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Transmission D4069-1TZAM VCO & Ring Modulator

22 novembre 2013 - 3 commentaires

Construction d'un module double oscillateur entièrement réalisé à la main avec simplement des composants électroniques, un fer à souder et un tournevis.

Hand made double oscillator !

Wikipedia : One of the earliest musical instruments utilizing a ring modulator may be the Melochord (1947) built by Harald Bode. It was a two-tone melody keyboard instrument with foot controllers and later added a second keyboard for timbre control, featuring a white-noise generator, envelope controller, formant filters and ring modulators for harmonics. The early Melochord was extensively used by Werner Meyer-Eppler in the early days of the electronic music studio at Bonn University.

présentation / Introduction

il s'agit d'un module double oscillateur à dent de scie comme onde principale, déclinée en triangle et dent de scie. La modulation de fréquence est possible, mais l'objectif de ce module est avant tout la modulation en anneaux et la modulation d'amplitude.

it is a double VCO and a ring modulator, saw core, additionnal wave are : square, triangle and shaped triangle.

L'idée de ce module m'est venue après avoir joué sur un EML 101 et un Moog Sonic Six, dont le modulateur en anneaux m'intéressait particulièrement. J'ai plusieurs oscillateurs dédiés à la modulation de fréquence dans mon modulaire, mais aucun conçu spécifiquement pour la modulation d'amplitude ! Je l'ai donc créé afin de retrouver ces sonorités si particulières. Ce module est construit autour de circuits simples et d'un modulateur archaïque, les sonorités restent brutes, assez proche de mon souvenir de l'EML et vont même bien plus loin. Ce module est donc centré sur une forme de modulation d'amplitude, la modulation en anneaux. La modulation d'amplitude a initialement été utilisé dans les télétransmissions (grandes ondes, petites ondes, ondes courtes), d'où le nom du module. Je voulais un module qui évoque le bourdonnement et le son d'un générateur ou d'une centrale électrique, un module très électrique.

The idea of this module was inspired by the EML101 and the Moog Sonix Six sound. I have many FM VCO, but any AM VCO ! The module is built around simple circuits, and a very early circuit of the ring modulator, the thing called the real ring modulator, which was used in AM radio transmissions. I wanted a VCO that sounds like a generator or an electric factory, an electric module.

Après quelques essais je me suis fixé sur une architecture qui permettrait d'avoir rapidement des sonorités intéressantes, et en particulier :

  • l'onde triangulaire m'est apparue comme donnant les meilleurs résultats, mais le carré et la dent de scie n'étaient pas inintéressant
  • une porteuse pouvant être décalée, ce qui permet un morphing intéressant en RM et AM et des effets de pulsation
  • un oscillateur pouvant être synchronisé à l'autre, rendu audio intéressant dans le modulateur, synchronisation qui doit être déverrouillable pour jouer les sur les battements et les interférences

After some brainstorming and tests, the architecture was more or less fixed, the goal was to have quickly all of my favorite sounds. The most important features was :

  • the triangle wave
  • a shifting carrier (offset), in order to achieve a kind of morphing between RM and AM
  • synchronization of the oscillators, sync can be switched off to perform beat and interferences

Il fallait que toutes les sonorités intéressantes que j'avais découvertes lors de mes essais puissent être rapidement générées avec le module, j'ai donc mis en place, un peu comme dans les modules de Anthony Rolando, un certain nombre de connexions par défaut. Mais pour garder la flexibilité d'un module, toutes ces connexions peuvent être rompues, par exemple le modulateur en anneau est connecté aux deux oscillateurs, mais il peut très bien être utilisé indépendamment avec n'importe quel autre oscillateur, simplement en le branchant dans l'entrée prévue.

Inspired from Anthony Rolando modules and in order to get quickly all these sounds there is a lot of normalization, but to keep flexibility all the normalization can be broken, for instance the modulator is normalized to the oscillators, but can also be used stand alone, by entering signals in the dedicated inputs.

