Shruthi-1 : Carte-filtre SMR-4

Schémas et PCB (printed circuit board = circuit imprimé)

La carte-filtre SMR-4 comprend : un filtre analogique contrôlable en tension (VCF) 4 pôles (Il est possible de passer en filtre 2 pôles en déplaçant un jumper sur la carte) avec une résonance contrôlable en tension, un amplificateur linéaire contrôlable en tension (VCA) et une alimentation régulée en +/- 5V qui alimente tout les éléments précédents. La vue suivante représente les blocs fonctionnels sur le pcb :

Pour réaliser la carte vous même vous pouvez trouver les fichiers au format Eagle hébergés sur github. dans le répertoire suivant : shruthi/hardware_design/pcb

Les schémas au format .pdf sont ici.

Comment ce filtre fonctionne-t-il ? Vous trouverez toutes les réponses dans l’analyse suivante (en anglais).

Liste des composants

En gras les références des pièces fournies dans les kits.

Index	Description	Valeur	Qté	Reichelt	Digikey	Farnell	Autre
R7	résistance 1%	68	1	METALL 68,0	68.1XBK-ND [1]	9342192
R12, R18, R22, R33, R38, R43, R55	résistance 1%	220	7	METALL 220	221XBK-ND	9341528
R21, R31, R32, R39, R40	résistance 1%	1k	5	METALL 1,00K	1.00KXBK-ND	9341102
R45	résistance 1%	2k	1	METALL 2,00K	2.00KXBK-ND	9341480
R46	résistance 1%	2.2k	1	METALL 2,20K	2.21KXBK-ND	9341536
R19	résistance 1%	5.6k	1	METALL 5,60K	5.62KXBK-ND	9342060
R5, R13, R44	résistance 1%	6.8k	3	METALL 6,80K	6.81KXBK-ND	9342168
R6, R9, R10, R17, R20, R24, R25, R26, R27, R30, R36, R37, R41, R42, R54	résistance 1%	10k	15	METALL 10,0K	10.0KXBK-ND	9341110
R29	Résistance 1%	30k	1	METALL 30,0k	30.1KXBK-ND	9341706
R8, R14, R16	Résistance 1%	33k	2	METALL 33,0k	33.2KXBK-ND	9341757
R28	Résistance 1%	56k	1	METALL 56,0k	56.2KXBK-ND	9342079
R15	Résistance 1%	68k	1	METALL 68,0k	68.1KXBK-ND	9342176
R4	Résistance 1%	100k	1	METALL 100k	100KXBK-ND	9341129
R11	Résistance 1%	220k	1	METALL 220k	221KXBK-ND	9341552
R47	Résistance 1%	330k	1	METALL 330k	332KXBK-ND	9341765
R23, R3, R35	Résistance ajustable	5k	3	64W-5,0K	SP064W-5.0K-ND	1141403
R34	Résistance ajustable	20k	1	64W-20K	SP064W-20K-ND	1141406
C27	Condensateur céramique	10p	1	KERKO 10P	478-4843-ND	1694176
C5, C13	Condensateur céramique	100p	2	KERKO 100P	399-4142-ND	1694179
C16, C17, C25, C30	Condensateur polyester [2]	1n	4	MKS-02 1,0N	BC1659-ND	1685470
C6, C11, C14	Condensateur polyester	33n	3	MKS-2-5 33N	BC1650-ND	9752986
C7, C8, C10, C12, C15, C18, C20, C21, C22, C24, C26, C28, C32, C33	Condensateur céramique	100n	14	X7R-2,5 100N	BC1148CT-ND	1694337
C1, C3, C4	Condensateur électrolytique, NP/audio	4.7u	3	TON 4,7/63	604-1130-ND	1236689
C31	Condensateur tantale optionnel, > 15V	10u	1	TANTAL 10/16	478-1839-ND	1753975
C2, C9, C19	Condensateur électrolytique	100u	3	RAD 100/16	P13476-ND	1136275
C23, C29	Condensateur électrolytique	220u	2	RAD 220/35	P10297-ND	9451099
D2, D3	Diode 1N 4148		2	1N 4148	1N4148TACT-ND	1612346
D1	Diode 1N 400x		1	1N 4004	641-1311-1-ND	1651084
Q7, Q8	Transistor NPN [3]	2N3904	2	2N 3904	2N3904FS-ND	1350591
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6	Transistor PNP [3]	2N3906	6	2N 3906	2N3906FS-ND	1704728
IC1	LT1054 Convertisseur DC/DC		1	LT 1054 CN8	296-9591-5-ND	1652378
IC6	LM7805 Régulateur +5V		1	µA 7805	LM7805CT-ND	9666095
IC2	LM7905 Régulateur -5V		1	µA 7905	LM7905CTFS-ND	9666141
IC3, IC4, IC8	TL074 AOP quadruple		3	TL 074 DIL	497-2205-5-ND	9755934
IC5, IC7, IC9	LM13700 AOT double		3	LM 13700 DIL	LM13700N-ND	1651866
	Support CI DIP 8		1	GS8	A100204-ND	1654374
	Support CI DIP 14		3	GS14	A100205-ND	1183573
	Support CI DIP 16		3	GS16	A100206-ND	1183574
JP3	Connecteur 3 broches mâle		1	SL 1X36G 2,54	HTSW-103-14-L-S-LL-ND	1668490
JP3	Cavalier		1	JUMPER 2,54 SW	A31697-ND	1740370
J1, J2	Connecteur Audio Neutrik 6.35		2			4169244	Musikding, Mouser 550-10201
J3	Connecteur alim		1		CP-102A-ND
J4	Connecteur 8 broches femelle [4]		2	BL 1X20G8 2,54 (x1)	3M9518-ND	1667474
	Carte Shruthi-1 SMR-4 v0.7		1				Mutable instruments
SW	Interrupteur on/off principal		1	WIPPE 1801.1102	CH755-ND	1608352
R1, R2	Potentiomètre de gain	10k	2			1760787	Tubetown Alpha 16 PCB 10k A

