Comment faire sonner sa guitare comme un synthétiseur?

Il y a sur le marché des pédales d’effet de guitare le type “synthétiseur” comme la Synth-1 de Keeley, la Trapper de Fender, ou le poids lourd SY-1000 de Boss. Ce sont des pédales qui transforment et déforment la forme du signal, et qui donneront leur potentiel musical si on les aborde comme un instrument de musique.

C’est d’ailleurs ce que l’on fait – transformer et déformer le son – lorsque l’on applique une distorsion à outrance, comme avec une pédale de fuzz : on écrête la forme du signal ce qui fait apparaître artificiellement des harmoniques dans le son.

Dans un article précédant, nous avions vu un circuit octaver/fuzz que je compare à un synthétiseur. Nous avions vu comment monter le circuit sur protoboard et le son trituré qui en sort. Cependant nous avions laissé de côté l’aspect théorique.

Il y a de multiples manières de créer une fuzz, mais je trouve que ce circuit est intéressant car la transformation audio s’opère par une porte logique (de type “ou exclusif”).

Je propose donc ici d’étudier le circuit Digital Octaver Fuzz inventé par Tim Escobedo [1]. Nous allons voir comment le signal est transformé le long du circuit. A la fin de l’article je joue avec l’effet.

Sommaire
1 Présentation du circuit
2 Analyse des différentes sections du circuit
3 Fonctionnement général d’une porte XOR
4 Analyse du circuit : 1ère porte
5 Analyse du circuit : 2è porte
6 Petite impro utilisant la pédale

1 Présentation du circuit

Je rappelle ici le circuit de la Digital Octaver Fuzz :

Circuit de la Digital Octaver Fuzz (d'après [1]). J'ai entouré les différentes sections en couleur (voir texte).
Circuit de la Digital Octaver Fuzz (d’après [1]). J’ai entouré les différentes sections en couleur pour les explications (voir texte).

J’ai entouré les différentes parties fonctionnelles du circuit afin d’expliquer le circuit. Mais avant cela, regardons la forme du signal de guitare à l’entrée du circuit, mesuré à l’oscilloscope :

Signal de guitare mesuré à l'entrée du circuit.
Signal de guitare mesuré à l’entrée du circuit.

Le signal est à peu près sinusoïdal. Il ne l’est pas complètement car il comporte un certain nombre d’harmoniques, mais passons ici ce détail.

On voit donc un signal périodique de période à peu près 660 Hz, ce qui correspond bien à la fréquence de la note que j’ai joué (un mi 12e case sur la corde de mi aiguë de la guitare).

Le signal est bruité car en plus de diminuer rapidement en intensité, le signal qui sort des micros de la guitare n’est pas très élevé (on lit environ 40 mV sur le graphique).

Ce signal entre par l’entrée IN, et arrive dans le rectangle rouge.

2 Analyse des différentes sections du circuit

Section rouge :

Nous y trouvons un transistor 2N5088. Les résistances qui l’entourent sont calculées de manière à fournir les tensions adéquates au niveau de ses 3 broches (collecteur, base et émetteur). On dit qu’on a polarisé le transistor à son point de repos. La sortie est connectée sur le collecteur du transistor. Il est donc en configuration émetteur commun et amplifie le son qui arrive à la base (son entrée). Les condensateurs de 100 nF en entrée et en sortie servent à annuler les tensions de polarisation fournies par la pile de part et d’autre.

Voici à quoi ressemble le signal en sortie du condensateur sur mon oscilloscope :

Signal audio amplifié en sortie du transistor.
Signal audio amplifié en sortie du transistor.

On voit que le signal est beaucoup plus net. En effet, le signal étant amplifié, on ne voit plus de bruit. On peut également remarquer que la fréquence est toujours de 660 Hz (heureusement !).

Section bleue :

Nous avons un filtre passe-bas suivi d’un filtre passe-haut, c’est-à-dire un filtre passe-bande. Pour s’en convaincre j’ai fait une petite simulation PSPICE de cette partie du circuit, où j’ai fait varier la position du potentiomètre. Sur la figure suivante, on voit en ordonnées la quantité de signal qui passe en fonction de la fréquence en abscisses :

Simulation de la partie filtre (section bleue du circuit).
Simulation de la partie filtre (section bleue du circuit).

On voit très bien la forme d’un filtre passe-bande par la forme en montagne. On voit de plus qu’en jouant sur le potentiomètre on fait varier la quantité d’aigus qui passent.

Section magenta :

Nous avons 2 diodes mises tête-bêche. Leur rôle est d’écrêter le son. Nous avons déjà mentionné leur rôle ici et . Il s’agit d’aplanir la forme du signal, ce qui donne lieu à plus ou moins de distorsion selon la nature de la diode. Dans le cas de ce circuit, vu que la porte XOR produit en sortie un son déjà très distorsionné, j’ai décidé de ne pas inclure ces deux diodes dans le circuit de démonstration (voir plus loin).

Section verte :

Nous trouvons le cœur de ce circuit. Je ne vais pas détailler ici ce que sont les portes logiques, car c’est tout le monde de l’électronique digitale qui s’ouvre. Pour faire rapide, une porte XOR est un circuit qui sert de comparateur logique (sa réponse est 0/1, ou oui/non). Il peut également sommer ou faire la différence entre 2 signaux [2].