Modulation d'amplitude et Modulation en anneaux / AM & Ring modulation

La modulation d'amplitude est une des plus anciennes techniques de modulation. Elle est très simple, il s'agit simplement de moduler l'amplitude d'un signal, à basse fréquence ou à fréquence audio.

Ring modulation is an old modulation technique. Very simple, it is the modulation of the amplitude of a signal.

Faire de la modulation en anneaux revient à multiplier deux signaux, on multiplie une onde modulante par une onde porteuse. En modulant une modulante qui vaut 1 avec une porteuse vaut 0, le résulat vaut 0, quand la porteuse vaut 1, le résultat vaut 1, quand la porteuse vaut -1 le résulat vaut -1.

Think about multiplication of two signals, the modulator and the carrier. If the modulator is 1, and the carrier 0, the result will be 0, if the carrier is 1, the result will be 1, if the carrier is -1 the result will be -1.


( Source : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Signale-am-Ringmodulator.svg )

En modulation d'amplitude, la porteuse ne peut pas être négative, elle doit être un signal unipolaire, toujours positif. Si la porteuse dans un modulateur en anneaux est unipolaire, une enveloppe par exemple, il se comportera comme en modulation d'amplitude, c'est à dire comme un VCA.

In amplitude modulation, the carrier cannot be negative, it must be a unipolar signal. If the carrier in a ring modulator is unipolar, the ring modulator will act like a VCA.

Les signaux audio, les lfo sont généralement bipolaires, les enveloppes, les déclencheurs sont généralement unipolaires.

Audio signals, lfo are in general bipolars, envelopes, gates, trigger are generaly unipolar signals.

On peut d'ailleurs faire l'analogie avec la modulation de fréquence, la FM et la FM thru-zero (à travers zéro, la fréquence de la modulante devient négative si la porteuse est négative), on aurait l'AM et la modulation en anneaux serait l'AM thru-zero.

Thru-zero FM is FM where the carrier and the modulator frequency becomes negative, you can think about ring modulation like thru-zero AM, when the carrier becomes negative, the amplitude of the modulator becomes negative.


(source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Amfm3-en-de.gif )

Dans le domaine fréquentiel, la modulation d'amplitude génère une paire de bandes latérales pour chaque composant sinusoïdal de la porteuse et de la modulante, leurs fréquences sont la somme et la différence de la porteuse et de la modulante.

AM creates side bands, the frequences of those bands are the sum and the difference of the modulator and carrier frequencies.

Du fait de ces déplacements fréquentiels, en audio, la modulation en anneaux donne assez facilement des timbres métalliques.

Then you get easily some metallic timbres.


(source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Am2_spec.gif )

En plus de l'effet bien connu, la modulation d'amplitude peut être utilisée comme VCA, un inverseur, pour faire des tremolo, ou un doubleur de fréquence (avec des sinus fréquences identiques en entrée).

Outside the obvious use, a ring modulator can be used as a tremolo, a VCA, an inverter, or as a frequnecy doubler (sine at same frequency to both inputs).

Fonctionnalités / Functionnalities

Formes d'ondes / Waves

Le module est constitué de deux oscillateurs. Le premier est appelé modulant et le second porteuse. L'onde principale est une dent de scie, de cette dent de scie sont dérivées l'onde triangulaire et carrée. Les deux oscillateurs sont quasiment identique, la modulante a en plus un dispositif permettant de rapprocher le triangle d'une sinusoïde, le haut du signal est arrondi, mais le bas reste pointu, le triangle est adouci. L'onde porteuse dispose d'une modulation de largeur d'impulsion sur le signal carré.

We have two oscillators in the modules, the modulator and the carrier. The VCO are saw core, and then we get square, triangle and shaped triangle (modulator only). Pulse width modulation on the carrier

dent de scie / saw
dent de scie / saw

carré / square wave
carré / square

triangle / triangle
triangle

triangle déformé (ARC) / shaped triangle
triangle déformé / shaped triangle

Synchronisation / sync
synchronisation / sync

ring modulation triangle
ring modulation triangle

ring modulation triangle distortion
ring modulation triangle distortion

Fréquences et modulation de fréquence / Frequency and FM

La fréquence des deux oscillateurs est contrôlable en tension grâce aux entrées 1v/oct, mais aussi aux entrées secondaires fréquences.