Quelques remarques :

1. Ces petites variations de 1% sont sans effet. Des résistances 1% sont nécessaires pour minimiser les écarts entre composants de valeur identique, pas parce que le circuit dépend de valeurs précises à 1%.
2. Des condensateurs au polystyrène peuvent fournir un meilleur son.
3. Le fonctionnement du filtre est amélioré par l’utilisation de transistors appariés.
4. En fonction de la disposition des cartes et du boîtier, un connecteur MOLEX 8 voies pré-câblé peut aussi être envisagé.

Instructions d’assemblage

Préparatifs

Pour vous aider dans l’assemblage, vous pouvez vous référer à cette photo d’une carte correctement assemblée :

En ce qui concerne l‘équipement :

1. Fer à souder (pas besoin d’un monstre, 12W ou 15W suffisent) et soudure (l‘étain est le plus facile à travailler, et pas forcément le plus nocif).
2. Pince coupante.

Nous n’allons pas vous expliquer comment souder… Si c’est votre tout premier kit, nous vous conseillons de vous faire la main d’abord sur un produit un peu plus simple comme certains kits vendus chez adafruit ou sparkfun . Pas de regret de rater un gadget à $20 !

Un dernier mot : patience ! Vous n‘êtes qu‘à quelques heures du moment magique où vous allez enfin pouvoir jouer avec le Shruthi-1, mais en cas d’erreur de montage, ces heures vont se transformer en jours ou semaines. Alors en cas de doute, allez faire un tour sur les forums et n’hésitez pas à poser des questions.

Étape 1 : alimentation, partie 1

Nous allons commencer l’assemblage par la partie “alimentation électrique” (ce sont les composants présents sur la partie droite du pcb). Commencer par l’alimentation nous permet de la tester sans prendre le risque d’endommager d’autres composants en raison de tensions trop élevées.

Ajoutons :

1. les quatorze condensateurs céramique 100nF (valeur indiquée : 104)
2. le condensateur céramique de 10pF (valeur indiquée : 100).

Les condensateurs céramique ne sont pas polarisés.

Étape 2 : alimentation, partie 2

Ajoutons maintenant :

1. Les 3 condensateurs électrolytiques de 100uF (C2, C9, C19)
2. Les 2 condensateurs électrolytiques de 220uF (C23, C29)
3. Le condensateur tantale optionel C31.
4. La diode de protection D1.

Tous sont polarisés. Les bandes blanches sur le côté des condensateurs électrolytiques indiquent leur patte négative, qui est en outre la plus courte. Insérez donc la patte la plus longue (du côté non marqué par la bande blanche) dans le trou marqué d’un plus. Voici une autre vue des condensateurs :

C31 n’est pas strictement nécessaire. Ajouter C31 en parallèle de C2 réduit la résistance série équivalente de la paire de condensateurs tout en ayant un impact limité sur la capacité (cf Datasheet du LT1054). La patte positive de C31 est se repère grâce à sa bande marron et son signe +, comme indiqué sur cette image.

