Praxistest: Doepfer A-124 WASP-Filter Eurorack

Vorwort der Redaktion

Wieder einmal hat uns ein Leserbeitrag so sehr gefallen, dass wir euch diesen unbedingt ganz oben auf der Startseite präsentieren wollen. Lieber „moinho“, vielen Dank für deinen tollen Beitrag.

Heute geht’s um das Filter des EDP WASP oder genauer um die Implementierung aus Doepfers A-100-System (vulgo “Eurorack”), genannt A-124. Es geht aber auch um Filter generell, Theorie von schwingungsfähigen Systemen – und die Frage, warum manche Filter (z. B. das oben erwähnte WASP-Filter) nicht oszillieren oder ob sie es vielleicht doch tun?
Die Story ist dabei sehr populärwissenschaftlich (bestenfalls) gehalten – ich spare mir bewusst saubere Beschreibungen im Sinne dessen, worum es heute gehen soll – Spaß mit Synths und Filtern (modularen und anderen) zu haben.

Das Doepfer A-124 WASP Filter

Das A-124 Wasp Filter ist ein Eurorack-Modul von Doepfer im klassischen Design und mit einem aktuellen Straßenpreis von 85,- Euro nicht nur eines der billigsten, sondern meines Erachtens das günstigste (im Sinne von Preis-Leistungs-Verhältnis) Filter im Eurorack-Universum. Warum? Neben einem charakteristischen Klang, der für viele Fälle einsetzbar ist, kriegt man auch echten Multimode (mit einem BP-Ausgang und einem, bei dem stufenlos zwischen LP, Notch und HP überblendet werden kann), und das zu einem Preis, zu dem viele Anbieter außer vielleicht passiven Multiples noch garnichts im Programm haben. Also fast perfekt? Na ja, wenn da nicht der eine Satz auf der Produktseite wäre:

Im Gegensatz zu den meisten anderen Filtern des A-100 ermöglicht der A-124 keine Selbstoszillation.

Was ja schon mal den möglichen Spaß etwas einschränkt.

Spoiler-Exkurs

Die folgende Aufnahme ist mit einem A-124 und einem Attenuverter (verwendet wurde ein LPZW WK2, aber jeder andere hätte es auch getan) gemacht:

Was unmittelbar zu ein paar Fragen führt: EWarum sagt Doepfer, dass der A-124 nicht schwingt und warum schwingen manche Filter nicht. Oder umgekehrt, warum schwingen Filter überhaupt, und was hat ein Attenuverter damit zu tun?

Warum schwingt was?

Heinrich Barkhausen, ein Physiker, der sich u. a. mit Elektronenröhren befasste, formulierte die erste (bekannte) mathematische Beschreibung der Voraussetzungen für Schwingungen in einer elektronischen Schaltung. Seine Barkhausen-Bedingung ist für eine rückgekoppelte Schaltung (mit dem Vergleichsoperator angepasst auf unseren Anwendungsfall):

1. Die Phasenverschiebung um die Schleife muß identisch mit oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2*Pi (360°) sein,
2. Die Verstärkung um die Schleife muß (größer) eins sein.

Und welche Frequenz resultiert dann? Genau die (oder eher jede), für die beide Bedingungen erfüllt sind. Nachdem wir ja die Formulierung “ein Vielfaches” haben, gibts (theoretisch) unendlich viele Frequenzen, bei denen eine bestimmte Schaltung schwingt – aber nicht bei allen ist die Verstärkung groß genug und eine typische Schaltung sucht sich eine raus, wo die Verstärkung am größten ist, schwingt dann bei der und nur bei der.
Damit brauche ich einen Verstärker und was zum Verzögern. Der Verstärker ist (bei den Frequenzen, um die es geht) erst mal einfach. Was nehme ich zum Verzögern? Theoretisch könnte ich einfach ein sehr langes Kabel nehmen, das wäre aber bei, sagen wir, 100 Hz sehr lang (so ein paar tausend Kilometer). Oder ich verwende elektronische Bauelemente, konkret Kondensatoren (oder auch Spulen), wie ich sie aus typischen Filtern ohnehin kenne.

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Sachen, die den Frequenzgang beeinflussen, sind systemtheoretisch erstmal lineare passive Dinger, die immer eine Kombination aus Verzögerungsgliedern, Addierern und Abschwächern sind. Und die Verzögerungsglieder sind in unseren Schaltungen eben typischerweise Kondensatoren – wenn mein Filter digital wäre, wären es eben Delays. Das Prinzip ist das Gleiche.

Und bei welcher Frequenz hat mein Filter, z. B. das Wasp-Filter, jetzt eine Verzögerung von 2*Pi? Ein idealer Kondensator schiebt mir bei der charakteristischen Frequenz die Phase um Pi/2, d. h. ein 4-Pol-Filter würde sie um 2*Pi schieben, das Wasp-Filter mit 2 Polen damit nur um Pi. Was aber erst mal kein Problem ist, weil was Pi bei der einen Frequenz ist, ist 2*Pi bei der doppelten. Da dämpft aber mein Lowpass das Signal schon mal um 12 dB, was mir wiederum mit meiner Bedingung mit der Verstärkung Probleme macht. Außer ich habe genug Verstärkung.

