Fuzz (distortion) gitarowy DIY – projekt

Parę miesięcy temu moja lepsza połówka miała urodziny, a jako, że pogrywa od czasu do czasu na gitarze ostrzejsze brzmienia, postanowiłem uszczęśliwić ją małym dodatkiem do jej grania. Tak oto zrodził się pomysł na zaprojektowanie efektu/fuzza do gitary.

Pierwsza wersja

Na początku zainspirowany pedal shieldem do arduino, pomyślałem o wykorzystaniu atmegi i zrobienia czegoś na kształt ubogiego signal processingu. Efekty nie były najlepsze, ze względu na dość małą rozdzielczość jaką udało mi się osiągnąć. Pomysł został porzucony, a to co z niego zostało można zobaczyć na poniższych materiałach audiowizualnych.

Naturalnie, od razu skierowałem swoje spojrzenie w kierunku czegoś mocniejszego, w szufladzie walały się jakieś stare procesory sygnałowe od Analoga i porządne przetworniki. Brak czasu spowodował porzucenie również i tej opcji.

The analog

Tak o o stwierdziłem, że może lepiej tym razem nie wymyślać koła od nowa i zrobić to starym poczciwym sposobem. I to właśnie klasyczne podejście do budowy tego typu efektów chciałbym Wam właśnie przedstawić.

Dostępne typy zniekształceń/efektów

Na rynku można spotkać gotowe kostki opisane jako fuzz, overdrive, distortion, crunch. Różnią się one od siebie „głębokością” wprowadzanych zniekształceń, a co za tym idzie brzmieniem. I tak na przykład overdrive charakteryzuje się naturalnym i gładkim brzmieniem, gdzie z kolei fuzz ma bardziej metaliczny i mocny dźwięk, a np. distortion mieści się w definicji brzmienia gdzieś pomiędzy tymi dwoma. Należy przy tym pamiętać, że nazwy te nie odnoszą się do niczego konkretnego. Są w zasadzie wytworem marketingu. Można spotkać na rynku producentów efektów, którzy praktycznie wszystkie swoje kostki nazywają fuzz, czy overdrive, bez względu na to czy jest to distortion, fuzz, crunch, czy jeszcze coś innego. Także warto podejść do tego nazewnictwa z pewnym dystansem.

Tworzenie zniekształceń

Zniekształcenia jakie słyszymy podczas pracy efektu, a które same w sobie stanowią pożądany efekt, powstają na skutek obcinania wierzchołków sygnału (z ang. clipping). To, w jaki sposób wierzchołek zostanie obcięty i w jaki sposób ten obcięty sygnał zostanie „wygładzony” stanowi o tym jak będzie brzmiał efekt końcowy. Pierwsze efekty tego typu były lampowe i wykorzystywały przesterowane lampy do tworzenia pożądanych zniekształceń. My jednak nie będziemy się tutaj zajmować lampami, tylko krzemowymi odpowiednikami. Mamy tutaj kilka opcji generowania zniekształceń (przesteru) do wyboru. Te które nas będą interesowały i które wykorzystamy w naszym projekcie to tzw. twarde i miękkie diody obcinające (hard/soft diode clipping). Patent z diodami działa w ten sposób, że dwie równolegle i przeciwstawnie ustawione diody włączamy w pętle sprzężenia zwrotnego (soft) lub bezpośrednio w ścieżkę sygnału (hard) z jednej strony i do masy z drugiej. Obcinamy w ten sposób końcówki sygnału (clipping). Jest to bardzo prosta i zarazem bardzo popularna metoda na uzyskiwanie pożądanego efektu. Niemniej jednak daje ona duże pole manewru jeśli chodzi o brzmienie, gdyż możemy tutaj śmiało eksperymentować stosując różnego rodzaju diody np. krzemowe, sygnałowe, prostownicze, germanowe, led itd. Łącząc je między sobą w dowolny sposób, można nawet ustawiać kilka diod szeregowo. Także możliwości kombinowania z doborem diod mamy sporo.

