Modifié : 24 novembre 2007

Banque de filtres fixes, FFB

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Description


ATTENTION, étant donné la taille du circuit imprimé et le grand nombre de composants et la grande densité du câblage, ce projet n'est pas destiné au débutant. Cependant, en procédant avec méticulosité et concentration cela reste un projet faisable.
Bien que ce module soit absent de bien des modulaires, il me semble qu'une banque de filtres fixes (BFF) est vraiment un module utile et indispensable. Le module de référence est le Moog 914 .

La BFF permet d'enrichir considérablement la palette sonore d'un système modulaire. C'est un élément clé pour la synthèse d'instruments conventiels ou la création d'ambiences "naturelles" et de sons environnementaux (vent, cours deau, bruissements divers). Bien que le principe de base du circuit puisse évoquer celui d'un égaliseur graphique, il en diffère notablement. Principalement, le facteur de qualité Q est plus élevé et surtout les pentes d'atténuattion des cellules passe-bandes sont plus raides que dans un égaliseur graphique. D'autre part, quand un potentiomètre est positionné sur 0, la bande correspondante est totalement silencieuse. Une application originale de la BFF est la modulation dynamique de séquences, dans laquelle il est possible de rendre muette certaines notes ou d'en accentuer certaines.

J'ai conçu ce module avec en tête la banque de filtres fixes Moog 914. Je me suis efforcé d'obtenir des caractéristiques similaires pour les cellules passe-bandes, passe-bas et passe-haut, à celle mesurée sur un authentique Moog 914 (un grand merci à Olivier Grall pour cela). Le dessin original de Moog est basé sur l'utilisation de cellules passives construites avec des inductances et des condensateurs.De nos jours, il est quasi impossible de trouver des inductances ayant les bonnes caractéristiques et il en coûterait une fortune de faire bobiner spécialement ces inductances. C'est pourquoi j'ai choisi de remplacer les cellules passives par des cellules actives. Pour concevoir une cellule passe-bande à base de composants actifs (i.e. ampli OP) ayant des caractéristiques similaires au Moog 914, il existe deux approches :
  • la première consiste à simuler des inductances en utilisant des circuits de types gyrateurs et C.I.N. (convertisseur d'impédance négative). La solution la plus efficace est cependant coûteuse car elle implique pas moins de quatre AOP pour recréer une cellule ayant le bon coefficient de qualité Q et la bonne pente d'atténuation (-12dB/octave).
  • la seconde consiste à utiliser des filtres actifs à réseau RC. Le choix d'architecture est ici vaste, cependant si l'on considère les contraintes (nombre d'AOP réduit, facilité de calcul des valeurs de composants, faible sensibilité à la tolérance des composants) la solution qui s'impose est celle du filtre passe-bande de Deliyannis aussi connu comme une structure de Rauch à rétroaction multiple.
L'autre avantage d'utiliser des filtres actifs est que le niveau de sortie de la BFF est plus élevé que celui du  Moog 914 avec un bon rapport signal/bruit.

Le module comporte douze filtres fixes passe-bandes avec une pente de -12dB/octave, un filtre passe-bas et un filtre passe-haut avec une pente de -24db/octave. Tout les filtres sont résonants avec un facteur de qualité Q d'environ 3,7. Le gain de chaque filtre est réglable de complètement silencieux à complètrement présent.

Le module dispose de deux entrées avec des gains différents pour s'accomoder de différentes sources et offre trois sorties : la sortie principale qui mixe toutes les cellules de filtrages, une sortie appelée "odd" qui alterne une cellule sur deux et enfin une sortie "even" qui est complémentaire de la précédente, c'est-à-dire qui mixe les cellules non présentes dans la sortie "odd". A l'aide des sorties "odd" et "even" il est possible de créer un effet de spatialisation en connectant les sorties "odd" et "even" sur deux voies d'une table de mixage et en les décalant avec les panoramiques du mixeur.

Ce module utilise la bagatelle de 32 AOPs (8 C.I.s),  125 condensateurs,  95  résistancess and 14 potentiomètres !
La consommantion en courant est de 70mA sur chacune des lignes d'alimentation (+15V et -15V).

Principes et schémas


Un peu plus sur la conception de filtres actifs
La cellule passe-bande
Le calcul du gain A, de la fréquence centrale Fc et de la résonance Q s'obtient grâce aux formules :


si on pose C=C1=C2 alors :


Pour obtenir des pentes plus raides (-12dB/octave) il faut chaîner deux cellules passe-bandes du second ordre.  J'ai d'abord choisi des valeurs de résistance standard pour obtenir le gain A, et le Q souhaités. Puis j'ai calculé la valeur des condensateurs donnant les fréquences centrales souhaitées. Cependant, les valeurs obtenues sont différentes des valeurs standards. Aussi, j'ai associé en parallèle (de façon à sommer les valeurs) deux condensateurs standards de façon à approcher le plus possible la valeur calculée (voir la table ci-dessous ) . Le schéma du filtre du quatrième ordre obtenu ainsi est le suivant :


Simulation sous SPICE3 du circuit ci-dessus

La fréquence centrale se situe aux environs de 1kHz.