Les portes XOR peuvent servir également en audio pour obtenir des sons artificiels très intéressants, regardez par exemple cette page [3]. On y on trouve des informations très utiles pour fabriquer des sons synthétiques de percussions, ou autres.

Et c’est justement ce qu’on recherche dans le présent circuit, rendre le son synthétique !

3 Fonctionnement général d’une porte XOR :

Sur cette figure, j’illustre le comportement d’une porte logique XOR (“ou exclusif”). En entrée, j’applique les signaux rouge et vert. Ce sont deux signaux carrés qui oscillent entre 0 et 5V. La sortie est la courbe cyan. On voit que la sortie donne soit 0V soit 5V (état logique “faux” ou “vrai”). On voit de plus que la sortie vaudra 5V seulement si une et une seule des entrée vaut 5V. Lorsque les deux entrées sont simultanément à 5V ou à 0V, la sortie est à 0V.

Comportement d'une porte XOR (ou exclusif). Cette porte donnera une tension positive constante lorsqu'une seule de ses 2 entrées est positive. Dans le cas contraire elle retourne 0.
Comportement d’une porte XOR (ou exclusif). Cette porte donnera une tension positive constante lorsqu’une seule de ses 2 entrées est positive. Dans le cas contraire elle retourne 0.

On obtient donc en sortie un état dit “logique”, qui ne peut prendre que 2 valeurs : par exemple 5 V ou 0 V. En entrée, on peut mettre ce qu’on veut.

4 Analyse du circuit : 1ère porte

Nous venons donc de voir que dans le cas de la porte “ou exclusif” (XOR), la sortie sera différente de 0 si une des entrée seulement a un signal supérieur à un seuil. S’il y a signal dans les deux entrées, ou s’il n’y a pas de signal, la sortie vaudra 0.

Dans notre circuit, la 1ère porte XOR va changer la forme du signal d’entrée et le rendre carré [1]. Pour le voir, j’ai fait une simulation du circuit au niveau de la 1ère porte. On a le signal sinusoïdal sur la 1ère entrée. La 2e entrée est à 0 V :

Circuit utilisé pour la simulation PSPICE de la 1ère porte du circuit.
Circuit utilisé pour la simulation PSPICE de la 1ère porte du circuit.

Lorsque le signal (la sinusoïde) est plus grande que le seuil, la sortie de la porte est à l’état 1, et donc délivre une tension constante. Lorsque le signal passe en dessous de ce seuil, la porte voit à ses entrées 2 signaux nuls. Elle délivre alors l’état 0 c’est-à-dire 0 V. C’est ce que l’on voit sur la figure suivante :

Résultat de la simulation sur la 1ère porte. La courbe rouge est le signal qu'on envoie dans l'entrée de la porte logique. La courbe verte est la sortie de la porte.
Résultat de la simulation sur la 1ère porte. La courbe rouge est le signal qu’on envoie dans l’entrée de la porte logique. La courbe verte est ce que l’on obtient en sortie de la porte.

Le signal résultant (la courbe verte) est donc carré de même fréquence fondamentale. Le fait de le rendre carré signifie qu’on lui a ajouté énormément d’harmoniques (en particulier l’octave supérieure qui nous intéresse pour fabriquer l’octaver).

Voici d’ailleurs le signal mesuré à l’oscilloscope en sortie de la 1ère porte :

Comment faire sonner sa guitare comme un synthétiseur? Signal mesuré en sortie de la 1ère porte du circuit.
Signal mesuré en sortie de la 1ère porte du circuit.

La transformation du signal d’origine en signal carré par la 1ère porte est flagrante !

5 Analyse du circuit : 2è porte

Le signal est ensuite séparé en 3 :

  • Une partie passe par une résistance de 100 k et voit un condensateur de 2 nF avant d’arriver dans la 2e porte XOR. Cet ensemble résistance+condensateur forme un filtre passe bas. Par conséquent, dans l’entrée du bas de la 2e porte on injecte tous les grave du signal carré.
  • La 2e partie passe tel quel dans la 2e entrée de la 2e porte XOR. On compare donc des graves avec tous le spectre du signal carré. Mon interprétation est qu’en sortie la porte donnera un signal différent de 0 seulement là où les deux spectres ne se chevauchent pas. On crée donc ainsi un filtre passe-haut. Celui-ci ne laisse passer que les harmoniques créées par la 1ère porte, essentiellement l’octave supérieure.
  • La 3e partie va dans un potentiomètre de 50kohms. Ce potentiomètre est aussi relié à la sortie de la 2e porte qui délivre le signal octavié. En choisissant la valeur du potentiomètre, on va mixer le signal final entre un signal carré, plein en basses, et un signal à une octave supérieure.

Dans tous les cas le signal est carré et donc bien fuzz et synthétique. On comprends donc bien le nom du circuit : Digital Octaver Fuzz !!

6 Petite impro utilisant la pédale

Pour finir, je vous laisse écouter une petite impro que j’ai faite pour écouter comment sonne la pédale. Les 50 premières secondes je n’utilise que la pédale avec un peu de réverbe. Ensuite j’y ai ajouté allégrement diverses pédales d’effet : delay, pitch shift, tremolo et compagnie !

Vous avez aimé cet article ? N’hésitez pas à le dire en commentaire !!

Références

[1] http://www.jiggawoo.eclipse.co.uk/guitarhq/Circuitsnippets/snippets.html
[2] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4077b.pdf
[3] https://hackaday.com/2015/04/10/logic-noise-more-cmos-cowbell/

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