standardu Hz/V 8 18 napięcie [V] 7 6 5 4 3 2 1 16 14 12 1 8 6 4 2 częstotliw ość [Hz] C-2 C-1 C c c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 nuta CV (Hz/V) częstotliw ość Zależności pomiędzy napięciem sterującym, częstotliwością tonu i jego wysokością (w sensie muzycznym są uwidocznione na odpowiednich wykresach. Jak widać, dla standardu V/oct zależność pomiędzy wysokością (muzyczną) tonu, a napięciem sterującym jest liniowa - równomiernym (półtonowym) przyrostom wysokości tonu odpowiadają równomierne przyrosty napięcia. Można więc powiedzieć, że V/oct jest standardem naturalnym muzycznie: równomierny podział oktawy na 12 jednakowych półtonów odpowiada równomiernemu podziałowi 1V na 12 jednakowych przyrostów napięcia. Dla standardu Hz/V jest nieco inaczej - tutaj liniowa jest zależność pomiędzy napięciem sterującym i częstotliwością tonu, czyli stałym przyrostom częstotliwości odpowiadają stałe przyrosty napięcia. Ponieważ zależność muzycznej wysokości tonu od jego fizycznej częstotliwości jest logarytmiczna, zatem i zależność muzycznej wysokości tonu od napięcia sterującego jest logarytmiczna - taka www.mcv3.pl 3/6

sama, jak wysokość tonu od jego częstotliwości. Można zatem powiedzieć, że Hz/V jest standardem naturalnym fizycznie: częstotliwość VCO jest liniowo zależna od napięcia sterującego (CV). Za najprostszą definicję dla obu standardów można przyjąć hasła: system V/oct: liniowe CV i wykładniczy VCO, system Hz/V: wykładnicze CV i liniowy VCO (funkcja wykładnicza jest odwrotnością funkcji logarytmicznej). Jakie są wady i zalety obu standardów? System Hz/V powstał głównie przez proste zaadaptowanie znanych z techniki pomiarowej liniowych konwerterów napięcie-częstotliwość do celów konstrukcji syntezatorów muzycznych. Generatory VCO instrumentów pracujących w tym standardzie są prostsze w budowie i, przynajmniej teoretycznie, bardziej stabilne czasowo i temperaturowo. VCO syntezatorów wykorzystujących standard V/oct wymagają bardziej rozbudowanej konstrukcji wewnętrznej - celem zapewnienia wykładniczych przyrostów częstotliwości dla liniowych przyrostów napięcia. Co za tym idzie, zapewnienie im odpowiedniej stabilności temperaturowej jest bardziej kłopotliwe, niż przy sterowanych liniowo oscylatorach VCO w systemie Hz/V, z tej też przyczyny standard Hz/V w ogóle powstał i był stosowany przez niektórych konstruktorów. System V/oct jest natomiast prostszy w zrozumieniu i ewentualnej implementacji. Znacznie prostsze w konstrukcji są źródła napięcia CV: klawiatury sterujące, sekwencery analogowe, a także rozmaite gadżety typu Ribbon Controller, Breath Controller itp.. W przypadku konwerterów MIDI/CV ich konstrukcja, dość prosta dla systemu V/oct, mocno się komplikuje przy konieczności obsługi sterowania Hz/V. W systemie V/oct, dzięki liniowej naturze napięcia CV, można prosto sumować napięcia sterujące pochodzące z różnych źródeł (np. dwóch różnych klawiatur, czy też np. klawiatury i sekwencera analogowego), uzyskując w ten sposób możliwość wzajemnej transpozycji i modulacji różnych źródeł sterujących, przy jednoczesnym całkowitym zachowaniu skali temperowanej. W systemie Hz/V, ze względu na nieliniowy charakter zmian napięcia CV, osiągnięcie podobnych możliwości wymaga zastosowania specjalnych, analogowych układów mnożących, trudnych w budowie i zapewnieniu stabilności. Należy też wspomnieć, że system Hz/V upraszcza, co prawda, budowę VCO, ale za to nieźle komplikuje budowę źródeł napięcia sterującego, np. klawiatur. System V/oct zapewnia, przynajmniej teoretycznie, pokrycie szerszego zakresu częstotliwości VCO dla CV nie przekraczającego typowej wartości 1V. Typowe syntezatory wytwarzają zazwyczaj na wyjściach CV napięcie z zakresu od -1 V do 5V, natomiast na wejściach CV często akceptują napięcie z zakresu od -2 do 1V, co daje teoretyczną rozpiętość 12 oktaw dla całego zakresu CV. W systemie Hz/V teoretyczny zakres przestrajania VCO jest mniejszy. Od dołu jest on ograniczony układowo szumami i błędami offsetu przez co zazwyczaj nie używa się CV niższego, niż.4v. Z prostych, kolejnych przemnożeń przez 2 uzyskujemy, że przy nie przekroczeniu granicy 1V, możliwy do uzyskania zakres przestrajania VCO wynosi w tym standardzie ok. 8 oktaw. Praktycznie uzyskiwane rozpiętości przestrajania VCO są zależne od wewnętrznej konstrukcji danego typu syntezatora, spotkać więc można modele w systemie V/oct, akceptujące na wejściu CV napięcie w zakresie np.: V - 5V (5 oktaw) i modele z systemem Hz/V, przyjmujące CV z zakresu V - 8V, czyli zapewniające skalę 7-8 oktaw. www.mcv3.pl 4/6

