Primeros pasos para construir un teclado polifónico.

PROLOGO.

Desde luego, nunca imaginé llegar a exponer mis pocas experiencias en el marco de la música y mira lo que son las cosas, aquí están o estarán expuestos los primeros pasos que di, en el campo de la música electrónica. Recuerdo con una leve sonrisa, las peripecias que tuve que hacer, por prometerle a mi hija que le haría un teclado para que aprendiera música y fue mi hijo quien se benefició de los resultados obtenidos. Pero esa es otra historia, sigamos con el fondo de la cuestión.  He tomado unas fotos con poca preparación.

Fig. 1

Intentaré describir el trabajo que hice, con los medios que se disponía en aquellos tiempos y sin perder de vista que se trataba de una forma de pasar el tiempo y realizar una experiencia con un proyecto de cierta envergadura. También, hay que tener en cuenta que no disponía de medios económicos extra para aportar el proyecto, así que, lo que sigue es una experiencia genial, desde mi punto de vista.

LOS INICIOS.

Eran los años ’80 y la electrónica en España parecía haber tomado un prometedor camino, aquí las empresas se atrevían a producir cualquier sistema basado en las nuevas tecnologías que diera una salida a la empresa y si daba rendimiento mejor aún. En esos años, nuestra industria había consolidado la tecnología digital que, en gran medida utilizaba con los circuitos integrados de la serie SN74XXX (TTL) y CD4000 CMOS, algunas empresas empleaban las recientes PAL’s, con las que podían proyectar y desarrollar sus nuevos diseños.

Es a primeros de los ’80 cuando empiezo a poner en práctica la teoría de los osciladores y en pocos meses me veo inmerso (en el tiempo libre, a parte de mi trabajo) en toda una serie de problemas que por momentos se amontonan. En principio monté un xilofón, pero no me convencía, … Pronto comprendí que necesitaba 12 osciladores independientes con los que generar las 7 notas y 5 semitonos, esto sólo iba a ser el principio, para el proyecto del posterior teclado polifónico.

Pensé y puse en práctica los 12 osciladores mediante dos CI, utilice los CMOS por que consumían mucho menos y por el margen de tensión de suministro, una decisión acertada, aún lo creo hoy día. Abajo, una foto de las partes que componen el teclado, pero esto ya llegará.

Fig. 2

Como decía, trace un circuito con osciladores ajustables mediante dos CI 40106, estos disponen de seis puertas inversoras con disparador Schmitt cada CI y con ellos un pequeño condensador y un potenciómetro ajustable podía obtener cada multivibrador oscilando a su frecuencia, la cual ajustaría mediante el potenciómetro, el esquema en principio es sencillo y se puede ver en la imagen de la derecha.

 Cuando estuvo todo en condiciones lo conecté al suministro de 5V y con una sonda digital intenté comprobar que, cada oscilador estaba trabajando, la frecuencia era otra cuestión, pensaría en cómo averiguar las frecuencias de cada nota y en la forma de conseguir calibrar estos osciladores, además tenía que preparar un amplificador de audio para orientarme a base de oído, mientras realizaba los distintos dispositivos. Este es el autentico esquema general de lo que tenía en mente.

Fig. 4

FRECUENCIAS Y TONOS.

Ahora sólo tenía que disponer de tiempo y ganas de trabajar en el proyecto. Los primeros problemas aparecieron con el ajuste de las frecuencias patrón de cada nota, tenía que encontrar una tabla de dichas frecuencias y me puse a buscar en todas partes. Y por fin como llovido del cielo y puesto que estaba abonado a ciertas revistas de electrónica, en una de ellas apareció una tabla ponderada de frecuencias como la que sigue.

Fig. 5  Tabla Frecuencias.

Había logrado dar un nuevo paso, ahora ya disponía de datos concretos sobre las frecuencias de las notas. Los primeros ajustes me sorprendieron por lo sencillo que resultaba, pero pronto saldría del error.

Realmente, ahora y sin saberlo, empezaban los verdaderos problemas con los interminables ajustes de cada trimer, claro, el ajustar un oscilador a su frecuencia era sencillo, el problema aparecía con la auto-influencia de unos osciladores sobre otros, ya que cuando terminabas con el 2º, el 1º ya no oscilaba en su frecuencia, así que, vuelta a empezar.

Lo primero fue pensar en poner filtros que redujeran la influencia que ejercía sobre los demás osciladores, así que, mediante filtros de RC los antiparasité, pero aun así, no era suficiente. A demás, había descubierto un nuevo problema, el propio suministro de energía influía en la conducta de los CI, filtré mejor la fuente de energía incluso con bobinas de 100mH en ‘pi’, esto redujo algo el efecto, pero no era suficiente.

Ahora comprendía a que se referían los fabricantes de CI cuando hablan de la influencia de las temperaturas en los semiconductores. Así que tuve que dotar de un pequeño retardo a la hora de presentar el sonido en la etapa final, para esperar a que los CI tomaran la temperatura de trabajo, con esto parecía mantenerse bastante estable la ‘fonía‘ por decirlo de algún modo.