Enfin, D1 est polarisée, l’année blanc qui l’entoure doit être du même côté que le symbole imprimé sur le PCB.

Étape 3 : alimentation, partie 3

Si vous n’utilisez pas d’interrupteur ON/OFF principale, vous devez court-circuiter les deux points repérés SW, par exemple à l’aide d’une patte de composant coupée et courbée en U. Si vous voulez utiliser l’interrupteur, connectez le par deux câbles reliés aux points marqués SW. Il n’y a pas de polarité à suivre pour l’interrupteur.

Au tour des régulateurs (LM7905 et LM7805). Ils sont polarisés, la partie plate métallique est du même côté que le trait gras sur le symbol imprimé sur le PCB. À noter que les kits peuvent contenir un autre composant compatible, référencé KA7805 ou TS7805.

Vérifiez une dernière fois l’orientation de tous les composants avant de continuer !

Étape 4 : alimentation, partie 4

Insérez IC1 (LT1054). Attention à l’orientation ! Ce circuit est tourné dans le sens contraire de la plupart des circuits sur le reste de la carte. La petite marque ronde sur le circuit intégré doit être à côté du texte IC1.

L’alimentation est maintenant prête à être testée. Connectez une alimentation continue externe (de 7.5 à 12V, régulée ou non), et vérifiez les tensions sur les points suivants de la carte :

La sonde COM du multimètre doit être placée sur le point bleu à gauche, près du texte GND. Avec l’autre sonde, mesurer la tension de tous les points marqués de cercles colorés. Les points bleus doivent être à 0V, rouge à 5V, et vert à -5V. De petites erreurs de 0.1 ou 0.2V sont acceptables. Un petit exemple de test en vidéo :

En cas de problème, vérifier la polarité et l’orientation des régulateurs et condensateurs. En dernier recours, allez faire un tour sur les forums — il est en tous cas fortement déconseillé de continuer l’assemblage si un problème avec l’alimentation est détecté.

Étape 5 : Résistances et diodes

Ajoutez :

1. deux diodes 1N4148. Elles sont polarisées, l’anneau noir doit être du même côté que la marque sur le symbole imprimé sur le PCB.
2. une résistance 68 ohms (bleu, gris, noir, or).
3. sept résistances 220 ohms (rouge, rouge, noir, noir). La version précédente du filtre (v0.5) n’en emploie que six.

Étape 6 : Résistances, le retour !

1. cinq 1k ohm (marron, noir, noir, marron)
2. une 2kohm (rouge, noir, noir, marron)
3. une 2.2kohm (rouge, rouge, noir, marron)
4. une 5.6kohm (vert, bleu, noir, marron)
5. trois 6.8kohm (bleu, gris, noir marron).

Étape 7 : Résistances, la trilogie…

Ajoutez quatorze résistances 10kohm (marron, noir, noir, rouge). La version précédente du filtre (v0.5) n’en emploie que 14.

Étape 8 : Résistances, la préquelle

1. une 30kohm (orange,noir, noir, rouge)
2. trois 33kohm (orange, orange, noir, rouge)
3. une 56kohm (vert, bleu, noir, rouge)
4. une 68kohm (bleu, gris, noir, rouge)
5. une 100kohm (marron, noir, noir, orange)
6. une 220kohm (rouge, rouge, noir, orange)
7. une 330kohm (orange, orange, noir, orange)

h3 Étape 9 : Supports pour CI

Ajoutez les trois supports de CI à 14 broches, et les trois supports à 16 broches.

Étape 10 : Condensateurs

Au tour des condensateurs. Tous les condensateurs soudés à cette étape ne sont pas polarisés.

