Sample and Hold (Oder, nicht ganz korrekt: "Zufallsgenerator")
Folgende Aufgabenstellung : wir brauchen ein Modul, das in bestimmten zeitlichen Abständen (oder auch auf Tastendruck) irgendeinen zufälligen Spannungswert abgibt. Das könnte man zum Beispiel nutzen, um einen VCO so anzusteuern, dass er zufällige Tonhöhen erzeugt. Das Ausgangssignal dieser Schaltung (heißt also die zufällig erzeugte Steuerspannung) wird also einfach in den Frequenzeingang eines VCO geleitet.
Was also muss unsere Schaltung können ?
Zuerst muss es einen Eingang geben, an dem eine beliebige Spannung "S" anliegt.
Zusätzlich brauchen wir noch einen zweiten Eingang, der als Trigger arbeitet. Eine Änderung des Pegel am Trigger-Eingang sorgt dafür, dass unsere Schaltung das Eingang-Signal "S" weiterleitet an den Ausgang.
Es wird also ein Sample, auf Deutsch eine Probe des Eingang-Signals "S" genommen und dann festgehalten (Hold!!!). Und das hält solange, bis das nächste Triggersignal kommt.
Damit ist eine Sample-and-Hold (S&H) Schaltung weitgehend definiert.
Es gibt noch einige Details, die man wissen sollte. Es gibt S&H, die während des S&H-Signals (also Schalter geschlossen) alles an den Ausgang weitergeben, was am Eingang ankommt,
und zwar solange, bis das S&H-Signal wieder "aus" ist. Man sagt hier auch "Track and Hold" (Version 1).
Die meisten S&H-Modelle erzeugen aus dem Triggersignal automatisch nur einen winzig kurzen Impuls, der im Millisekudenbereich liegt, und wirklich nur die Spannung im Moment der steigenden Flanke des Triggers "speichert" (Version 2). Diese beiden Schaltungen hätten jeweils folgendes Verhalten :
Also Version 1 : "Track and Hold" und Version 2 : "Sample and Hold".
Letztlich wird ja ein Spannungswert für einen gewissen Zeitraum gespeichert.
Wie "fixiert" man einen Spannungswert ? Ganz einfach : der Spannungs-Eingang wird mit irgendeiner (möglichst wechselnden) Spannung gefüttert, und aus dieser Spannung wird dann zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Schalter (siehe Grafik oben) umgestellt und ein Kondensator auf die eingehende Spannung gebracht. Sobald der Schalter wieder "auf"
ist, bleibt die Spannung am Kondensator konstant, der Eingang zum Verstärker ist hochohmig und
somit fließt praktisch kein Strom aus dem Kondensator rein oder raus. Das ist "HOLD".
Meist wird Sample and Hold einfach mit S&H abgekürzt. Wie gesagt : der Trigger ist nur ganz kurz. Sollte doch mal "Track and Hold" verwendet werden, nenne ich das T&H.
Zusammenfassend : Die S&H-Schaltung läßt, wenn der Triggereingang auf "an" geht, in dem Moment durch, was bei "Signal-in" reinkommt. Will man also alle 500ms (halbe Sekunde) einen sauberen Zufallston am VCO hören, muss am Trigger-Eingang z.B. ein LFO mit 2Hz anliegen.
In unserem Beispiel wollten wir eine Zufallsspannung, als Eingang bietet sich dann natürlich Rauschen an, wie in der Grafik weiter oben schon gezeigt.
Will man schrittweise langsam nach oben und wieder nach unten (sone Art Arpeggio), nimmt man lieber einen LFO mit Dreieck-Ausgang als Eingang für S&H.
Man kann sogar Rückkopplungen und Iterationen durchführen, aber das ist recht komplizierte Mathematik, und kann hier bei Interesse nachgelesen werden.
Ein paar Beispiele :
eine Melodie, die von der Tastatur gespielt wird, soll immer mehr durch "falsche Töne" verunstaltet werden. Dazu ist es nötig, zuerst einmal den CV-Ausgang der Tastatur den VCO ansteuern zu lassen. Ein zweites CV-Signal vom S&H wird zusätzlich zum VCO geleitet und zu dem Tastatursignal addiert (Mixer). Die Stärke, mit der addiert wird, ist einstellbar (Regler CV2).
Hier muss natürlich der Trigger-Eingang vom S&H vom Gate-Ausgang der Tastatur (bzw. Keyboard) gesteuert werden : bei jedem Tastendruck wird der Gate-Ausgang der Tastatur zum Trigger-in vom S&H geleitet, so dass die Schaltung den nächsten Zufallswert festlegt. Als Signal-Eingang der S&H-Schaltung nehmen wir einfach ein Rauschen.