Pronto construí un pequeño amplificador de 5W y además doté de una salida para auriculares monofónica, lo que me ayudó bastante a la hora de los ajustes y en las posteriores prácticas. Con esto había mejorado la audición de los sonidos que estaba produciendo.

LAS ENVOLVENTES.

Ahora, ya podía dedicarme con mayor facilidad a otros aspectos, como era la producción de ondas con armónicos suficientes de los que extraer las diferentes voces que necesitara, esta es una de las formas, otras me parecieron más complejas.

Fig. 6

Cuando aplicamos la salida de frecuencia de un oscilador a un amplificador de sonido, para escuchar como se reproduce el tono de dicha frecuencia, obtenemos un sonido que no es muy agradable al oído, esto es debido a que carece de envolvente, es una frecuencia digamos “limpia”, suena a mecánica, necesita algo más, para que suene agradable. La idea es cómo crear una envolvente de una frecuencia concreta como es un tono.

Serviría la suma de frecuencias; es como una reverberación, lo que ocurre con las vibraciones de un instrumento, por ejemplo, la guitarra, donde toda la caja vibra con cada cuerda, digamos, la voz del instrumento. El mismo sistema me permitía obtener la misma nota en la octava siguiente, esto era ideal ya que me permitiría disponer de más de una octava.

La idea básica es bastante simple, una vez dispusiera de la frecuencia fundamental de una nota, ésta la enviaría a un divisor (CD4518 divisor por 10 BCD), de la suma de tres de salidas, obtendría la señal para generar el sonido básico de esa nota. Este proceso era muy simple, con las cuatro frecuencias de salida, tenía que sumarlas mediante una red sumadora de resistencias y de esta forma obtenía una señal en escalera, bastante ideal para el caso, el esquema se muestra en la figura anterior. Y en la foto que sigue se muestra una PCB práctica, la salida de señales no se tuvo en cuenta y sin embargo, funcionó.

Fig. 7

CÓMO LOGRAR LA CURVA ADSR.

Con la obtención de la envolvente ya me dedique a preparar los generadores de ADSR (ataque-decaimiento-sostenido-relajación), para este circuito, me dedique a consultar y leer todo lo que se refería a este tipo de señales (Mundo Electrónico, Miniwatt, Electrónique Loisirs, etc), por fin, encontré dos medos de obtener este tipo de señal uno de ellos se muestra debajo de estas líneas, es bastante completo. El siguiente es un esquema de un sistema ADSR de una revista (creo recordar Mundo Electrónico) que puse en práctica es muy bueno. Se puede apreciar que está compuesto por unas puertas lógicas CMOS y un Op-amp, dispone de tres controles para el atack, el decay y el sostenido.

Fig. 8

Sin embargo use uno a base de dos osciladores a los que pudiera ajustar el ciclo de trabajo, de modo que modificaría el ataque de la señal con el flanco de subida y con el flanco de bajada, lo haría sobre la relajación, de esta forma sencilla sería suficiente. Así mismo los filtros para obtener el primer sonido semejante a una flauta, luego ya me preocuparía de otras voces como piano, clarinete, etc. El más simple generador, lo encontré con el socorrido 555, como oscilador monostable, se puede apreciar en el esquema general, como un PWM. Las señales de salida atacan las barras atack y decay como se muestra en el circuito.

Fig. 9

Como he dicho, utilicé tres 555 para generar los osciladores, podía ajustar su ciclo de trabajo con sus potenciómetros de modo que podía cambiar el ángulo de ataque al pulsar una tecla, es una forma simple de ADSR, consideré que suficiente para los primeros pasos.

Fig. 10

 Un oscilador maestro que, ataca a cada uno de los otros dos osciladores de frecuencia ajustable, para variar el ancho del ciclo de trabajo de la onda cuadrada de salida, dependiendo del mayor o menor ancho de la onda, se obtendría el estado de sostenido en la envolvente.

Fig. 11

 Cuando ya disponía de los generadores de nota para las 49 teclas que representan las 4 octavas y el Do superior, probé distintos filtros con los que obtener distintas voces, encontré el modo de conectar un contacto por tecla (nota), obteniendo aún así la polifonía que es lo novedoso, quiero decir que, por ejemplo:

El sonido que produce la nota Re2 (Re segunda octava), sonara normalmente a 73’4162 su frecuencia, si simultáneamente se pulsa otra nota (Do3), ésta se puede oír cuando entra el ataque y suena junto con la anterior, sumando sus frecuencias, si pulsamos otras teclas (Mi0, Fa1), se nota cómo ataca cada una, el filtro suma su frecuencia a las anteriores notas, manteniendo las teclas pulsadas se mantiene la resultante, en el momento en que se suelta una tecla, produce un cambio en la envolvente y se puede distinguir el cambio de sonido de modo que podemos apreciar la polifonía.

UN MEZCLADOR INTEGRADO.

