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E.X.O.S. - Digitaler additiver Sinus-Oszillator

Bei diesem Oszillator handelt es sich um einen auf einem AVR (RISC-Microcontroller) entwickelten additiven Oszillator, der zwei DNA's (Obertron-Spektren) mit je 64 interpolierten Spektren und jeweils 32 Obertöne besitzt. Weiterhin beherrscht er eine Art Vocal-Synthese, die wie ein Formant-Filter mit zwei einstellbaren Resonanzen klingt auf Basis von synchronisierten Sinuswellen. Der Preis des Moduls incl. MwSt liegt bei 155 Euro zzgl. Versandkosten. Enthalten ist das 16-polige Anschlusskabel wie auch die beiden M3-Rack-Schrauben zur Montage. Bei Interesse einfach per e-Mail anschreiben, derzeit sind noch fertig aufgebaute und kalibrierte Module verfügbar. Vorraussichtlich wird auch ein Bausatz bei Munichen-Audio (zur Seite) herauskommen, den man als DIY-Kit selbst löten kann.

Im Additiven Modus hat er grundlegend zwei Oszillatoren, die eine Phasenverschiebung wie auch eine Vertimmung gegeneinander zulassen (Ensemle/Phase). Zusätzlich besitzt er auch einen weiteren Intervall-Ton in 5th, 7th, und 12th (Quint/Septime/Oktave) in den mit der Modify-Buchse stufenlos in Echtzeit überblendet werden kann. Die DNA-Reihen lassen sich überblenden in einer in Morph eingestellten Geschwindigkeit, was auch langsame Überblendungen bis zu 20 Sekunden zulässt. Die vier Potentiometer an der Front können über die links angeordnete Modulationsbuchse extern moduliert werden, was sich in Verbindung mit LFO's oder Sequencern sehr nützlich gestaltet. Die Tonhöhe als CV-Spannung 0 bis 4V, wie auch ein Gate werden hinten am Bus abgenommen. Es kann kann auch von vorne CV und Trigger verwendet werden, was die Bussignale abtrennt, und ihn von der Buchse versorgt. Im additiven Modus steht auch ein Set-Modus bereit, der einfach eine DNA des DNA-Reglers speichert, und bei Gate (Tastenanschlag) in eine zweite eingestellte in einer mit dem Morph-Regler eingestellten Geschwindigkeit überblenden kann. Die Baubreite wurde an einen Doepfer A-110 Standard-VCO in 10 TE (Teileinheiten) angelehnt, um in einfach 1:1 austauschen zu können, ohne mehr Platz im vorhandenen Eurorack zu belegen. Die Front ist eloxiertes und gefrästes Aluminium mit schwarzem Bedruck. Hinten kann bei Bedarf über zwei Spindeltrimmer der Nullpunkt und die Steigung der CV-Spannung nachkalibriert werden. Die Versorgung des Moduls benötigt mindestens +12V|GND|-12V, wobei sich das Modul intern aus +12V selbst seine +5V erzeugen kann. In Extremfällen kann es auch mit +15V|GND|-15V versorgt werden ohne Bauteiländerungen. Dieses Modul verträgt als absoluten Maximalbereich +/-18V, ohne davon Schaden zu nehmen.

Bedienelemente im additiven Modus (Schalter auf Add):

Bedienelemente im Vocal-Modus (Schalter auf Voc):

Das Handbuch im PDF-Format zum Download: EXOS-Handbuch.pdf

Was ist eine additive Synthese?

