PuLSCar – Waldorf Pulse mit OSCar Filter

DIY-Lernprojekt 2017/2018 – OSCar Hardware Filter-Plugin für den Waldorf Pulse
… noch nicht abgeschlossen.

Motivation

Drei Aspekte führten zu diesem Projekt:

  1. Nach monatelanger Beschäftigung mit der Firmware des Synth Programmers musste ich dringend mal wieder etwas ‚Richtiges‘ mit Audio machen.
  2. Bei der Entwicklung der Pulse-Edition für den Synth Controller lernte ich den Pulse etwas näher kennen und schätzen. Vor Allem die DCOs mit deren Mixersektion ist sehr interessant. Die Signale werden nicht nur einfach im Pegel neutral zusammen gemischt. Je nach Pegel/Detune/Wellenform der 3 Oszillatoren entstehen hier im Mixer immer wieder neue Sound-Facetten wie ich es bisher noch bei keiner Mischsektion eines anderen Synth erlebt habe, schon gar nicht bei digitaler Mischung.
  3. Als Ex-Besitzer eines OSCars gehen mir dessen Filtersound und eigentümliche Verzerrungen seit 20 Jahren nicht mehr aus dem Kopf – irgendwann wollte ich dieser Sache technisch und praktisch mal näher auf den Grund gehen – und zwar jetzt.

P.S. Ich suche übrigens als Referenz auch nach einem ‚echten‘ OSCar – wenn der Preis nicht gerade bei 4.000 EUR liegen soll. Zustand sekundär, auch defekt.

Projektziel, Features

PULSCar Arbeitsplatz
PULSCar Arbeitsplatz

Das Projektziel war die klangliche Aufwertung des Waldorf Pulse durch die saubere Implantation des OSCar VCF.

  • Optionale Umschaltung des VCF zwischen Pulse und OSCar (Lowpass, Bandpass, Highpass)
  • Non-destruktiv, der ursprüngliche Pulse sollte nicht verändert wird und zu 100% weiter nutzbar sein
  • Nutzung der Pulse-eigenen CVs: alle Pulse-eigenen Module wie DCOs, Mixer, LFOs, Envelopes, Velocity, Modulationsmatrix, VCA und Paning sind voll nutzbar mit dem OSCar-VCF
  • Erweiterung soll komplett im Pulse-Gehäuse verschwinden
  • Umschaltung der Filtermodi am Pulse per Taster und 3 Status-LEDs oder per Midi
  • Exakte Anpassungen der Audio- und CV-Pegel um homogene Umschaltung zu ermöglichen
  • Ein optionaler Programmer im OSCar Look
  • Audio-Eingang im OSCar Modus
  • CV-Eingang für Cutoff im OSCar-Modus

OSCar Filter facts

Frühe Breadboard Version OSCar VCF
Frühe Breadboard Version OSCar VCF

Das OSCar VCF besteht aus zwei hintereinandergeschalteten 12db Filtern auf OTA-Basis (LM13600, Operational Transconductance Amp). Deren Lowpass- und Highpass-Augänge sind über elektronische Schalter (4053) in verschiedenen Kombinationen umschaltbar. Der Bandpass wird z.B. erreicht indem einer der beiden VCFs auf LP, der andere auf HP gesetzt wird. Neben Cutoff und Resonanz gibt es im gegensatz zu den meisten Synth-Filtern noch einen dritten Parameter: SEPARATION – beim OSCar über 32 Stufen im Halbton-Abstand aufgelöst. Er ermöglicht, die Cutoff-Frequenzen der beiden Filter auseinander zu ziehen, was je nach Modus unterschiedliche Auswirkungen hat. Liegen die beiden Cutoff Frequenzen nah beieinander ist die Filterdämpfung größer (bis 24db) als bei hoher SEPARATION. Bei hohen Resonanzwerten und großer SEPARATION sind 2 Peaks zu hören. Da nicht nur EINE (Cutoff-)Frequenz des Eingangssignales verstärkt wird sondern ZWEI, bekommt der Sound eine zusätzliche Klangdimension. Im Bandpass-Modus wird über SEPARATION die Breite des Bandpasses regelbar, dabei entstehen vokalartige Formanten. Bei hohen Resonanzwerten dünnt das OSCar-VCF den Bass sehr viel weniger aus als andere Filterkonzepte, der Gesamtpegel bekommt sogar noch einen Boost dazu. Zusammen mit dem entsprechenden Eingangssignal entstehen harmonische Verzerrungen und neue Timbres. Die geziehlte Pegelübersteuerung am VCF-Eingang heisst beim OSCar dann FILTER DRIVE. Sie wird geregelt durch halten von STORE und drehen an VOLUME. Bei 0% ist die Mischersektion komplett stumm.

Breadboarding

ordentliche Breadboard-Anbindung für den Pulse
ordentliche Breadboard-Anbindung für den Pulse

Zunächst suchte ich die ganzen Punkte am Pulse für die Schnittstellen (s.u.). Dann bastelte ich ein paar ordentliche Kabel um diese Schnittstellenpunkte zum Breadboard zu leiten. Auf einem Breadboard wurden dann die beiden OSCar Filter aufgebaut. Die Schaltung wird mit +5/-5 Volt betrieben und benötigt ca. 100mA. Die beiden Spannungen werden von den Spannungsreglern des Pulse abgezweigt. Die scheinen das ganz gut zu verkrapften und werden kaum heißer.

Schnittstellen 1 – VCF

Ein Filter braucht einen Eingang und (mindestens) einen Ausgang. Das Eingangssignal nehmen wir am OpAmp-Ausgang des Mixers ab. Die Anbindung VCF-Ausgang zu VCA-Eingang ist etwas komplexer. Das Pulse-Kaskadenfilter hat einen positiven und einen negativen Ausgang die den drei (zwei für Pan, einer für Feedback) 3080 Differenzverstärkern zugeführt werden. Wir explantieren die beiden 10µ Entkopplungs Elkos und löten 4 Kabel in die verbleibenden Löcher, 2 Kabel führen den VCF Ausgang des Pulse zum VCF-Umschalter, die anderen beiden sind die VCA Eingänge des Pulse. Der VCF-Umschalter leitet hier dann über die 10µ Elkos die Pulse-VCF-Ausgänge oder – mit entsprechenden Anpassungen – den Ausgang des OSCar-VCF ein. Der 4053-VCF-Umschalter muss allerdings mit +12V betrieben werden da der VCF-Output des Pulse 6.3V Gleichspannung führt. Ein Betrieb des Schalters mit +5V führt zu sehr unschönen Verzerrungen. Die Stromaufnahme des Schalters ist allerdings so gering, daß wir diese +12V ebenfalls vom Pulse selbst abzweigen.

Schnittstellen 2 – Steuerspannungen

Der Pulse hat analoge VCAs und ein analoges VCF. VC bedeutet bekanntlich ‚Voltage Controled‘, also müssen da auch Spannungen sein. Sie liegen sogar glücklicherweise zwischen 0 und 5 Volt. Der digitale Teil des Pulse rechnet alle Infrastrukturquellen auf eine CV zusammen: die Cutoff- und Q-Spannungen führen also schon die Mischung aus Initialfrequenz, Envelope, Velocity, LFO und Modulationsquellen. Wir müssen sie nur noch dem OSCar-VCF zuführen. Nunja, fast ;-)

Um das OSCar VCF anzusteuern benötigen wir Cutoff, Q und … SEPARATION. Die ersten beiden sind schnell an den entspr. Multiplexer-Outputs gefunden. Aber woher Separation nehmen? Ich habe kurzerhand die Steuerspannung für Noise-Level umgewidmet. Im musikalischen Kontext wird Noise (zumindest von mir) nicht allzu oft gebraucht. SEPARATION wird also geregelt über NOISE LEVEL und ist damit sogar über die Control Change-Möglichkeiten sowie die Modulationsmatrix modulierbar. Folglich müssen wir den Noise-Output bei der Umschaltung zum OSCar-VCF muten, damit beim Aufdrehen von Separation nicht Noise im Mix erscheint. Das tun wir über einen weiteren 4053-Schalter der die Verbindung zwischen 47µ Entkoppelungs-Elko (am Noise Output) und Mixer Input unterbricht. Wermutstropfen: im OSCar VCF Modus ist Noise nicht verfügbar. Dafür gibt es dann einen VCF Audio-Input über den man ggf. Noise wieder einspeisen könnte.

Schnittstellen 3 – VCA

OSCar VCF interfacing Pulse VCAs
OSCar VCF interfacing Pulse VCAs

Der Pulse hat zwei VCAs auf CA3080-Basis um Panning zu ermöglichen. Die beiden Eingänge (positiv/negativ) der VCAs sind (über Entkopplungskondensatoren) direkt mit den beiden Outputs des Ladderfilters verbunden. Das OSCar VCF hat nur EINEN Output. Wir brauchen also eine Anbindung um die Pulse-VCAs möglichst Nebengeräuscharm anzubinden. Die Lösung ist erstaunlich einfach, 2k2 zwischen den positiven und negativen Eingang und das Audiosignal über 10µ in den positiven Eingang leiten. Siehe Bild.