La courbe rouge correspond au spectre mesuré en sortie du premier AOP. Les pentes de filtrage passe-bas et passe-haut sont de -6dB/octave (-20dB/decade), Q=2.7.

La courbe bleue correspond au spectre mesuré en sortie du second OPA. La résonance Q=4 est plus marquée les pentes sont plus raides -12dB/octave (-40dB/decade)


La cellule passe-bas
Le calcul du gain A, de la fréquence de coupure Fc et de la résonance Q s'obtient grâce aux formules avec R=R1=R2 :


si on pose C=C1=C2 alors :

 
Pour obtenir des pentes plus raides (-24dB/octave) il faut chaîner deux cellules passe-bas du second ordre.  D'autre part pour augmenter le Q on utilise des valeurs différentes pour C1 et C2. Le schéma du filtre du quatrième ordre obtenu ainsi est le suivant :


Simulation sous SPICE3 du circuit ci-dessus

La fréquence de coupure se situe aux environs de 88Hz.

La courbe rouge correspond au spectre mesuré en sortie du premier AOP. La pente de filtrage est de
-12dB/octave (-40dB/decade), Q=2.7.

La courbe bleue correspond au spectre mesuré en sortie du second OPA. La pente est de  -24dB/octave.



La cellule passe-haut
Le calcul du gain A, de la fréquence de coupure Fc et de la résonance Q s'obtient grâce aux formules avec  C=C1=C2 :


si on pose R=R1=R2 alors :



Pour obtenir des pentes plus raides (-24dB/octave) il faut chaîner deux cellules passe-haut du second ordre.  D'autre part pour augmenter le Q on utilise des valeurs différentes pour R1 et R2. Le schéma du filtre du quatrième ordre obtenu ainsi est le suivant :


Simulation sous SPICE3 du circuit ci-dessus

La fréquence de coupure se situe aux environs de 7kHz.

La courbe rouge correspond au spectre mesuré en sortie du premier AOP. La pente de filtrage est de -12dB/octave (-40dB/decade), Q=2.7.

La courbe bleue correspond au spectre mesuré en sortie du second OPA. La pente est de  -24dB/octave.






Circuit imprimé et disposition des composants

NOTE : le Circuit imprimé ainsi qu'un kit de composant peuvent être achetés chez Bridechamber
Circuit imprimé


Composants






Télécharger le schéma en PDF
Télécharger le typon (CI) en PDF

ATTENTION ! Le typon est en mirroir de façon à être imprimé directement sur un transparent ou sur du paiper "PressNPeel blue"


Liste des composants

référence
valeur
quantité
U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8
TL074
8
RN1,RN2,RN3,RN4
SIP réseau de résistances : 8 x 100K 2% avec point commun
4
R90,R91
10 ohm
2
R78a
470
1
R80b,R80b
680
2
R87,R88,R89
1k
3
R2,R5,R8,R11,R14,R17,R20,R23,R26,R29,R32,R35,R38,R41,R44,
R47,R50,R53,R56,R59,R62,R65,R68,R71
1.8k
24
R78a
3.3k
1
R77 3.9k
1
R79b 15k
1
R1,R4,R7,R10,R13,R16,R19,R22,R25,R28,R31,R34,R37,R40,R43,
R46,R49,R52,R55,R58,R61,R64,R67,R70,R80a,R81a
22k
26
R83 39k
1
R3,R6,R9,R12,R15,R18,R21,R24,R27,R30,R33,R36,R39,R42,R45,
R48,R51,R54,R57,R60,R63,R66,R69,R72
47k
24
R84,R85,R86
100k
3
R79a
120k
1
R73,R74,R75,R76
150k
4
R82
390k
1
C71,C72,C73,C74 22p
4
C45b,C46b,C47b,C48b,C50a,C50b,C53,C54,C55,C56,C57 1n, LCC jaune
11
C37b,C38b,C39b,C40b 1n5, LCC jaune 4
C5b,C6b,C7b,C8b,C21b,C22b,C23b,C24b,C33b,C34b,C35b,C36b,
C41a,C42a,C43a,C44a,C41b,C42b,C43b,C44b,C45a,C46a,C47a,C48a,
C51b,C52b
2n2, LCC jaune 26
C9b,C10b,C11b,C12b,C17b,C18b,C19b,C20b,
C25b,C26b,C27b,C28b,C29b,C30b,C31b,C32b
3n3, LCC jaune 16
C13b,C14b,C15b,C16b,C37a,C38a,C39a,C40a,C49b 4n7, LCC jaune 9
C33a,C34a,C35a,C36a 6n8, LCC jaune 4
C29a,C30a,C31a,C32a,C51a,C52a 10n, LCC jaune 6
C25a,C26a,C27a,C28a 15n, LCC jaune 4
C21a,C22a,C23a,C24a 22n, LCC jaune 4
C17a,C18a,C19a,C20a 33n, LCC jaune 4
C1b,C2b,C3b,C4b,C13a,C14a,C15a,C16a 47n, LCC jaune 8
C9a,C10a,C11a,C12a,C49a 68n, LCC jaune 5
C1a,C2a,C3a,C4a,C5a,C6a,C7a,C8a 100n, LCC jaune 8
C61,C62,C63,C64,C65,C66,C67,C68 100nF céramique
8
C59,C60 10µF /25V electro. 2
C69,C70 100µF/25V electro.
2