Um die Funktion der additiven Synthese, und der DNA wie es hier genannt wird zu verstehen, muß man verstehen, wie Fourier-Reihen mit ihren Sinuswellen funktionieren. DNA wurde hier der Auswahl-Regler genannt, da er den Bauplan von vielen Sinus-Spektren (genauer 64 Oberton-Spektren) kennt. Jeder periodische Klang ist grundlegend zerlegbar in einzelne Teilfrequenzen, und auch wieder aus ihnen zu einem Ergebniss berechenbar. Dieses Verfahren basiert darauf, das der Grundton der erste Sinus mit einer bestimmten Amplitude ist. Eine zweite Sinuswelle doppelter Frequenz und einer bestimmten Amplitude stellt dazu den ersten Oberton der Wellenform dar. So geht dies theoretisch unendlich, wobei hier bis auf den 31. Oberton berechnet wird, der die 32-fache Frequenz zum Grundton besitzt. Das bedeudet, das hier 32 Sinuswellen parallel berechnet werden, mit je einer eigenen Amplitude (hier DNA genannt), die ein Spektrum der Wellenform darstellen. Jede der einzelnen Sinus-Frequenzen hat daher eine eigene Amplitude, heißt eine eigene Verstärkung wie auch einen Addierer, der alle Sinuswellen zu einem Summensignal addiert. Ändert man nun die Mischungsverhältnisse der einzelnen Obertöne, lassen sich beliebige Klänge bauen. Da dies recht Parameterintensiv wäre, wurde hier auf DNA's gesetzt, also Baupläne die als Wellenform-Information dienen. Folgendes grafische Prinzip muß man sich hier vorstellen:

Hier sind für das Verständniss nur 4 Obertöne und ein Grundton dargestellt. f1 ist der Grundton-Sinus, f2 die doppelte Frequenz bis f5 dem 5-fachen der Frequenz an f1. Die Verstärker danach verringern die Amplitude gezielt an jedem Sinus mit den Faktoren von a1 bis a5. Danach erfolgt die Summierung der manipulierten Sinuswellen zur endgültigen Wellenform. Dort sieht man nun fünf Amplitudenwerte, die hier DNA-Reihe genant werden. Genau so wird intern im E.X.O.S. die Berechnung durchgeführt, nur eben mit 32 Amplitudenwerten und 32 Oszillatoren und 64 primären und 256 interpolierten Sätzen davon als DNA's am DNA-Regler. Dieses gesamte Modul nennt sich hier einfach nur Oszillator, und wird als gesamte Gruppe betrachtet. Der nun komplexe Sinus-Oszillator wird wie oben doppelt berechnet, und in Ensemble gegeneinander um die Zielfrequenz herum verstimmt, bzw. in Phase gegeneinander verschoben. Dieses Konzept wird auf dem Intervall-Ton ebenfalls angewendet, und es kommt zu vier solcher Oszillatoren, wobei die weiteren beiden den Intervall-Ton betreffen. Die Mischung der ersten beiden zu den zweiten beiden Oszillatoren wird über Modify als Spannung geregelt.

Für eine Addition von nur 5 Sinuswellen sieht die resultierende Wellenform in einem Oszillator wie in der Grafik darüber aus. Man siehst die Einzelkomponenten als Sinuswellen mit ihrer jeweils höheren Frequenz, und ihre Amplitude. Die dickere Linie ist die resultierende Wellenform daraus. Wenn nun über die Zeit die Amplituden der einzelnen Sinuswellen modifiziert werden, können somit enorm komplexe Wellenform-Verläufe ausgebildet werden. Im folgenden Beispiel sieht man andere Oberton-Amplituden, und die komplett anders aussehende Wellenform daraus. So kann man auch Sägezahn, Klänge wie Rechteckwellen, Dreieckwellen wie man sie klassisch kennt nachbilden.

Einstellungen am Modul

Am Modul befinden sich auf der Rückseite einige Elemente für die Justage der CV-Spannung, wie auch der Bus-Stecker, der das Modul versorgt, wie auch Jumper.

Der Busstecker ist wie in der Grafik gezeigt belegt, enspricht genau dem Doepfer-Eurorack-Standard. Oben am Modul ist ein grüner Jumper mit der Bezeichnung DNA A/B, dieser dient der Auswahl der aktiven DNA am DNA-Regler. Dieses Modul beherrscht zwei komplette Sätze, die damit umgeschalten werden. Ein späteres Update ist über drei verschiedene Update-Methoden (siehe unten) möglich. Oben ist eine Lötbrücke SJ1, diese verbindet Gate zum Rückwandbus. Der rote Jumper INT/BUS schaltet die Versorgung der internen +5V um. In der Stellung INT wird die interne +5V aus den +12V am Rückwandbus erzeugt, was dringend zu empfehlen ist. Auf der Stellung BUS wird die +5V vom Rückwand-Bus genommen. Die Lötbrücke SJ2 ist grundlegend immer offen, sie dient nur der Überbrückung des darüberliegenden Ausgangs-Kondensators zur OUT-Buchse.