Oscillators are calibrated and track at 1v/oct, the frequence can be modulated with the fréquences entries.

la fréquence de la porteuse peut être liée à la fréquence de la modulante grâce au commutateur Jonction des hauteurs, les entrées de modulation de fréquence restent actives et indépendantes.

Carrier frenquency can be linked to the modulator 1v/oct entry with the Jonction des hauteurs switch.

Il existe un câblage en interne qui relie le signal triangulaire de la porteuse à l'entrée fréquence de la modulante et vice et versa, cette connexion est atténuée par les boutons fréquences. Ces connexions sont coupées aussitôt qu'un câble est enfiché dans les entrées respectives. Ces circuits permettent une modulation de fréquence sommaire des oscillateurs.

Frequencies of the oscillators are normalized to the other oscillator frequency and attenuated with the fréquence controls. This makes a fast and easy FM cross-modulation. Those normalizations are broken by inserting a signal in the inputs.

La modulation de fréquence est propre dans les basses fréquences et devient très bruyante à haute fréquence, ceci est probablement dû au fait que le coeur de l'oscillateur n'est pas un triangle, mais ça reste utilisable comme excellent générateur de bruit ;) (voir la video acid noise).

FM is clean at low frequences, and become more and more dirty as the frequency grow, probably because the VCO is not a triangle core, but then it becomes a very interesting noise generator ;) (see acid noise video).

synchronisation

L'oscillateur modulant peut être synchronisé sur la dent de scie de la porteuse.

The modulator can be synchronized to the saw of the carrier.

modulateur d'amplitudes

Le modulateur multiplie les deux signaux entrant, d'un coté la modulante, on peut sélectionner le triangle, la dent de scie ou le carré, de l'autre coté la porteuse.

The ring modulator multiply both input signals, the wave shape is selectable : triangle, saw, square.

Les deux signaux entrant disposent d'atténuateurs et passé un certain seuil ils sont distordus par le circuit modulant. Il s'agit d'une distorsion grinçante et électrique.

Signals are attenuated, after a certain ratio the signals are distorted by the ring modulator, which is very good :).

À la porteuse est mixé un second signal qui permet de la décaler passer ainsi d'une modulation en anneaux à une modulation d'amplitude. Celle peut aussi être redressée, grâce au sélecteur unipolaire+/bipolaire/unipolaire-, il s'agit d'un redressement simple alternance à base de diode.

The carrier can be mixed with another signal, by shifting the carrier we can go from RM to AM. The carrier can also go through a half-wave rectification circuit, it is a simple diode.

Sans fiche branchée dans l'entrée, le bouton décalage est un simple offset, avec un signal branché, le bouton devient un atténuateur pour ce signal, le signal typique à entrer ici est un oscillateur basse fréquence (LFO). Le commutateur opto-isolation permet de connecter le circuit du photocoupleur (vactrol), avec un déclencheur en entrée (trig, gate) on obtient une forme de résonance dans le circuit modulant.

The décalage button it is a simple offset, but can be connected to any external signal and then becomes an attenuator, here we can enter a LFO, or an envelope. Opto-isolation switch introduce a vactrol in the circuit and let use a simple gate without any envelope to make the ring modulator ringing.

La sortie du modulateur se trouve en haut à droite. L'atténuateur à sa gauche permet, aux choix, de mixer la modulante ou la porteuse avec la sortie, ce qui permet dans certains cas de grossir le son.

For more fatness, the output of the ring modulator can be mixed with the modulator or the carrier.

schémas et construction / schematics

Les oscillateurs

Les deux oscillateurs sont basés le CMOS VCO conçu par René Schmitz. Il s'agit d'un oscillateur délivrant une dent de scie et un carré. Assez simple à implémenter sur une plaque de prototypage. Le circuit tampon conçu par Karl Ekdahl est inclus dans la page du CMOS VCO.