1. Deux condensateurs céramiques de 100pF (repère : 101)
2. Trois condensateurs électrolytiques NP de 4.7uF. Un signal audio les traverse, ce qui veut dire qu’il ne faut pas négliger leur qualité.
3. Trois condensateurs polyester de 33 nF. Ils lissent les signaux de contrôle générés par le microcontrolleur. Leur valeur résulte d’un dur compromis entre le temps de réponse de l’enveloppe et la “pureté” du signal de contrôle – ces valeurs peuvent être abaissés (22nF) un peu pour obtenir des enveloppes plus agressives et sales, ou augmentées (68nF) pour obtenir des enveloppes plus rondes.
4. Les condensateurs de 1nF proche de IC8 sont ceux par lequel le filtrage est réalisé. Vous pouvez y mettre quelque chose d’un peu plus huppé que des condensateurs au polyester (par exemple : polystyrène, styroflex) — qui peuvent éventuellement avoir un autre écartement des pattes que les 5.08mm standard. Certains condensateurs de 1nF polyester peuvent se trouver avec un écartement des pattes de 2.54mm. C’est pourquoi trois trous sont présents. Ne tenez pas compte du trou du milieu si vous utilisez un condensateur avec un écartement de 5.08 mm et ne tenez pas compte du trou extérieur si vous utilisez un condensateur avec un écartement de 2.54 mm.

Étape 11 : Transistors

Les transistors sont polarisés. Faites bien attention à ce que les faces “plates” et les faces “arrondies” de chaque transistor correspondent bien avec ce qui est imprimé sur le PCB. Attention à ne pas mélanger 2N3906 et 2N3904.

Étape 12 : Connecteurs et résistances ajustables

Ajoutez les connecteurs et résistances ajustables suivants :

1. une résistance ajustable 20k (texte sur le dessus : W203), nommée lowwwww.
2. trois résistances ajustables 5k (texte sur le dessus : W502), nommées reso, DC, et V/Oct.
3. un connecteur femelle 8x1 permettant l’empilement des PCB.
4. un connecteur mâle 3x1 sur lequel est enfiché un cavalier permettant le choix du nombre de pôles du filtre (par défaut 4).
5. deux connecteurs audio Jack 6.35

Ne pas oublier d’enficher un cavalier sur (JP3), en position 4.

Si vous comptez placer votre Shruthi dans le boîtier standard en acrylique transparent, il n’est pas nécessaire de souder les potentiomètres à de volume. Il faut par contre court-circuiter deux des points de soudure des potentiomètres :

Étape 13 : Par ici les CIs !

Vous pouvez maintenant mettre en place les CIs (3 TL074 et 3 LM13700). Tous “regardent” vers la gauche, à l’exception d’IC7. IC7 est orienté différement. La carte assemblée devrait maintenant ressembler à ça:

Pause : Mais il ne manque pas un truc là ?

Vous avez sans doute remarqué 4 emplacements pour souder un composant à deux pattes avec un écartement de 2,54 mm (dessous le TL074 et près du potentiomètre de résonance). Ces trous peuvent être utilisés pour souder des composants (Zeners, diodes, LEDs…) pour distordre ou dompter la sinusoïde produite par la résonance.

Étape 14 : Accordage du filtre

Afin de fonctionner optimalement, le filtre a besoin de quelques réglages. Les symptômes d’un filtre mal réglé sont :

• Des “plops” audibles au début des notes
• Aucune auto-oscillation quand la résonance est réglée sur sa valeur maximale
• Une résonance sonnant “métallique” ou “aggressive” aux valeurs élevées
• Des sons qui sonnent “feutrés” même quand le cutoff est réglé à sa valeur maximale
• Des sons bizarres entendus quand la résonance est réglée sur 63 et des notes aigües sont jouées au clavier

Connection des cartes pour l’accordage

Pas facile d’accéder aux résistances ajustables si les deux cartes sont assemblées ! Aussi, pour l’accordage, est-il recommandé de garder les deux cartes côte à côté et de les relier par les 6 petits câbles fournis avec le kit.

Quelques observations générales à propos de l’accordage :

• Les résistances ajustables ont une plage d’ajustement de 22 tours. Lorsqu’on atteint une des deux extrémités, il est toujours possible de tourner la vis (un tout petit peu plus difficilement), mais plus rien de change.
• Ne pas chercher les petites bêtes ! Inutile de croire qu’avec une combinaison précise de réglages alignés avec les phases de la Lune on va retrouver le son d’un Minimoog Mythique.

Réglage de la résonance

La première étape consiste à régler le gain du circuit de feedback de la résonance, de façon à ce que le filtre entre en auto-oscillation (mais pas trop violemment) lorsque la résonance est réglée sur une valeur élevée.