Justage der CV-Spannung

Das Modul arbeitet mit einer CV-Spannung von 0V bis 4V, was den Keyboard-Tasten C0 bis C4 entspricht. Da dieses Modul wie andere VCO's in die richtige Tonhöhe kalibriert werden muß, stehen hierfür zwei Mehrgang-Spindeltrimmer mit Zerro und Scale zur Verfügung. Dazu sollte das Modul im Eurorack angeschlossen, und umgekehrt im Rack montiert werden, damit es befestigt ist, und keine Kurzschlüsse erzeugt. Auf dem selben Bus muß nun ein MIDI-CV-Interface angeschlossen sein, das MIDI-Daten in CV/Gate übersetzt. Der Tune-Regler muß in Mittelstellung gebracht werden, um den Oszillator in die Ur-Stimmung zu schalten.

Zur Kalibrierung muß nun über das MIDI/CV-Interface (beispielsweise dem Doepfer A-190-4) ein schneller Notenwechsel von C0/B-1 (der Halbton darunter) eingespielt werden. Der Abgleich wird hierbei mit Zerro vorgenommen. Diesen rechts drehen, bis der Wechsel hörbar wird, dann nach links drehen, bis er gerade verschwindet, und ein einziger Ton zu werden scheint. Das selbe Vorgehen ist nun auch am Scale-Regler vorzunehmen, wobei nun ein C4 und ein C#4 in selber Weise gespielt werden muß. Den Scale-Regler nun soweit aufdrehen, bis ein Wechsel hörbar wird, dann links zurückregeln, bis er ebenso ein einziger Ton zu werden scheint. Das Verfahren abwechselnd mit Zerro, Scale durchführen, bis beide Töne sauber als ein Ton erklingen. Danach ist ein ausgiebiger Test möglich z.B. mit einem Keyboard oder Sequencer.

MIDI-Datei zum Download

Die Abgleich-Potentiometer haben in ihrer Funktion an Zerro bei Linksdrehung eine Verringerung, bei Rechtsdrehung eine Erhöhung des Tons zur Folge. Am Scale-Trimmer ist eine Linksdrehung eine Vergrößerung des Tonumfangs, bei Rechtsdrehung eine Verringerung des Tonumfangs die Folge.

Update des Moduls

Um den Klang-Pool dieses Modul später noch zu verändern, oder auch neuere Firmware aufzuspielen, stehen insgesamt drei Update-Methoden zur Verfügung. Allgemein benötigt man für einen normalen Betrieb die Update-Funktionen nicht, da der Oszillator auch so ab Start funktioniert, und komplett vorprogrammiert ist. Diese Methoden werden im folgenden einzelnen genauer beschrieben. Allgemein muß dazu die folgende Vorgehensweise ausgeführt werden:

1.) Spannung am Eurorack abschalten.
2.) Eventuell, wenn es sich um einen reinen DNA-Update handelt, den DNA-Jumper auf die gewünschte Ziel-DNA einstellen.
3.) Oktav-Schalter je nach Update-Methode einstellen.
          Mode 3 - Up: DNA-Update über externes Audiomaterial
          Mode 2 - Mitte: Firmware- und DNA-Updates über MIDI-Dateien
          Mode 1 - Down: Update über Notenfolgen als Oberton-Amplituden
4.) Set-Taster drücken, und halten.
5.) Spannung wieder einschalten.
6.) Set Taster erst loslassen, wenn die Set-LED von Dauerleuchten in Blinken übergeht.
7.) Die entsprechenden Aktionen je nach Update-Methode durchführen.
8.) Nach erfolgtem Update die Spannung am Eurorack nochmals aus- und wieder einschalten.
9.) Das Modul fährt nun im Normalbetrieb mit neuem Update hoch (bleibt im Flash-Speicher auch spannungsfrei erhalten).

