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2. Dezember 2019

Attack of the clones: DIY Oberheim SEM

Klonen ist ja nach wie vor In. Fast wöchentlich erreichen uns die Vorankündigungen von Nachbauten. Vor einem Jahr etwa hatte ich die Idee ebenfalls zu versuchen einen analogen Synthesizer klonen. Besser gesagt das Synthesizer Expander Modul von Tom Oberheim von 1974. Erfahrung darin hatte ich nicht wirklich. Vor Jahren lötete ich den ttsh Version 1 zusammen, als dieser frisch auf den Markt kam, aber der war ja eher ein grosser Bausatz. Klar war, dass dieses Projekt einige Zeit in Anspruch nehmen würde. Zeit, die ich mir nehmen wollte um am Schluss hoffentlich ein Instrument zu haben, dass ich spielen kann. Ganz nebenbei würde ich hoffentlich vieles über Synthie-Elektronik lernen.

Original SEM

Das Original

Warum gerade den SEM?

Hauptschuld hat wohl das von Geforce Software produzierte Video über den Eight-Voice. Sprüche des Moderators Dave Spiers dass acht unisono gespielte SEMs es schaffen dass erwachsene Männer sich in die Hosen machen oder dass man damit Wände einreissen könne blieben hängen. In diesem Film werden schön die Möglichkeiten eines solchen Monsters gezeigt, aber auch die negativen Seiten wie beispielsweise die aufwändige Programmierung der einzelnen Module, oder etwa das fehlende Filtertracking wird nicht verheimlicht.
Erstaunt war ich darüber, dass im Internet nur sehr wenig dokumentierte Nachbauten dieser vielseitigen Module zu finden waren. Einzig Fabric Astronaut zeigte auf seiner Homepage einen Nachbau, der aber vom Platinen Layout her nicht dem Original entspricht.
Auch die neueren SEM Module von Tom Oberheim (Leiterplatten Versionen NewSEM5E und NewSEM9) wurden in SMD Technik und zum Teil mit anderen Bauteilen gefertigt. Dies führte zu leicht anderem Klang wie einige Nutzer bemerkten.

Die Skalierbarkeit war ein weiterer Grund mich daran zu versuchen. Bei Erfolg und mit der nötigen Ausdauer liesse sich theoretisch einen Eight Voice bauen. Mit Mixer und Midi-CV Interface. Auch Stereo-Federhall, ein 440Hz Testton zum Stimmen und Rauschen wären nett… Aber immer der Reihe nach.

Anfang

Wie bereits erwähnt wollte ich erst sehen ob ich es überhaupt schaffe aufgrund von den Schaltplänen und Fotos aus dem Internet ein funktionierender Prototyp herzustellen, der dem Original so nah wie möglich kommt. Dabei war das Ziel, das SEM, wo es auf den Klang ankam, möglichst mit original Komponenten in «through-hole» Technik mit identischem Platinen Layout nachzubauen. Mir war klar, dass es nicht möglich sein würde den Sound von vierzigjähriger Elektronik hundertprozentig zu treffen. Durch die unterschiedliche Lagerung tönen selbst die alten Module untereinander nicht exakt gleich. Es ging eher darum den allgemeinen Charakter zu treffen.

Das Original, der Oberheim SEM

Das Original, der Oberheim SEM (modifiziert)

Erste Schritte

Bevor die ganze Planung losging musste ich sicher gehen, dass das Unterfangen nicht an einem einzelnen Bauteil, das nicht mehr zu beschaffen war, scheiterte. Man sagt, solche Teile seien aus Unobtainium gefertigt.
Es galt also erst auf der gefundenen Dokumentation die potentiellen Bauteile herauszusuchen und deren Verfügbarkeit abzuklären. Eigentlich hatte ich damit gerechnet, dass die integrierten Schaltungen, wie Operationsverstärker oder Transistor Arrays das Hauptproblem darstellen würden, aber da lag ich falsch. Alle ICs liessen sich im gewünschten DIP Gehäuse beschaffen. Auch für die eingesetzten Transistoren und N-Channel FETs fand ich Ersatztypen.
Nein, es waren vielmehr die Potentiometer mit Mittelabgriff welche nicht mehr produziert werden. Mit diesen werden, sehr elegant, zwei Signale mit einem Bauteil geregelt, ein Grund dass diese Module so kompakt sind.
Zwar fand ich auf Aliexpress noch solche, aber mit falschen Widerstandswerten, nicht mit den gewünschten Achsen und schon gar nicht in der Qualität, in der ich sie einsetzen wollte. Sechs Stück von diesen wurden damals pro SEM verbaut. Mir blieb nichts anderes übrig als diese, aus erhältlichen Potis selbst herzustellen.