connecteur HE10 14 broches mâle
1
P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12,P13,P14
10K potentiomètre log
14
Jk1,Jk2,Jk3,Jk3,Jk4,Jk5
6.5 mm socle jack
5
VALEURS DES CONDENSATEURS DES CELLULE BP
Filtre BP
ref. capacité
valeur
ref. capacité
valeur
125 Hz C1a,C2a,C3a,C4a 100n
C1b,C2b,C3b,C4b 47n
175 Hz C5a,C6a,C7a,C8a 100n
C5b,C6b,C7b,C8b 2n2
250 Hz C9a,C10a,C11a,C12a 68n
C9b,C10b,C11b,C12b 3n3
350 Hz C13a,C14a,C15a,C16a 47n
C13b,C14b,C15b,C16b 4n7
500 Hz C17a,C18a,C19a,C20a 33n
C17b,C18b,C19b,C20b 3n3
750 Hz C21a,C22a,C23a,C24a 22n
C21b,C22b,C23b,C24b 2n2
1 KHz C25a,C26a,C27a,C28a 15n
C25b,C26b,C27b,C28b 3n3
1.4 KHz C29a,C30a,C31a,C32a 10n
C29b,C30b,C31b,C32b 3n3
2 KHz C33a,C34a,C35a,C36a 6n8
C33b,C34b,C35b,C36b 2n2
2.8 KHz C37a,C38a,C39a,C40a 4n7
C37b,C38b,C39b,C40b 1n5
4 KHz C41a,C42a,C43a,C44a 2n2
C41b,C42b,C43b,C44b 2n2
5.6 KHz C45a,C46a,C47a,C48a 2n2
C45b,C46b,C47b,C48b 1n


Câblage
En raison du grand nombre de connexions j'ai du diviser le schéma de câblage en deux parties.
schéma de câblage partie 1
plots milieux des potentiomètres
schéma de câblage partie 2
points chauds des potentiomètres

Face avant
Dessin de la face avant



Télécharger le masque de sérigraphie sous forme PDF


Télécharger le masque de sérigraphie sous forme JPG



Mesures


Voici quelques mesures de spectre réalisées grâce au logiciel SignalScope sur un Macintosh. Les mesures sont effectuées en injectant un bruit blanc dans la banque de filtres.




signal de référence bruit blanc
Passe-bas 88Hz Passe-bande 350Hz Passe-bande 1kHz Passe-haut 7kHz





LP 88Hz + HP 7kHz
Tous les BP
Tout
BP-odd (rouge) BP-even (vert)
BP-odd (rouge) BP-even (vert)


Références


Moog 914 Fixed Filter Bank à Moog Archives 
Texas Instrument Application Report : Filter design in thirty seconds
General information about 2nd order filters by Bill Bowden
Deliyannis filter : 

La gallerie des constructeurs
Voici des photographies des modules Banque de Filtres Fixes fabriqués par d'autres bricoleurs de par le monde.
  
Nom : David Brown
Projet : Modularsynthesis.com
Lieu: USA
Site web /www.modularsynthesis.com/yusynth/ffb.htm
Nom : Alison project
Projet : Alison project
Lieu: Winnipeg, Canada
Site web : www.thealisonproject.com
Nom : Tobias Schilly
Project :  funk machine
Lieu: Germany
Site :
www.mdz.de, www.myspace.com/schrumpfschlauch


Nom : DJthomaswhite
Projet :
Lieu :  USA
Site web : naturalrhythmmusic
Nom : Dave Wright
Projet : Notbreathing
Lieu :  USA
Site web :www.notbreathing.com
Nom : Julien
Projet :
Lieu: France
Site web
Nom : Zarko
Projet :
Lieu :  Gardanne, France
Site web :
Nom : David Ingebretsen
Projet : digembre
Lieu :  Salt Lake City, USA
Site web : digembre
Nom : Newandrewthal
Projet :
Lieu :  USA
Site web :

Nom : BaronRouge
Projet :
Lieu :   France
Site web :
Nom : Kevin Kissinger
Projet : digembre
LieuKansas City, Mo USA
Site web :


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