Es empfiehlt sich, ein Doepfer A-190-4 MIDI-CV-Interface und ein Doepfer A119 Ext.Input/Env.Follower-Modul einzusetzen. Mit diesen beiden Modulen wurde es entwickelt, und lässt sich ein solides Update durchführen. Andere Module sollten, wenn sie als Alternative eingesetzt werden, den technischen Daten der beiden genannten Module entsprechen. Für die Updates muß das Modul bereits sauber kalibriert sein, vor allem bei einem Firmware- und DNA-Update über MIDI-Dateien (Mode 2).

Update über Notenfolgen als Oberton-Amplituden (Mode 1)

Neben dem DNA-Update über MIDI-Dateien besteht auch die Möglichkeit, die DNA-Reihen über MIDI-Noten selbst einzuspielen. Dazu müssen insgesamt 64 DNA-Reihen mit je 32 Oberton-Amplituden als CV/Gate an das Modul gesendet werden (dies entspricht 64*32 = 2048 Noten für eine vollständige DNA). Vor dem Update muß ebenfalls zuerst der DNA-Jumper auf die gewünschte DNA gesteckt werden. Die Notenfolgen sind in der Reihenfolge Grundton, 1. Oberton, 2. Oberton, bis zum letzen 31. Oberton der Reihe zu senden. Diese Folge wird über alle 64 Obertonreihen wiederholt, und liegt danach am DNA-Regler von Links bis Rechts angeordnet auf. Die Noten müssen als C0 bis C4 mittels CV-Spannungen von 0 bis 4V an das Modul gesendet werden. Dabei entspricht 0V 0% und 4V 100% der Amplitude jedem der 32 Obertöne. Die Amplituden werden beim Schreiben im Modul intern nachberechnet und optimiert, so das die später daraus resultierenden Wellenformen immer optimalen Pegel besitzen. Die Noten sind über ein Sequencer-Programm selbst zu erstellen, und geben so eine offene User-Schnittstelle zum Modul. Der obere DNA-Jumper muß dabei wie beim oben genannten MIDI-Update auf die gewünschte DNA gesteckt werden, und mittels Set-Taster und Oktavschalter der Update-Modus gewählt werden. Der Oktavschalter muß hierbei jedoch auf Down geschalten werden.

Firmware- und DNA-Updates über MIDI-Dateien (Mode 2)

Für die Firmware und DNA-Updates stehen die folgenden MIDI-Dateien bereit. Diese können bei Bedarf in das Modul eingespielt werden. Hierfür ist ein MIDI-CV-Interface nötig, das die MIDI-Daten in CV/Gate umsetzen kann. Über den Rückwand-Bus im Modularsystem werden die Daten als Noten-Spannungen mit Gate übertragen, und im Modul in den Flash geschrieben. Alternativ kann auch an der Front die CV- und Trig-Buchse verwendet werden, wenn über den Rückwandbus keine Übertragung möglich ist.

Der Update-Modus der Firmware wird gestartet, indem man den Oktav-Schalter in Mittelstellung stellt. Danach muß der Set-Taster am Modul gedrückt und gehalten werden, und das Rack in dem das Modul steckt eingeschalten werden. Die Set-LED beginnt zu leuchten, und geht nach kurzer Zeit in ein Blinken über. Genau in diesem Moment muß der Set-Taster losgelassen werden. Das Modul ist nun bereit für den Empfang des betreffenden Updates, und das MIDI-Datei kann an das MIDI-CV-Interface gesendet werden. Am Modul beginnt die obere LED zu blinken solange die Daten übertragen werden. Ist alles fehlerfrei übertragen worden, blinken im Wechsel die beiden LED's im Sekundentakt, bei fehlerhafter Übertragung blinken sie schnell als optische Rückmeldung. Das Rack kann nun wieder aus- und eingeschalten werden, damit das Modul wieder im Normalbetrieb anläuft. Im Falle der DNA-Updates muß der obere Jumper vor dem Update auf DNA-A oder B gesteckt werden, um das Update in die gewünschte DNA zu schreiben. Als MIDI/CV-Interface bietet sich hier ein Doepfer A190-4 an, der wegen Gate/CV im selben Bus gesteckt sein sollte.