Eine Lösung für die zweiteiligen Regler der VCO Frequenz, von denen Vince in seinem schönen Review zum Two-Voice schwärmt, lieferte Mr Oberheim mit seiner Neuauflage gleich selbst: Einen für grobe und einen zweiten fürs fein Tuning. Sicherlich nicht so elegant, aber brauchbar.

Heiter ging es weiter

Nachdem sich nach den ersten Abklärungen keine unüberwindbaren Hürden abzeichneten ging es ans Erstellen einer brauchbaren Dokumentation. Dazu lud ich von duzenden Webseiten Bilder, Bedienungsanleitungen und Illustrationen auf meinen Rechner. Daraus entstand in aufwändiger Kleinarbeit eine Sammlung technischer Zeichnungen, Stücklisten, Schaltplänen und Datenblätter. 

MYSEM Drawings

diverse Zeichnungen

Als das Original abgebildet war, ging es darum die Abweichungen dazu zu dokumentieren. Gerade die +15/-15V Stromversorgung auf der Platine wollte ich nicht mit dem betagten LM723 Chip realisieren obwohl dieser durchaus noch erhältlich gewesen wäre. Da gab es aktuell einfachere und präzisere Spannungsregler, die weniger Schaltungsaufwand erforderten. Auch wollte ich die Trigger und Gate Punkte, die sich bei den originalen SEM durch Lötbrücken sehr flexibel anpassen liessen, vereinfachen.

MYSEM Dokumentation

Dokumentation

Eine Leiterplatte entsteht

Die Wahl der Software für das Platinenlayout fiel auf das in DIY Kreisen verbreitete Kicad. Nachdem ich bei einfacheren Platinen das onlinebasierte EasyEDA getestet hatte, wollte ich für dieses, etwas grössere Projekt, ein offline Programm nutzen. Die Software ist Open Source und wird unter anderem vom CERN weiterentwickelt.

MYSEM PCB Layout

Platinen Layout in KiCAD

MYSEM 3D

3D Ansicht der Platine

Also begann das ganze zeichnen von vorn. Schaltplan in Kicad erstellen, Footprints (Umrisse und Anordnung von Lötflächen von elektrischen Bauelementen auf einer Leiterplatte) der Komponenten definieren, Bauteile platzieren und die Leiterbahnen den Fotos entsprechend entwerfen.
Danach konnten endlich die Gerberfiles erstellt werden. Dies sind die Daten die Leiterplattenhersteller benötigen um diese zu fertigen. Bestellung abschicken. Warten. Eine Woche um genau zu sein, dann hielt ich die fertigen Platinen in der Hand. Wow, sehr gutes Gefühl. Etwas wie Elternstolz machte sich breit. Freude in silber und matt-schwarz.

MYSEM PCB

Platinen

Handarbeit

Nun konnte das bestücken und löten der Platine beginnen. Statt der originalen Kohle- setzte ich durchgehend Metallschichtwiderstände ein. Der Grund dafür ist die um einiges bessere Temperaturstabilität, wesentlich kleinere Toleranzen und weniger Rauschen. Dazu ein Zitat aus einem Sound on Sound Artikel: «Die SEMs sind nicht für ihre Stimmstabilität berühmt, vier von denen über mehrere Oktaven gestimmt zu halten mit identischer Filter und Envelope Einstellung… nun, das kannst du vergessen.»
Auch die «tropical fish» Kondensatoren die wegen ihrer Brüchigkeit berüchtigt sind wurden durch aktuelle «orange drops» ersetzt. Als weiteres upgrade baute ich anstelle der einfachen Abgleichwiderstände multi-turn Trimmer ein. Diese erlauben, im Gegensatz zu den originalen, einen viel präziseren Abgleich der Schaltungen.

MYSEM PCB

Platine von oben

MYSEM back

und unten

All diese Änderungen werden den Kang des SEM als Ganzes wohl berechenbarer, genauer und dadurch eventuell auch steriler wirken lassen im Vergleich zu den alten. Das nahm ich aber bewusst in Kauf.
Das Schöne am selber bauen ist, dass diese Entscheidungen selbst gefällt werden dürfen und man so das Instrument so den eigenen Bedürfnissen anpassen kann.
Irgendwann Ende Sommer konnte ich das Ganze dann, in einer Pappschachtel untergebracht, das erste Mal einschalten.