EXKURS:
Die Schaltung ist deshalb nicht ganz so einfach, weil man einige Dinge berücksichtigen muss :
Hat man eine T&H-Schaltung und nicht S&H darf
nicht der Gate-Ausgang der Tastatur "Trigger-in" vom S&H steuern, sondern der Trigger-Ausgang der Tastatur, dieser ist nur ein kurzer Puls beim Drücken der Taste. Beim Tastatur-Gate würde die S&H-Schaltung einfach alles so durchlassen, und das Rauschen selber würde den VCO modulieren, was dann so klingt. Falls die Tastatur keinen Trigger-Ausgang hat, muss man mit einem Zusatzmodul für den kurzen Puls sorgen, im Zweifelsfall nimmt man einfach einen ADSR mit (A:0, D:1 (ganz kurz), S:0, R:0). Oder man nimmt einen Trigger-Delay und stellt Delay auf "0" und "Gate time" so klein wie möglich.
Die Schaltung ist in der Form etwas unpraktisch, einfacher wäre es, wenn das Mischungsverhältniss automatisch läuft. Man kann hier auch einfach einen VCA zwischenschalten, und diesen VCA z.B. von einem LFO ansteuern.
Lo-Fi mit S&H
Ein kleiner Schaltungstrick verschafft uns Uralt-Sampler-artige Effekte, die bei niedriger Samplerate entstehen : Dei S&H-Schaltung wird mit einer fixen hörbaren Frequenz (die "Sample-Frequenz") getriggert, und ein normal angesteuerter VCO (oder ein anderes beliebiges Audio-Signal) wird in "Signal-in" des S&H gegeben :
Was dann so klingt.
Das erzeugt, je nach Einstellung der "Sample-Frequenz" hübsche Digital-Effekte.
Man kann die Sample-Frequenz auch per Spannung steuern un den Effekt modulieren, wie zum Beispiel mit der ADSR-Hüllkurve. Die "Sample-Frequenz" ist dann automatisierbar.
Und nun wird es höchste Zeit, ein Modul vorzustellen, das in versteckter Form auch schon mehrmals da war : der Mischer, Mixer oder Addierer. Damit kann ich Steuerspannungen mischen (eigentlich addieren), aber natürlich auch Audiosignale, was dann sozusagen das Mischpult in klein darstellt. Und damit gibt es viel mehr auch schon garnicht zu sagen.
Ein Mixer hat ein paar Eingänge (meist 3 bis 6), für jeden Eingang einen Drehregler, und einen Ausgang, manchmal auch dieser mit einem Drehregler.
Die Drehregler multiplizieren das eingehende Signal mit 0 bis 1, d.h. Drehregler auf Anschlag gegen den Uhrzeigersinn (CCW) kommt garnichts durch, ganz nach rechts (im Uhrzeigersinn) dagegen das unveränderte Signal, und in der Mittelstellung ist das Signal etwa halb so laut. Von allen Eingängen werden diese "Mischungen" addiert und zum Ausgang geleitet, wo ggf. nochmal das Summensignal mit dem letzten Regler abgeschwächt werden kann.
Ein Schaltungsbeispiel zeigt etwas sehr klassisches, nämlich 3 VCO's, die dann zusammen in einen 24dB-Moog-Tiefpass gejagt werden : die MiniMoog-Schaltung.
Man kann übrigens einen externen Eingang beim Minimoog verwenden, der auch in diesen Mischer läuft. Stöpselt man in diesen den Ausgang des Minimoog kann man ganz fiese Feedback-Klänge erzeugen. Hier ist Vorsicht geboten bei der Einstellung des Mixereingangs für die Rückkopplung. Kaputtgehen kann allerdings nichts !
Ein Zwischending zwischen VCA und Mixer ist der VC-Mixer (voltage controlled mixer). Hier gibt es neben dem üblichen Drehregler für die Stärke des Eingangssignals noch ein Steuereingang, der einen zwischengeschalteten VCA ansteuert. Im Grunde ist aber so ein "Modul" eine Kombination aus VCA's und Mixer und kann so auch "zu Fuss" mit einzelnen Modulen zusammengestöpselt werden.
Ein hübsches Anwendungsbeispiel für einen VC-Mixer bietet übrigens das
Scanning Modul oder "interpolating Scanner"
Meines Wissens zuerst von Jürgen Haible aufgebracht ist das Scanning-Modul, welches in Abhängigkeit einer Eingangsspannung einen von mehreren Ausgängen auf hohe Spannung setzt, alle anderen auf niedrige. Und zwar mit gleitenden Übergängen. Das Ganze ist am einfachsten grafisch dargestellt :
Das Modul ist bestens geeignet, mit einer einzigen Ausgangsspannung aus mehreren Signalquellen zu wählen, was dann als Schaltung so aussieht (und mit einem VC-Mixer zusammenarbeitet) :
In diesem Beispiel wird spannungsgesteuert gleitend zwischen verschiedenen Filtertypen "gemorpht".
Im Unterschied übrigens zum "voltage controlled switch" (Step 7!), welcher wie ein Schalter zwischen verschiedenen Quellen umschaltet (also Schalter an oder aus, nix dazwischen).
Hier ein einfaches Beispiel, in dem der ADSR für die Lautstärke (Dynamikhüllkurve) gleichzeitig das Scanningmodul ansteuert, welches wiederum über VCA's den Filtertyp morpht.