1. Réglez les deux oscillateurs du Shruthi-1 sur none, la résonance sur 63 et le cutoff à 50. La seconde ligne de l’afficheur doit afficher, pour la page du filtre, 50 63 0 0
2. Jouez la note E4 (Mi 4) sur un clavier MIDI ou à partir d’un séquenceur (numéro MIDI : 64).
3. Tournez la résistance ajustable Reso dans le sens inverse des aiguilles d’une montre jusqu‘à ce qu’aucun son ne sorte.
4. Tournez progressivement cette résistance ajustable dans le sens des aiguilles d’une montre jusqu‘à atteindre le début de la zone d’auto-oscillation. En continuant de visser, l’auto-oscillation va devenir de plus en plus intense et va finir par être distordue. Revenir en arrière au point où elle apparaît tout juste.

Le point d‘équilibre est celui où la résonance ne prend pas trop longtemps à apparaître, et pour lequel le signal émis est une sinusoïde sans trop de distorsion.

Calibrage de la réponse V/Oct

Au tour de la résistance ajustable V/oct. Elle permet de régler le filtre de façon à ce que la fréquence de coupure suive des intervalles musicaux. Ainsi, les fréquences de coupure pour deux notes jouées à l’octave seront dans un rapport 1:2.

Gardez des valeurs de 50 pour le cutoff et de 63 pour la résonance, tous les oscillateurs étant désactivés. Essayez de jouer C1, C2, C3, C4 : les quatre notes devraient sonner à l’octave. Si ce n’est pas le cas, il faut régler l’accordage. Attention, le procédé est un peu différent qu’avec une guitare par exemple… Ici, ce n’est pas un problème si vous entendez, en jouant C1, une note qui n’est pas un C1. Le plus important est le respect des intervalles : deux notes à l’octave doivent produire, lorsque le filtre est en auto-oscillation, des sinusoides à l’octave. Si l’intervalle entendu sonne plutôt comme 11 demi tons, tournez V/Oct dans le sens des aiguilles d’une montre. Si l’intervalle sonne plutôt comme 13 demi tons, tournez V/Oct dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Calibrage du décalage de la composante continue

La résistance ajustable DC permet d’ajouter ou retrancher une composante continue au signal sortant du filtre, avant qu’il ne soit envoyé au VCA. En effet, si un signal comportant une composante continue est envoyé dans un VCA, le signal de l’enveloppe va “pisser” dans la sortie du VCA, et les mouvements rapides de l’enveloppe vont se traduire en clicks et plops.

1. Garder tous les oscillateurs sur none, et baissez la resonance et le cutoff à 0.
2. Jouez une note sur le clavier. Vous allez entendre un court “plop” et du silence.
3. Ajustez la résistance DC de manière à réduire au maximum l’intensité sonore du “plop”.

À noter : le point idéal se trouve près du milieu (11 tours d’une des extrémités).

Réglage de la plage de cutoff

Lowww permet de régler la fréquence maximale de coupure du filtre. Quand la résonance est à sa valeur maximale (63), que le cutoff est sur une valeur très haute (110 par exemple) et qu’une note aigüe est jouée sur le clavier (au dessus de E4), l’auto-oscillation du filtre peut se déstabiliser. Cela se traduit par la présence de sous-harmoniques dans le signal produit par le filtre. Vous pouvez tout à fait choisir de les ignorer (elles ne surviennent que dans ce cas bien précis), ou vous pouvez choisir de régler le filtre de façon à ce qu’il n’entre jamais dans cette plage instable.

1. Réglez la résonance sur 63.
2. Jouez et laissez enfoncée E4.
3. Réglez le cutoff sur 80.
4. Ajustez Lowww vers le haut ou vers le bas. La fréquence fondamentale de la sinusoïde jouée augmente ou descend.
5. Pour voir comment cela affecte le son, tournez rapidement le cutoff de 80 à 127 puis de 127 à 80.

Si Lowww est ajusté vers le haut, la zone d’instabilité est plus rapidement atteinte, mais le son du filtre sera plus brillant en usage normal (résonance réglée sur une autre valeur que 63). Si Lowww est ajusté vers le bas, la zone d’instabilité peut être évitée, au risque de produire un son moins brillant, puisque le filtre ne sera pas tout à fait entièrement “ouvert” lorsque cutoff sera réglé sur 127.

Remerciements à...

• Yohann Veron pour la traduction
• Todd Bailey pour des tas d’astuce de routage de PCB
• Aaron D. Lanterman pour ses documents de cours