Heisse Transistoren

Zugegeben ich hatte vom ersten einschalten nicht viel erwartet. Dass aber abgesehen vom LFO kein einziger Baustein funktionierte und zudem bei beiden Envelope Generatoren ein Transistor so heiss wurde, dass man sich die Finger daran verbrennen konnte, hätte ich nicht gedacht. Glücklicherweise blieb wenigstens der berüchtigte magic smoke überall drin. Immerhin. Frust machte sich trotzdem breit. So hatte ich mir das nicht ausgemalt.
Lektionen in Demut. Aufgeben war aber keine Option. Eher wurde ich dadurch angestachelt weiter zu machen.

Nun war Fehlersuche angesagt. Messen, vergleichen, am Computer simulieren, wieder messen, ändern.
So lernte ich Schritt für Schritt die Schaltung besser kennen. Und schliesslich offenbarten sich nach und nach die von mir gemachten Fehler. Äusserst dumme Fehler um ehrlich zu sein: Widerstände, bei denen ich Werte von bloss 220 statt 220k Ohm verbaut hatte, oder falsch definierte Footprints bei den FETs, Integrierte Schaltkreise die, obwohl neu, defekt waren. Und so weiter.
Daneben musste ich erst noch die nötigen Messgeräte, ein Labornetzteil und ein Oszilloskop besorgen.
Alles gebraucht und möglichst Budgetfreundlich.

Die fertiggestellte Schaltung war natürlich erst die halbe Miete. Eine Frontplatte aus Aluminium musste her. Auch
die oben genannten Drehwiderstände mit Tab wurden hergestellt und verdrahtet. Beim Einstellen der Envelopes habe ich ganz am Schluss herausgefunden, dass die Kennlinie der drei Potis wohl logarithmisch verläuft und nicht wie alle anderen linear. Dies war leider aus dem Schema nicht ersichtlich. Also neu bestellt und ausgetauscht…

MYSEM front

MYSEM front

MYSEM Rückseite

MYSEM Rückseite

Erster Meilenstein erreicht!

Nun steht er hier, mein erster SEM Klon Prototyp. Zugegeben sieht er noch etwas «honky dory» aus wie Dave in seinem EEVBlog stets treffend zu sagen pflegt. Dafür macht er musikalisch riesig Spass. Das cremige Filter, der riesige sweet spot: Alles da. Einen Vergleich zum Original habe ich keinen. Das Arturia Plugin tönt anders.
Aber er klingt nach Oberheim, das ist was für mich zählt. 

MYSEM closeup

Nahaufnahme

Wie geht es nun weiter?

Nun werden zuerst die Korrekturen im Platinen Layout eingepflegt, diese in zehnfacher Ausführung neu gefertigt und mit Bauteilen versehen.
Die Frontplatte werde ich von Schaeffer produzieren lassen, die quadratischen Löcher für die Schiebeschalter bringe ich nicht in annehmbarer Zeit hin. Diese werden danach in RAL1015 Pulverbeschichtet und von mir im Siebdruck bedruckt. 

Nebenbei wird auch das Panning – Mixermodul entstehen das dazu dient die Audio Signale im Stereofeld zu verteilen und Lautstärkenmässig aufeinander abzustimmen. Auch das Gehäuse wird irgendwann ein Thema, da schwebt mir, wie Original auch, ein Holzgehäuse mit schwarzem Tolexbezug vor. Weiter werde ich unter den SEMs jeweils eine Reihe Patchpunkte anbringen mit denen man auf die mannigfaltigen Kontrollmöglichkeiten der einzelnen Module zugreifen kann.

Ebenfalls auf der Liste ist ein 8-fach polyphoner Midi nach CV Konverter. Auf Basis eines PIC Microcontrollers soll dieser ähnlich der Möglichkeiten des Eight-Voices umgesetzt werden. Theoretisch könnte man damit auch die begrenzte Speicherfähigkeit des Programmer Moduls nachbauen. Aber erstens bin ich im Programmieren nicht geübt und zweitens bin ich mir nicht sicher wie nützlich diese beschränkte Möglichkeit wirklich ist. Natürlich wäre das Speichern wünschenswert aber dann hätte ich auch gleich den OB-X klonen können.

Fazit
Ein Projekt, dass etwas durchhalte Willen erfordert. Aber auch wenn der Weg noch weit ist hatte ich bisher grossen Spass und habe sehr viel dabei gelernt.