Tritt ein Fehler auf, sollte man prüfen ob das MIDI/CV-Interface auf die Noten C0 bis C4 richtig reagiert, und die Spannung der Noten auch wirklich 0V bis 4V betragen. Ein Transpose, Detune, oder gar ein Portamento sollten alle auf Grundwerte stehen. Der MIDI-Kanal ist in den MIDI-Dateien auf 1 eingestellt, auf diesem Kanal muß natürlich auch das MIDI-CV-Interface eingestellt sein. Das MIDI-/CV-Interface oder das verwendete Sequencer-Programm hat eventuell Probleme, die schnellen Notenfolgen von ca. 50 Noten pro Sekunde abzuspielen. Hier kann man die Geschwindigkeit im Sequencer-Programm von 120BPM auch etwas langsamer einstellen, das Update dauert eben dann entsprechend länger.

DNA-Update über externes Audiomaterial (Mode 3)

Der Update über eingespeiste Klänge ist derzeit noch nicht ganz ausgereift, wird aber als Update "EXOS_Boot_2.mid" noch folgen. Dabei wird ein angelegtes Audio-Signal mit einem Pegel von etwa +/-4V an die Mod4-Buchse angelegt, und der DNA-Regler in Mittelstellung gebracht. Mit einem Wechsel von 0V auf 5V an Trigger wird die Wellenform digitalisiert und vermessen. Die eingespeisten Klänge sollten ideal bei 440Hz liegen, was dem Kammerton A entspricht. Der Bereich kann von 220Hz bis 880Hz betragen, um Klänge eine Oktave um den Kammerton A ebenfalls noch sauber zu erkennen. Mit Trigger (bzw. Gate vom Bus) wird dann das Signal über eine interne FFT-Analyse in seine Obertöne zerlegt, und als Obertonreihe optimiert. Das Signal liegt dann als DNA im DNA-Speicher, und der nächste Klang kann digitalisiert werden. So werden ebenfalls 64 Klänge nacheinander eingespeist und stellen eine gesamte DNA-Reihe am DNA-Regler bereit. Als Modul zur Audio-Signalverstärkung des Analysesignals ist ein Doepfer A-119 Ext.Input/Env.Follower sehr sinnreich. Dieser bringt das Signal, das an der 6,3mm Sym.In-Buchse eingespeist werden muß, auf geeignete Pegel an den E.X.O.S. An Audio-Out steht das verstärkte Signal bereit, das an die Mod4-Buchse verbunden wird. An Gate-Out wird auch ein Trigger ausgegeben, wenn das Signal am A-119 erkannt wurde. Diese Buchse sollte an die Trig-Buchse des E.X.O.S. verbunden werden. Der DNA-Jumper muß dabei wie beim Update auf die gewünschte DNA gesteckt werden, und mittels Set-Taster und Oktavschalter der Update-Modus gewählt werden. Der Oktavschalter muß hierbei auf Up geschalten werden.

Die Pegeleinstellung auf die nötigen +/-4V lässt sich über die Over-Load-LED am A119 auch sehr gut ohne ein Oszilloskop einstellen. Der Analyseklang sollte dabei mit Gain nur soweit verstärkt werden, bis die Over-Load-LED nur noch ganz kurz anspricht. Der Gate-Out sollte mit Threshold soweit eingestellt werden, das der Klang gerade einen sauberen Gate-Impuls auslöst.

Hinweis: Mit dem Full/Semi-Schalter kann man die Art des Triggers einstellen. In der Stellung Full wird automatisch getriggert, in Stellung Semi automatisch intern das Trigger-Signal errechnet. Damit kann auch ein einfacher Verstärker eingesetzt werden, der das Signal auf den vorgegebenen Pegel von +/-4V (8Vss) bringt. Ein externes Gate ist dann auch nicht mehr nötig, und der gefundene Trigger wird an der oberen LED angezeigt.

Modul-Demo

Eine kleine Demo des Moduls Live über MIDI auf einem Juno-G mit Arpeggiator gespielt.

Zusatz-Dokumente und Infos


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