La salida de cada sumador es común para todas las notas, sin necesidad de un sofisticado mezclador. La señal se toma con un condensador de paso separador de alterna, a continuación, se utiliza un operacional no inversor como amplificador diferenciador de ganancia la unidad, que sirve de separador de etapas.

En cuanto a los filtros que van a continuación, la verdad es que probé con los típicos filtros RC pasivos, luego probé los filtros activos y he de decir que en aquellos momentos el tema no lo dominaba y me tomaba mucho tiempo para las pruebas y cálculos, después de muchas pruebas comprendí que la prueba-ensayo-error llegó a ser un método que daba resultados. En los dibujos a mano puede apreciarse parte de lo que menciono y que en cierto modo ya tenía previsto que me ocurriría.

Fig. 12

Procuraba utilizar operacionales de fácil localización, aunque alguno como los CA3080 son un poco especiales pero se pueden cambiar por cualquier otro OTA.  En cierto momento probé la combinación de ambos tipos de filtros RCL, los pasivos y los activos, lo que opté por adaptar en muchos casos y en ciertas voces como clarinete, clavicordio y en metales, donde es más complejo obtener el brillo del metal.

Fig. 13

La cuestión es que personalmente me encanta la música en general, aunque he de confesar la ausencia de dotes para el ritmo y no digo de mi oído musical, aun así, puse en práctica mi teclado polifónico electrónico y 25 años más tarde aún lo conservo guardado como una reliquia para mi hijo, por cierto y gracias a haberle iniciado con este teclado o por lo que sea (es autodidacta), a sus 18 años, compuso tres piezas de música electrónica con ritmo y buen gusto que, no tienen desperdicio.

Habían pasado unos ocho meses o tal vez algo más, cuando por casualidad, obtuve información de un CI de Mostek que era un completo generador de 12 semitonos, el cual no tenía apenas deriva en la frecuencia. Como indica el fabricante, cada frecuencia de salida está relacionada con las demás por el múltiplo de 12·√2 que proporciona una octava completa más la nota Do superior para la misma escala templada (temperada), justo lo que mejor se adaptaba a mis necesidades.

Fig. 14

Yo alucinaba, no perdí tiempo para encontrarlo en el mercado, lo localicé creo recordar en un comercio de Barcelona y en unos días lo tenía todo dispuesto, la placa de PCB, con un oscilador ajustable para pilotar al MK50240 y un segundo oscilador de muy baja frecuencia ajustable de 5 a 9 Hz. para obtener la frecuencia del ‘LFO’ a la derecha de la imagen de a bajo. Cuando llegó lo monté, que puedo decir. Sonaba como un teclado profesional, ¡vaya eso, si esta bien hecho! Vista del generador de semitonos completo.

Fig. 15

Por fin sonaba como debía, ahora todo podía ser distinto, con la ayuda de un osciloscopio (prestado) pude ver el aspecto de la señal presente en la barra bus que, recorre cada una de las teclas, al igual que a la salida de los amplificadores operacionales, filtros y cada parte del circuito, hasta la entrada al amplificador de audio. Debajo se muestran detalles de las 2 barras bus y su conexionado, en la instantánea hay 2 teclas pulsadas para apreciar el contacto con la barra bus activa, la otra barra bus es la de relajación de tecla.

Fig. 16

La conexión de salida de las barras bus, las puse en el centro del teclado, si estaban en uno u otro extremo, al pulsar las teclas del extremo opuesto se observó un pequeño retardo respecto de las teclas mas próximas, por ese motivo corregí su posición para no introducir retardos. Las varillas que utilicé para las barras bus son de cobre con un baño de plata, esto es para evitar falsos contactos, es conocido el efecto de las sales de plata que, son más conductoras que la propia plata, así que, aunque se oxiden (el efecto capa negra) no será problema al pulsar la tecla, cuyo muelle tiene el mismo tratamiento.

Fig. 17

Como se puede observar en la imagen cada tecla tiene un único contacto y a pesar de ello me permite la polifonía. Hace algún tiempo los teclados necesitaban un contacto por cada sonido (flauta, oboe, piano, clarinete, etc.) lo que se convertía en un problema mecánico, gracias a un sofisticado sistema logré obtener la suma ideal de los distintos instrumentos sin producir ningún problema de acoplamiento entre los instrumentos.

El trabajo restante consistía en obtener filtros para los distintos instrumentos para conseguir su particular voz, pero esto se reduce a cálculos para los filtros que no es poco, pero lo importante ya esta descrito.

El próximo paso es utilizar un microcontrolador para obtener nuevas prestaciones, sin embargo ese paso no se si será posible por falta de tiempo.

Quiero pedir disculpas por las fotos que se muestran, este teclado y su conjunto llevaba muchos años guardado en, ni se como lo encontré, es por este motivo que aparezca con tanto polvo. Y hago constar que ha servido para que mi hijo tuviera una base en la música que le ha ido muy bien. Actualmente tiene algunas piezas musicales que suenan bastante bien, cuando su trabajo se lo permite actúa en alguna orquesta con amigos de Londres.