The oscillators are based on the René Schmitz CMOS VCO, the are saw core + square. Check also the buffer designed by Karl Ekdahl in the page bellow

the CMOS VCO

Sculpture triangulaire / Triangle wave shaper

Le CMOS VCO délivrant une dent de scie et le triangle m'intéressant particulièrement il fallait utiliser un sculpteur d'onde, Scott Gravenhorst en a conçu un qui fonctionne très bien. Je suis parti sur un VCO à dent de scie un peu par hasard, et en cours de conception je m'était dit que j'aurais mieux fait de partir sur un oscillateur à triangle, mais au bout du compte, en entendant le résultat ce n'était pas plus mal et je soupçonne même que les bizarreries créées par cette conversions donnent des choses très intéressant quand on module subtilement en FM et RM.

The CMOS is saw core, so i need a wave shaper to get the triangle, the one desgined by Scott Gravenhorst worked fine for me. It may look weird to start with a saw core, as I was more intersted into the triangle wave, but i was not aware about that at the begining and finaly the result sounds good to my ears, and i even suspect the the saw core shaped circuit introduce some sounds wich i like when modulated in FM or RM.

Synchronisation

La synchornisation est basée sur le circuit de Motohiko Takeda. J'ai réalisé différents essais de synchronisation, le plus probant était la synchronisation sur la dent de scie, elle très belle et très vivante. Je n'obtenais pas de résultat intéressants avec la synchronisation avec des VCO extérieurs, je n'ai pas retenu la possibilité d'une synchronisation externe.

Sync is based on Motohiko Takeda circuit. After few try, i discovered that the saw was the best way to synchronse other oscillator. External synchronization leads often to a very noisy sounds, so i preffered to forget external sync, as internal sync was very nice.

http://www.aleph.co.jp/~takeda/radio/farmVCO4069E.html

Schémas / Schematics

Le modulateur

Le circuit du modulateur est basique, il s'agit de celui décrit par Ken Stone : CGSRR. J'ai simplement remplacé les diodes par des leds, le son m'est apparu intéressant et avec plus de gain, je pense que le module ModDemix de Anthony Rolando exploite la même technique, mais sans les transformateurs. Avec ce circuit on a probablement une multiplication de deux signaux assez approximative, mais ici il n'est plus question de rigueur technique, car si elle est un point de départ fertile, dans le contexte d'un instrument de musique, ce sont les qualités acoustiques qui dans un second temps doivent guider la conception.

The ring modulator itself is basic, it is real ring modulator as described by Ken Stone : CGSRR. I have changed the bat diodes by leds, the led parts is probably similar to the Anthony Rolando ModDemix ring modulator module. Probably the multiplication of the signals is not perfect, but it sounds very good.

(source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ring_Modulator.PNG) ring modulation

J'ai toutefois acheté une vingtaine de led, puis je les ai mesurées pour trouver les quatres qui avaient la valeur de chute de tension la plus proche.

Leds are matched.

Circuits Tampons, Amplification, Atténuateurs et Décalage / Buffers, Amplification, Attenuators and Offset

En entrée du modulateur on retrouve les atténuateurs et des circuits tampon pour avoir un niveau suffisant. Je me suis basé sur un TL072 et le schémas classique du montage en inverseur, on peut se référer au mixer de Ken Stone qui contient tout ce qu'il faut : cgs04_mix. En modifiant le rapport des résistances d'entrée et de sortie on peut amplifier ou atténuer le signal.

In front of the ring modulator circuit there is an amplification circuit based on TL072 and some attenuator to get enough gain. Somes parts are similar to the Ken Stone Mixer : cgs04_mix.

Pour la partie décalage j'ai ajouté l'option d'un optocoupleur qui permet d'y entrer un signal déclencheur tout en se passant d'une enveloppe.

In the décalage (offset) part you find vactrol, this let the ring modulator be pinged by a gate. This is a late addition an could be imporved.

Pré-patch / Normalizations

transmission D4069-1 TZAM VCO normalizations

Assemblage

Les composants ont été soudés sur trois petites petites plaques de prototypage, une par oscillateur et la troisième pour le modulateurs. Les deux oscillateurs sont empilés à la manière d'un sandwich.