Plus

  • - Am Schluss ein auf mich zugeschnittenes Instrument
  • - Sehr lehrreich
  • - Man hat danach ein einfaches Elektronik-Labor
  • - Und ein kleinteile Lager ebenfalls

Minus

  • - Zeitaufwändig
  • - An manchen Stellen frustrierend
  • - Darf finanziell nicht unterschätzt werden
Klangbeispiele
Forum
  1. Profilbild
    Dave the Butcher  AHU

    Das mit dem finanziellen Unterschätzen ist ein sehr guter Hinweis, ich habe mich bei yusynth ausgetobt und feststellen müssen, dass ich einiges mehr gebraucht hatte als gedacht.
    Ich Gratuliere dir jedenfalls zu deinem wirklich coolen Synth! Falls du daran denkst, eine weitere Pcb-Auflage zu machen, hätte ich echtes Interesse… Auf Electro-music. Com kann man die auch super verkaufen… LG David

    • Profilbild
      whitebaracuda  

      Hallo David

      Vielen Dank für deinen positiven Kommentar!
      Bevor ich mich entscheide ob ich die Platinen verkaufen möchte will ich sicher gehen dass die Korrekturen
      vom Prototypen auch wirklich wie gewünscht funktionieren. Es gibt genug DIY Projekte die mit Fehlern ausgeliefert werden.
      Aber ich komme auf dich zu wenn’s soweit ist.

      Viele Grüsse
      ‚cuda

  2. Profilbild
    hejasa  

    Die Mühen und der Frust haben sich den Soundbeispielen nach gelohnt, klingt toll und echt nach einem SEM. Glückwunsch!

    • Profilbild
      whitebaracuda  

      Danke Marco,

      Ich bin gelernter Fahrzeug-Elektriker, Elektroniker und habe einen Abschluss einer höheren Fachschule in Elektrotechnik mit Vertiefungsrichtung in Elektronik. Mein Hintergrund hat mir vor allem dabei geholfen die Hemmungen vor elektronischen Schaltungen abzubauen.

      Viele Grüsse
      ‚cuda

      • Profilbild
        Marco Korda  AHU

        Ja, toll. Da ich diesen Hintergrund nicht habe, habe ich auch noch Hemmungen mich da reinzuwerfen. Kannst du gutes Grundlagenmaterial empfehlen – am besten als Buch, weniger für Nerds, eher „für Dummies“ ?

        • Profilbild
          whitebaracuda  

          Hallo Marco,

          Für Elektronik Grundlagen kann ich die Fachbücher des Vogel Verlags empfehlen.
          https://vogel-fachbuch.de/elektronik/grundlagen/

          Elektronik für dummies gibt es auch, aber da kann ich nichts dazu sagen.

          Einfache Praxisanwendungen sind im Buch: Handmade Electronic Music-The Art of Hardware Hacking von Nicolas Collins beschrieben. (Man findet es als pdf im Netz)

          Später kommst du nicht um DIE BIBEL der Elektronik nicht herum:
          The art of electronics von Horowitz und Hill
          Ziemlicher Prügel das Teil aber in der dritten Ausgabe sehr aktuell und umfassend.

  3. Profilbild
    citric acid  RED

    wow, toller bericht und tolles projekt.Danke fürs veröffentlichen!

    mich würde sehr interessieren ob der Highpass genau so wie beim original klingt.
    Wenn Du das als projekt anbieten würdest, ich währe glatt ein potenzieller kunde :) hatte mal einen 4voice und jetzt nur noch den neuen sem als patchpanel. ich liebe den sound.

    d

    • Profilbild
      whitebaracuda  

      Hallo d,

      Vielen Dank! Auf die Idee überhaupt so einen Artikel zu verfassen hat mich Vince gebracht, die Lorbeeren gehören ihm;)

      Leider kann ich dem Artikel keine weiteren Audiodateien anfügen.
      Aber wenn du möchtest kannst du mich per PM kontaktieren dann schicke ich dir Aufnahmen mit HP.

      Liebe Grüsse
      ‚cuda

  4. Profilbild
    Cyborg

    Erst einmal Glückwunsch und meine Bewunderung für das Projekt.
    Ich kann leider nur nachbauen wenn ich eine PCB und gute Unterlagen habe und bin genug damit beschäftigt die Fehler mit den Widerständen (220Ohm statt 22kOhm) zu vermeiden ;)
    Mein letztes DIY war der MS2600NG den Matthias Beese entwickelt und mit 30 Leuten geteilt hatte.

    Ein Kumpel (Mitmussiker) hatte früher mal einen Oberheim 4-Voice und der war wirklich umwerfend, wenn auch nicht einfach in der Bedienung. ;)

    Solltest Du mal vorhaben, Platinen und Bauanleitungen (mit Tipps zu Teilebeschaffung?) zu veröffentlichen bzw. zu verkaufen, die Leute in meinen Facebookgruppen
    „Synthesizer Stammtisch“ und https://www.facebook.com/groups/1599881043561127/

    sind da sehr interessiert. Bis jetzt steht nur im Labor ein Link hierher.
    Würdest Du das dort vorstellen wenn Du soweit bist?