Innymi znanymi metodami na obcinanie końcówek sygnału (przester) jest zastosowanie przesterowanych tranzystorów. Mamy tutaj do wyboru tranzystory krzemowe (charakteryzują się najbrzydszym, wręcz metalicznym, brzmieniem), tranzystory germanowe (są o wiele bardziej przyjemne dla ucha, ale z kolei praktycznie niedostępne w sprzedaży), czy nawet tranzystory JFET/MOSFET, które produkują moim zdaniem najprzyjemniejszą barwę dźwięku.

Projekt

Ok, wiemy już jak powstają zniekształcenia w fuzzach, niestety jest to jeszcze trochę za mało. Aby sygnał był dla nas użyteczny, musimy go jeszcze odpowiednio wzmocnić i dopasować oraz ewentualnie przefiltrować nadając mu odpowiednią barwę. Spójrzmy na poniższy schemat.

Jak widać na pierwszy rzut oka, zdecydowałem się na zastosowanie w charakterze wzmacniacza sygnału wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji nieodwracającej. Rezystory R4 i R5 ustalają wzmocnienie tego wzmacniacza. I w moim przypadku wynosi ono (R4+R5)/R5, czyli może się ono zwierać w przedziale (w zależności od położenia potencjometru R4) od 1 do 101. Wzmocnienie typowych pedałów typu distortion, zawiera się zazwyczaj pomiędzy 100 a 200. Ja wzmocnienie ustawiłem w tym dolnym zakresie uzyskując bardziej delikatny overdrive niż mięsisty distortion. Kondensator C4 wraz z rezystorem R5 tworzą filtr dolnoprzepustowy, który ma wpływ na brzmienie. Częstotliwość takiego filtra obliczamy ze wzoru:

f = 1 / (2 * Pi * R5 * C4)

Co dla wartości użytych przeze mnie daje odpowiednio:

f = 1 / (2 * 3,1415 * 1000 OHM * 0,000000047) = 3386,37 Hz

Częstotliwość tego filtra powinna zawierać się gdzieś w okolicach pasma słyszalnego, dobrą wartością będzie coś z zakresu od 40Hz do 30kHz.

Kolejnym ważnym, jak nie najważniejszym elementem kształtującym brzmienie, są diody obcinające sygnał To one robią w naszym układzie całą robotę i to właśnie one najbardziej wpływają na efekt końcowy. W moim układzie, są dwie pary diod D1,D2 oraz D3,D4. Są one dołączane naprzemiennie (albo D1,D2 albo D3,D4), przy pomocy przełącznika S1 (Hard/Soft). Pierwsza z tych par jest odpowiedzialna za tzw. łagodne obcinanie końcówek przebiegów (soft), druga za twarde (hard). Czym różnią się one od siebie? Najlepiej zobrazują to poniższe oscylogramy.

Na powyższym filmiku widać wejście sygnału (górny przebieg), oraz wyjście (dolny przebieg) podczas kręcenia gałkami.

Jak widać na oscylogramach powyżej, soft clipping charakteryzuje się łagodnymi zboczami sygnału, wierzchołek jest delikatnie zaokrąglony. Hard clipping z kolei ucina wierzchołki sygnału w sposób o wiele bardziej agresywny. Dobór diod jest mocno eksperymentalny, ja zastosowałem po jednej diodzie krzemowej i jednej germanowej. Można tutaj eksperymentować z różnymi diodami (prostowniczymi, sygnałowymi, germanowymi itd.) i nie tylko. Oprócz diod sygnał możemy obcinać przy pomocy kombinacji tranzystora polowego i diody, jak na przykład w układzie Shaka Braddah.

Przesterowany sygnał z wyjścia wzmacniacza operacyjnego, trafia na wejście układu regulacji tonu (gałka Tone). Ja zastosowałem u siebie układ prawie, że na żywca skopiowany z Big Muffa (elementy: R6,R10,R11, C6, C7). Układ regulacji tonu, składa się z dwóch filtrów dolnoprzepustowego składającego się z R10 i C6 oraz górnoprzepustowego C7, R11, z których wyjść sygnał jest pobierany poprzez liniowy potencjometr R6. Układ tego typu jest o tyle fajny, że jego zakres tonalny jest bardzo szeroki i pozwala na dość znaczną kontrolę nad brzmieniem w całym jego zakresie.