VCF-Umschalter Pulse/OSCar LP/BP/HP

Die Umschaltung zwischen Pulse und OSCar VCF erfolgt mit 3 elektronischen Schaltern. Schalter 1 & 2 verbinden die beiden VCA-Eingänge (positiv und negativ) entweder mit den beiden Pulse-VCF-Ausgängen oder dem OSCar-VCF Ausgang. Der dritte Umschalter verbindet den Pulse Noise Mixer Eingang mit dem Noise-Ausgang oder Ground.

Es fehlt noch eine Möglichkeit, die 4053-Schalter für die Filtercharakteristik LP/BP/HP anzusteuern. Die Wahl fällt natürlich auf einen Microcontroller. Er kann über MIDI angesprochen werden (siehe Kapitel ‚Programmer‘) und bietet zudem auf nur einem Chip alle Möglichkeiten zur Ansteuerung mehrerer LEDs, Schaltausgänge sowie einen Taster-Eingang zur manuellen Modus-Umschaltung. Mit jeder Flanke an diesem Eingang wird also immer im Kreis geschaltet: Pulse, OSC LP, OSC BP, OSC HP, Pulse … Über Midi lassen sich die 4 Zustände per SysEx-Befehl natürlich auch direkt anwählen. Das Plugin-Board soll eine optionale Schnittstelle bieten, um an der Pulse-Frontplatte über einen Taster und 4 LEDs auch ohne externe Midibefehle die Modi umschalten zu können.

Module 2 – Stromquellen für die OTAs

Die Ansteuerung der beiden Cutoff-Frequenzen und Q erfolgt im OSCar sehr interessant. Als Elektronik-Laie verstehe ich leider nicht ganz wie es tatsächlich funktioniert (ich bin hier für jeden Profi-Tip per eMail dankbar). Offenbar wird mit einem freien 13600 eine Konstantstromquelle erzeugt, welche die Steuerstromeingänge F1, F2 und Q über 100 Ohm Widerstände grundversorgt bzw. ansättigt. Dieser Strom wird gemischt mit den Strömen aus den 1k Widerständen in welche die Steuerspannungen (ca. -2.4 bis +2.4 V) geschickt werden.

Um die Schaltung mit den Spannungsanpassungen zu vereinfachen, habe ich die üblichen Spannung zu Strom Exponenzierer aufgebaut wie man sie in vielen OTA VCF Schaltpänen findet. Da wir im OSCar 2 Filter haben brauchen wir auch 2 separate Cutoff-CVs. Die initiale Cutoff CV wird 2 unabhänggen CV Mixern zugeführt. Für die Implementierung der Separation wird die Separation-CV zunächst abgeschwächt und einmal invertiert. Der positive Teil geht zum Cutoff CV Mixer für Filter 1, der negative Teil entsprechend zum CV Mixer für Filter 2. Die Ansteuerung der Resonanz funktionert identisch wie die beiden Cutoff-Ansteuerungen. In den meisten Schaltungen wird Q linear gesteuert. Sie hat aber einen sehr kritischen End-Punkt, der sehr vorsichtig angefahren werden will um im angenehmen/musikalischen Bereich möglichst viel Regelweg zu erhalten. Vermutlich hat die original OSCar Stromquellen-Lösung (siehe oben) dieses Problem mit der Exponenzierung irgendwie sehr elegant gelöst. (Hätte ich mal Elektronik studiert…)

PuLSCar Programmer

PULSCar Programmer
PULSCar Programmer

Jeder Pulse-Benutzer weiss es: das Pulse-Userinterface bietet viel Raum für Perfektionierung; beim Wechsel der Parameterzeilen kommt es zu Parametersprüngen. Glücklicherweise habe ich da diesen Synth Programmer und eine Edition für den Pulse entwickelt. Die Pulse-Edition benötigte ein paar Anpassungen, die Chef-Grafikerin adaptierte das OSCar-Design und fertig war der PULSCar-Programmer. Die Modi Pulse/OSC LP/BP/HP lassen sich nun direkt über Taster anwählen. Die 4 Modulations-Slots sind auch viel einfacher zugänglich. UND – es gibt einen eigenen DRIVE Regler der alle 3 Oscillator Levels gleichzeitig heft oder senkt (bis einer 0 oder 127 erreicht).

Demo

Ein erstes Demovideo, noch mit der unfertigen Resonanz-Schaltung.