    Danke, Lutz

  5. Profilbild
    Cyborg

    Der Sound ist nicht von schlechten Eltern! Aber zum Filter habe ich eine Frage. Das sind ja 12dB Filter und die kommen beim Original nur in Resonanz wenn ein Eingangssignal anliegt. Hier scheint mir die Resonanz auffällig stark zu sein. Wurde da was „angepasst“?
    Danke

    • Profilbild
      whitebaracuda  

      Genau der SEM hat ein State Variable Filter mit einer Flankensteilheit von 12dB/Oktave.

      Da, wie auch beim Moogschen Ladderfilter, ein teil des Signals zurück an den Eingang
      des Filters geführt wird braucht es ein Eingangssignal für die Resonanz. Was es aber
      vom 24dB Ladderfilter unterscheidet ist dass es (wenn die Schaltung original ausgelegt ist) nicht bis zur Selbstoszillation reicht. Dafür muss die Schaltung angepasst werden.

      Ich habe mich aber bewusst für das Original entschieden, habe aber wie gesagt keine
      Vergleichsmöglichkeit.

      • Profilbild
        hejasa  

        Ich kann dir leider nur eine Rückmeldung zum meinen SEM Filtern von Doepfer geben. Der Klang kommt deinen Soundbeispielen sehr nahe, vergleichen eins zu eins kann ich nicht, aber dein Filter klingt noch irgendwie fetter, was aber auch durch andere Faktoren ausgelöst sein kann.
        Zu meinen SEMs kann ich nur sagen, ich bin sehr, besser ausgedrückt höchst zufrieden, sie gehören zu meinen Lieblingsfiltern.
        Was ich mich mehr frage, sind die Kennwerte deines VCAs. Je nach dem in welchen ich in meinem Eurorack die Filter schalte, ändert sich der Sound. Ich finde, dass die Einflussgrößen der VCAs viel zu wenig Beachtung finden, trotz des Wissens über bauteilbedingte Klirrfaktoren und dadurch erzeugte Obertöne.

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          whitebaracuda  

          Guten Morgen hejasa,

          Danke für den Vergleich mit den Filtern von Doepfer.
          Es ist schön zu hören dass diese in etwa gleich klingen.

          Die Schaltung des VCAs ist im SEM sehr einfach gehalten.
          Im Prinzip ist es nur ein OTA (CA3080) Baustein, derselbe der im Filter wirkt,
          mit nachgeschaltetem Strom-Spannungswandler.
          Viel simpler kann man dies gar nicht bauen.

          • Profilbild
            hejasa  

            Danke für die Antwort, die VCA Schaltung mit dem OTA scheint ausgefuchst zu sein, oder verzerrt der VCA, wofür der C3080 ab einer bestimmten Stromstärke bekannt ist?

            • Profilbild
              whitebaracuda  

              Nun, das musste ich erst testen.
              Ich kann aber, wie ich erwartet hatte, keine Verzerrung des VCAs hören. Wahrscheinlich ist der Kontrol-Strom des OTAs nicht so hoch gewählt worden dass dieser Obertöne erzeugt. Es ist eigentlich auch nicht die Aufgabe eines VCAs den Klang zu beeinflussen.

  6. Profilbild
    3chordwonder

    Hallo an alle,
    Habe mich vor einigen Tagen bereits angemeldet und nutze diese Leserstory um meinen ersten Kommentar zu verfassen.
    Ich habe mir ein ähnliches Projekt aufgebürdet, es geht um den OB–Xa. Habe gestern das Voiceboard mittels EasyEDA gestrickt. Das gesamte Projekt wird nicht speicherbar sein… auch wenn die Firmware Eproms zu beschaffen sind. Der Aufwand ist mir (erstmal) zu heavy.

    Die Prototyp– Platinen für eine 8– stimmige Midianbindung habe ich schon hier. Ich will versuchen mit einen Arduino Mega 2560 und 12–Bit DACs die Sache zu bewerkstelligen.
    Die Bauteile sind soweit zu bekommen, mal hören, ob die AS– clones der CEM Chips dementsprechend passen.
    Wenn gewünscht, werde ich hier und da berichten.

    @whitebaracuda… sehr, sehr geiles Projekt und ein Spitzenbericht.

    Herzliche Grüße

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