Componnents where soldered on the proto boards, two for the oscilators and one for the ring modulator.

Le cablage / wiring

La partie que je déteste :) je n'ai même pas envie d'en parler.

the hate part, don't want to talk about, just look at the mess in this picture :)

Les deux potentiomètres de reglage de la fréquence sont des 10 tours, ceci permet une grande précision de reglage pour trouver les timbres intéressants.

Frequency potentiometer are 10 turn, very interesting for subtle changes and adjustements.

FM : potentiomètres log, rapport cyclique, décalage : linéaires

FM, AM pots are log, PWM, offset lin

La façade

La façade est organisée à l'image du schéma traditionnel du modulateur en anneau, la modulante à gauche, la porteuse en bas et la sortie sur la droite. Les led sont disposés en anneau, et les boutons autour suivent aussi la logique du carré. Le commutateur pour synchroniser les deux oscillateurs est central, c'est d'ailleurs un paramètre fondamental qui change complètement le module et ouvre vers deux types de sonorités bien distincts, soit des sons droits et un peu acides, soit des battements et interférences. En bas à gauche le commutateur de liaison des fréquences.

The panel artwork and organisation is inspired by the traditional schematics of the ring mod circuit. Modulator at the left, carrier at the botton and signal out at right. Led are in a square, in a circular way, like a ring, and the knobs are also positioned in a square and diagonal logic. In the middle there is the sync switch, the sync parameter is very important and drive to two differents worlds of sounds, straight and acid, or beats and interferences. 1v/oct lock at the bottom left.

De manière générale la partie en bas à gauche correspond au domaine fréquentiel, et en haut à droite la section modulation d'amplitude.

Overall, left bottom if for frequency modulation territory and top right amplitude modulation domain

façade VCO
le fichier de la façade pour Schaeffer AG : transmissionvco-0.2-all-blue.zip

Conclusions, évolutions possibles / improvement

  • durant mes essais, il pouvait arriver qu'il y ait de faux contact au niveau des leds, le résultat sonore était intéressant, on pourrait explorer l'usage d'atténuateurs devant chaque diode/led du modulateur, controlable avec un joystick par exemple.
  • mode LFO pour la porteuse, revoir la capacité de couplage
  • pousser plus loin la section redressement, avec un redressement double alternance par exemple.
  • add an attenuator/VCA in front of each diod/led
  • LFO mode for the carrier
  • Half-wave to full wave rectification

Thanks to MM Schmitz, Gravenhorsts, Takeda, Ekdahl, Bode, Stone, Rolando for their ideas, designs and for the inspiration.

Additional thanks to Ray Wilson, i just read his book Make: Analog Synthesizers, it helps me a lot, and Curtis Roads for l'audionumérique, lots of information about synthesis here.

Blind eyes could blaze like meteors

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webographie, quelques liens, quelques sources dont je me suis inspiré / Links

Modulation d'amplitude / AM

Oscillateur

sculpteurs d'onde / wave shaper

CV mixer, fader, vca, offset

VACTROLZ

VARIOUS

3 commentaires

#1 jeudi 28 novembre 2013 @ 08:35 raoulblues a dit :

joli face avant
dommage que le montage ne soit pas dans la lignée
digne d'un labo en 1950

#2 vendredi 27 décembre 2013 @ 00:14 NoFuture a dit :

Superbe boulot Davidh !
(Moi je le trouve très sexy sans ses habits n'écoute pas les mauvaises langues :) )

#3 jeudi 30 janvier 2014 @ 09:45 Batchas a dit :

Respect!
Je trouve génial que tu partages ici tes sources. Depuis que je vois le développement de ce module je me demande comment il a été conçu.
En plus c'est très utile même pour ceux qui apprennent encore comme moi. Je venais de finir mon circuit AM lorsque je suis tombé sur ta page explicative ici qui m'inspire encore plus pour la suite du voyage.
J'adore tes démos. Vraiment du beau boulot!

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