I to są w zasadzie wszystkie elementy, które mają realny wpływ na brzmienie i końcowy efekt brzmieniowy układu. Jak widzicie, sporo jest tutaj elementów z którymi można eksperymentować i bawić się, tworząc własne niepowtarzalne brzmienie.

Oprócz opisanych, ważnych z muzycznego punktu widzenia bloków, mamy jeszcze kilka elementów, które nie wpływają znacząco na brzmienie układu, a które są nam niezbędne do funkcjonowania układu. Mamy kondensator C5 obcinający składową stałą na wyjściu układu zapobiegając pojawieniu się napięcia stałego na wyjściu naszego fuzza. R1, C2 z kolei tworzą filtr górnoprzepustowy, a C1, R2 filtr dolnoprzepustowy. Zadaniem tych dwóch filtrów jest odciąć częstotliwości nieakustyczne i poprawić jakość pracy całego układu. R12,D5 to po prostu kontrolka sygnalizująca świeceniem działanie układu. Z kolei elementy R8,R9 oraz C8 tworzą dzielnik napięcia tworząc sztuczną „masę” (tak naprawdę połowę napięcia zasilania). Mamy jeszcze potencjometr R7, który służy do regulacji Volume – co jest dość istotne, ponieważ sygnały wychodzące z naszego układu są siłą rzeczy bardzo mocno wzmocnione.

Z elektronicznego punktu widzenia jest to w zasadzie cały układ. Należy jeszcze zwrócić uwagę na sposób podłączenia gniazd oraz przełącznika nożnego. Przełącznik, który użyłem to bistabilny, dwupozycyjny trójstykowy przełącznik nożny. W pierwszej pozycji: na pierwszym styku załącza sygnał do naszego układu, na drugim styku podaje minus zasilania na diodę świecącą sygnalizującą pracę układu, a na trzecim styku łączy wyjście układu z gniazdem wyjściowym. Jest to pozycja włączona. W drugiej pozycji – wyłączonej, sytuacja wygląda tak, że: na pierwszym styku łączymy wejście naszego układu ze stykiem drugim, który z kolei łączy się w tej pozycji z masą – dzięki temu wejście układu jest podpięte do masy i układ nam się nie wzbudza, natomiast styk trzeci, w tej pozycji łączy gniazdo wyjściowe układu bezpośrednio z gniazdem wejściowym tworząc układ true-bypas.

Gniazdo wejścia sygnału gitary pełni funkcję przełącznika zasilania. Jest to gniazdo stereo. Wtyczka gitary jest z kolei mono. Wkładając ją do gniazda stereo styk środkowy zostanie przy jej pomocy zwarty z masą. W moim układzie zasilanie ujemnej szyny z baterii/zasilacza nie podaję od razu na układ, tylko na masę gniazda wejściowego. Układ z kolei zasilam ze środkowego pinu tego złącza. Dzięki takiemu podłączeniu układ włącza nam się dopiero po włożeniu przewodu gitarowego w gniazdo wejścia sygnału.
Gniazdo zasilacza PWR, jest z kolei zabezpieczone diodą D5. Gdy podłączymy zasilacz to prąd nie będzie płynął przez wewnętrzną baterię. Dzięki temu chcąc skorzystać z zewnętrznego zasilacza nie musimy usuwać z układu bateryjki.

Podsumowanie

Poniżej możecie posłuchać brzmienia mojego układu, jest ono dość specyficzne i takie miało być. Inspirowałem się starymi polskimi zespołami punkowymi a mój układ miał symulować ich brzmienie typu przesterowane radio babci 😉

• Pliki projektu (schemat, pcb, pliki CAD do wykonania obudowy)

EDIT:
Brzmienie kostki można posłuchać tutaj: Fuzz DIY – brzmienie, sample