Ewentualny błąd offsetu, czyli przesunięcia skali w wyniku rozmaitych napięć pasożytniczych i niezrównoważenia w układach syntezatorach jest stały w całym zakresie CV dla systemu V/oct, natomiast dla Hz/V błąd ten jest tym większy im niższa wartość CV jest używana, większy też jest wtedy wpływ rozmaitych zakłóceń i szumów. Stąd wniosek, że system V/oct nie stroi w miarę równo dla wszystkich oktaw, co łatwo skompensować odpowiednim pokrętłem strojenia syntezatora, natomiast Hz/V nie stroi tym bardziej, im niższe napięcie CV jest używane (niższa oktawa). Jak można wywnioskować z powyższego opisu, system Hz/V to praktycznie same wady, zaś V/oct - same zalety. Jeśli zaś chodzi o wspomnianą wyżej przewagę stabilności generatorów VCO liniowych nad wykładniczymi, to problem ten przestał istnieć na początku lat 8-tych, dzięki rozwojowi technologii półprzewodnikowej i pojawieniu się na rynku wysokostabilnych, logarytmicznych VCO w formie pojedynczego układu scalonego, jak np. SSM 23, czy CEM 334 (stosowany m.in. w Roland SH-11). Na zakończenie opisu obu standardów sterowania napięciowego zostawiamy wniosek najważniejszy dla użytkowników syntezatorów analogowych: V/oct i Hz/V są oczywiście całkowicie niekompatybilne ze sobą, co uniemożliwia bezpośrednie łączenie ze sobą syntezatorów dla różnych standardów i sterowanie ich ze wspólnej klawiatury. Syntezatory o różnych systemach sterowania CV zwyczajnie nie będą ze sobą stroiły przy próbie połączenia ich wejść i wyjść CV. Połączenie takie jest możliwe wyłącznie z użyciem specjalnego konwertera logarytmicznego i wykładniczego, jak np. KORG MS-2. Konwerter MCV-3 na swoich wyjściach CV dostarcza napięć sterujących zarówno w systemie V/oct, jak też i Hz/V, dzięki czemu nadaje się do współpracy z praktycznie każdym typem monofonicznego syntezatora analogowego, który można spotkać na rynku. Bałagan w wyzwalaniu Do poprawnego sterowania syntezatorem analogowym z zewnątrz (np. przez inny syntezator), obok napięcia sterującego oscylatorami VCO, określanego jako CV - Control Voltage i dołączanego do wejścia CV IN (lub podobnie oznaczonego), należy jeszcze dostarczyć tzw. sygnał wyzwalający generatory obwiedni syntezatora, określany jako Trigger, lub Gate, do podłączenia którego służy specjalne wejście oznaczane jako Trigger (Gate) In, lub podobnie. Sygnał ten służy po prostu do wyznaczenia momentu początku (ataku) i końca (wybrzmiewania) granej nuty i ma dwa stany: włączenia - odpowiadającego wciśnięciu dowolnego klawisza syntezatora i wyłączenia, kiedy to żaden z klawiszy syntezatora nie jest wciśnięty. W większości spotykanych dawnych, i obecnych syntezatorów analogowych można spotkać trzy odmiany sygnału wyzwalającego, opisane w poniższej tabelce: Rodzaj Zakres napięć dla włączenia Zakres napięć dla wyłączenia Gate +2.5V... +15V V Trigger V... -1V +3V... +15V S-Trigger wejście S-Trigger In zwarte wejście S-Trigger In rozwarte www.mcv3.pl 5/6

W tabelce podane są zakresy napięć akceptowanych przez wejścia syntezatorów. W przypadku wyjść, dostarczane przez nie napięcia mieszczą się w podanych zakresach. Podane nazwy sygnałów są raczej orientacyjne, gdyż i na tym polu nigdy nie było jakiejś normalizacji. Należy wspomnieć, że sygnał Gate bywa też oznaczany jako V-Trigger (Voltage Trigger), w odróżnieniu od S-Trigger (Short, lub Switch Trigger). Żeby było ciekawiej, nie ma określonego przypisania tych sygnałów do standardów sterowania napięciowego V/oct i Hz/V. Taki np. Minimoog ma CV w systemie V/oct i wyzwalanie typu S-Trigger (S od Switch), co jest typowe też dla innych konstrukcji Mooga (Moog Rogue akceptuje także sygnał Gate). W syntezatorach Rolanda, Sequential Circuits i lwiej większości innych firm spotkamy kombinację V/oct i Gate. Korg stosował w swoich konstrukcjach CV typu Hz/V i S-Trigger, zaś Yamaha - Hz/V i Trigger. Zatem bałagan. Na szczęście, dość łatwy do opanowania, gdyż zaprojektowanie odpowiednich układów do przekształcania jednego sygnału wyzwalania na inny jest stosunkowo proste, i tak, np. dla przejścia z sygnału Gate na S-Trigger wystarczy prosty, bierny klucz na jednym tranzystorze. Inne układy wymagają już własnego zasilania i użycia co najmniej dwóch tranzystorów, ale ich opracowanie i tak jest banalnie proste w porównaniu z problemem wzajemnej konwersji V/oct i Hz/V. Możliwości konwertera MCV-3 pozwalają na pełną obsługę wszystkich opisanych powyżej standardów. Należy zwrócić uwagę, że sygnał typu Trigger (potrzebny w syntezatorach serii CS firmy Yamaha) będzie uzyskany przez ustawienie parametrów GTmode=Gt+5V (lub Gt+1V) oraz GateOn=Revers w funkcji CV&Gate. Copyright 29 www.mcv3.pl www.mcv3.pl 6/6