Praxisaufbau

Genug der grauen Theorie, ich baue mal was auf. In das Doepfer-Lowcost-Lunchbox-Case kommt neben dem A-124 Wasp Filter und dem vorhin erwähnten LPZW WK2 noch ein A-110-1 Standard VCO (kann man immer brauchen) sowie ein Ears.
Ears ist ein Kind zweier Größen der Eurorack-Open-Source-Welt: eine Mutable-Instruments-Implementierung von Tom Whitwells “Mikrofonie”. Wir brauchen dabei nichts von dem eigentlichen Zweck des Moduls, außer der Tatsache, dass es mir eine Verstärkung von 40 dB liefert. Tatsächlich habe ich sonst kein Modul mit so einer Verstärkung.

Filter “normal”

Für das erste Beispiel schließe ich den Sägezahn aus dem A-110-1 an den Eingang des Wasp an. Der Ausgang geht (wie in allen anderen Beispielen) durch ein DI800 und Multiface II nach Wavelab, wo alles normalisiert wurde. Im Nachgang gibt’s noch ein paar Aufnahmen, bei denen der Pegel erhöht wurde (da steht’s dann dabei, hier aber nicht).

Ich fange im LP an, drehe mit Resonanz 0 und Level 10 erst mal die Filterfrequenz von 0 auf 10, dann Resonanz auf 10, Frequenz wieder zurück auf 0, Wechsel von LP auf HP und dasselbe noch mal (d. h. nach oben diesmal mit Resonanz 10, nach unten mit Resonanz 0).
Danach geht’s zurück in LP, Resonanz 10, wobei ich nach der erkennbaren Resonanz suche, und drehe dann den Eingangspegel nach null.
Generell merkt man – insbesondere im Hochpassbetrieb – durchaus interessante Interaktionen zwischen dem Sägezahn und der Filterresonanz. Was auch erkennbar ist, ist, dass die Eigenresonanz anscheinend verschwindet, nachdem das Eingangssignal fehlt.

Filter “nackt”

Als nächstes stöpsele ich den Oszillator ab, wir haben jetzt also nur Filter in der Aufnahme. Die Einstellungen bleiben gleich (Resonanz 10, LP) und ich drehe ein bisschen an der Frequenz.
Und dann verstärke ich in der Aufnahme mal das Signal um 48 dB und siehe da: Die Resonanz verschwand nicht anscheinend, nur scheinbar.

Dazu ist anzumerken:

1. Um 48 dB verstärkt ist der Pegel je nach Frequenz -1…-7dB unter Maximum. Die Eigenresonanz ist also im Vergleich zum vorherigen Pegel bei etwa 50 dB weniger, so Pi mal Daumen ein Zweihundersechzigstel (!) des üblichen Signalpegels. Also sehr leise.
2. Heute regnet’s recht stark, als ich das Ganze vor ein paar Tagen bei eitel Sonnenschein machte, war die Eigenresonanz deutlich ausgeprägter. Und vielleicht ist es bei dem Modul von jemand anderem gar nicht vorhanden oder so.

In der Summe: Es gibt eine Eigenresonanz, aber sehr leise, nur bei gutem Wetter und vielleicht nicht bei jedem A-124 (und aufgrund der Bauteilalterung vielleicht bei gar keinem Original-Wasp).

Filter mit externer Rückkopplung

Ich denke jetzt drüber nach, was mir Barkhausen gesagt hat, und mache was mit Rückkopplung – dafür ist unser Attenuverter da.
Ich gehe vom Ausgang des Wasp in den Kanal 1 vom WK2 (nutze den also als Attenuverter) und von dort in den Eingang des Wasp. Ich splitte das Signal mit einem Stackcable.

Zunächst drehe ich den Level am WK2 (also die externe Rückkopplung) voll auf und schaue (bei Resonanz 10, Level 10), was passiert. Antwort: nichts oder eher nichts anderes als vorher.
Jetzt drehe ich den WK2 auf “-1”, also Invertierung und erst mal die Resonanz auf 0, wobei ich die dann auf 10 erhöhe und siehe da:

Wir kriegen Resonanz und zwar kernige – die noch ein klein wenig mehr Verzerrung kriegt, wenn ich die Resonanz des Filters aufdrehe.
Also gemäß Barkhausen: Ich muß anscheinend mit einem Trick (bei symmetrischen Schwingungsformen ist Polarität invertieren gleich Phase um 180° drehen) die Resonanzbedingung erfüllen – keine Überraschung wegen Filter zweiter Ordnung (siehe oben).

Wie war das mit der Verstärkung?

Nun sind wir an der Stelle, dass ich vorhin die Vermutung hatte, “resoniert schon irgendwie, wenn nur die Verstärkung groß genug ist”. Und dafür ist Ears da, das abgesehen von seinen ganzen anderen Eigenschaften als Verstärker mit 40 dB Verstärkung dienen kann. Zur Erinnerung: Vorhin hatten wir eine sanfte Resonanz um 48 dB verstärkt, in der Größenordnung sind wir damit fast.

Das folgende Beispiel ist: Ausgang vom Wasp nach Ears nach WK2 zum Wasp-Eingang. Resonanz am Wasp ist 0, WK2 ist auf “+1”, und dann drehe ich erst die Verstärkung an Ears auf und verändere dann die Frequenz am Wasp.

Die Resonanz ist über den Frequenzbereich jetzt lang nicht so stabil wie bei negativer Rückkopplung vorher, aber geht zumindest zwischen 1 kHz…10 kHz fein.
Nun stellt sich die Frage: Was passiert mit negativer Rückkopplung und der massiven Verstärkung von Ears?
Und damit sind wir beim Beispiel vom Anfang: