【導(dǎo)讀】也許一個(gè)只有一個(gè)八度范圍小型電子琴使用普通單片機(jī)可以方便的完成,但這款全模擬音樂合成器則使得對(duì)音樂、電子以及信號(hào)原理的學(xué)習(xí)更能夠充滿樂趣。這一點(diǎn)是彌足珍貴的(They are also expensive !)
01 MicroSynth
一、背景介紹
也許一個(gè)只有一個(gè)八度范圍小型電子琴使用普通單片機(jī)可以方便的完成,但這款全模擬音樂合成器則使得對(duì)音樂、電子以及信號(hào)原理的學(xué)習(xí)更能夠充滿樂趣。這一點(diǎn)是彌足珍貴的(They are also expensive !)
1、關(guān)于MicroSynth
David Levi希望更多的人了解、只在這款迷你音樂合成器:MicroSynth,簡單、有趣、內(nèi)容豐富,它僅僅有一個(gè)名片大小。
圖1.1 名片大小的MicroSynth PCB 板
(1)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
David設(shè)計(jì)的MicroSynth 使用了觸摸按鍵,替代了機(jī)械按鈕。巧妙使用運(yùn)放(OP-AMP)設(shè)計(jì)的振蕩器可以自動(dòng)產(chǎn)生按照指數(shù)分布的音節(jié)頻率;這要比利用555定時(shí)器與雙極性三極管電路更加簡潔;
因此MicroSynth的技術(shù)特點(diǎn)為:
沒有機(jī)械按鈕沒有任何數(shù)字芯片;沒有555定時(shí)器芯片無需使用匹配的雙極性三極管。
雖然使用雙層PCB板制作,但所有的線圈均可在頂層鋪設(shè);底層只作為公共底線。它使用了4個(gè)運(yùn)放,四個(gè)的N-MOS三極管,一個(gè)無源揚(yáng)聲器。
圖1.2 小巧的MicroSynth正面元器件布局
最初 David 設(shè)計(jì)MicroSynth就是作為他的特色明信片,把玩它使得David獲得很多樂趣。一天他認(rèn)為MicroSynth 應(yīng)該擁有它作為發(fā)明物的應(yīng)有的權(quán)利,被更多人看到它那靈妙的身姿。
2、關(guān)于David
MicroSynth 的作者David是 MicroKits 品牌的發(fā)明人和擁有者,MicroKits 是最初是提供 特雷門琴(Theremin)[1] 簡單設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案的項(xiàng)目。作者開始制作這類音樂合成電子作品,當(dāng)然他現(xiàn)在還不打算將其工程化。隨著制作更大的音樂電路,他使用MicroSynth測試一些想法,順便也作為他本人的名片。
二、技術(shù)細(xì)節(jié)
1、觸摸按鍵
MicroSynth 上的按鍵不是機(jī)械按鈕,而是觸摸電阻按鍵。當(dāng)手指觸碰按鈕時(shí),電機(jī)兩端就會(huì)有微量電流通過手指表面流過,足以打開晶體管開關(guān)。就像普通計(jì)算機(jī)上的薄膜開關(guān)的原理一樣,只是這里你的手指充當(dāng)了按鈕導(dǎo)通薄膜。
2、指數(shù)電壓
音樂各個(gè)音節(jié)頻率是呈現(xiàn)指數(shù)分布,每增加一個(gè)八度頻率增加一倍。在MicroSynth電路設(shè)計(jì)中,各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)電阻參數(shù)則是按照線性增加。電路板上的壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率正比于輸入電壓。例如,設(shè)計(jì)一個(gè)輸出10、20、30、40Hz 等間隔頻率信號(hào)的電路比較容易,但設(shè)計(jì)一個(gè)呈現(xiàn)信號(hào)耐壓指數(shù)增加電路,比如10、20、40、80Hz則需要豐富的電路技巧。
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大多數(shù)音樂合成電路使用雙極性三極管的指數(shù)變化增益將輸入線性電壓轉(zhuǎn)換成指數(shù)變化電壓,但這需要有精確匹配電阻、溫度補(bǔ)償以及電路精細(xì)調(diào)整才行。如果不把眾多瑣碎因素考慮進(jìn)去,則產(chǎn)生的音節(jié)不是太集中,就是分散。
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使用555 定時(shí)器電路產(chǎn)生音節(jié)則需要利用RC充放電時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)變化才能夠輸出指數(shù)變化的音節(jié)頻率。555定時(shí)器不僅比普通運(yùn)放昂貴,它所工作的電壓也比運(yùn)放高。
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作者巧妙設(shè)計(jì)了一款僅需要兩個(gè)運(yùn)放電路,可以將線性增加的電阻轉(zhuǎn)換成指數(shù)變化的電壓輸出,來控制一個(gè)VCO。本質(zhì)上講,這個(gè)電路輸出電壓是電阻的多項(xiàng)式函數(shù),但在一個(gè)八度音程范圍內(nèi)它已經(jīng)非常逼近指數(shù)變化函數(shù)了。
3、駭客精神
追求極致精簡的電路駭客們希望利用最為傳統(tǒng)器件完成電路設(shè)計(jì)。當(dāng)別人還在嘲笑那些使用微控制器實(shí)現(xiàn)本來可以由555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的功能的時(shí)候,David放出狠話,實(shí)際上有的時(shí)候555定時(shí)器都顯得多余。
02 電路設(shè)計(jì)
一、電路原理
1、電路器件
【表2-1 MicroSynth電路元器件】
2、核心電路
下面這個(gè)電路則使用了兩個(gè)運(yùn)放來產(chǎn)生指數(shù)(等比)分布的電壓。其中包括了鍵盤電路、指數(shù)電壓電路、高八度電路、微調(diào)電路等。
圖2.1 MicroSynth電路圖原理圖
(1)按鍵電路
按鍵電路本質(zhì)上是由12個(gè)1kΩ電阻串聯(lián)起來,通過按鍵開關(guān)將指數(shù)電壓運(yùn)放電路負(fù)極性輸入端接地。為了簡單起見,使用了普通開關(guān)表示串聯(lián)電阻接入地,實(shí)際上這些開關(guān)將來都是有MOS管來代替。
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十二個(gè)按鈕可以產(chǎn)生一個(gè)八度音高中的十二個(gè)半音階。當(dāng)多個(gè)按鍵被按下時(shí),該電路不會(huì)產(chǎn)生和弦,只有最高音節(jié)輸出。
(2)微調(diào)電路
電路圖中標(biāo)志有“Fine Tune”的電位器用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào),一邊產(chǎn)生準(zhǔn)確的音節(jié)頻率。
(3)八度音程開關(guān)
微調(diào)輸出電壓由右面單位增益,或者倍壓電路緩沖之后送到指數(shù)電壓電路。當(dāng)“Octave”對(duì)應(yīng)開關(guān)打開時(shí),緩沖運(yùn)放為單位增益,如果Octave開關(guān)閉合,則緩沖運(yùn)放增益為2。利用這個(gè)開關(guān)可以產(chǎn)生兩個(gè)八度的音節(jié)。
(4)指數(shù)電壓電路
指數(shù)電壓電路是這個(gè)電路的核心,它將串聯(lián)的線性變化的電阻轉(zhuǎn)換成指數(shù)變化的電壓。了解它的原理需要一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
決定輸出電壓是有三部分電路組成:
微調(diào)+倍程電路舒適的基準(zhǔn)電壓。經(jīng)過200k,100k分壓電路在輸出運(yùn)放“+”端產(chǎn)生電壓;由與鍵盤電阻組成的對(duì)的分壓電路;輸出電壓經(jīng)過200k,100k以及前面的分壓電路在輸出運(yùn)放的“-”極需要產(chǎn)生一個(gè)電壓等于“+”極電壓。
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根據(jù)運(yùn)放在放大狀態(tài)下,輸入端“虛短”特性,輸出運(yùn)放的“-”極電壓也應(yīng)該為。這個(gè)電壓與輸出電壓在200k電阻上產(chǎn)生的電流為:
由37.4k(假設(shè)稱為)與鍵盤電阻組成的對(duì)分壓電路,根據(jù)戴維南定理,可以看成由電壓,內(nèi)阻組成的電壓源。
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那么它在輸出運(yùn)放的輸入電阻(100k)上產(chǎn)生的電流為:
再根據(jù)放大狀態(tài)下運(yùn)放的“虛斷”特性,,所以
下面,假設(shè):
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那么可以計(jì)算出對(duì)于不同的按鍵電阻 ,所對(duì)應(yīng)的輸出電壓。下圖同時(shí)顯示了根據(jù)公式“計(jì)算值”以及對(duì)應(yīng)12音律的音節(jié)值。可以看到它們之間非常接近。
圖2.2 不同按鍵n對(duì)應(yīng)的輸出電壓
3、按鍵電路
下圖給出了按鍵實(shí)際電路,它是將手指觸碰電極所產(chǎn)生的微弱電流通過1M歐姆的下拉電阻驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通,相當(dāng)于一個(gè)對(duì)地的開關(guān),驅(qū)動(dòng)前面核心電路中1k歐姆電阻網(wǎng)絡(luò)。
圖2.3 按鍵電路圖
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人體觸碰電路過程中,不僅會(huì)等效成貫徹導(dǎo)通電阻,另外還會(huì)引入空間的交流電壓信號(hào)。所以在按鍵電路中還有1M歐姆與4n7電容組成的濾波電路。
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下圖是作者對(duì)于這個(gè)電路進(jìn)行的電路仿真,可以看出它可以有效的導(dǎo)通。
圖2.4 利用人工等效模型進(jìn)行電路仿真
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下面是按鍵實(shí)際電路,指尖觸碰按鍵焊盤后,便可以觸發(fā)電路工作。
圖2.5 電路板上實(shí)際的按鍵
※ 電路小結(jié) ※
在 David 的BLOG[2] 的網(wǎng)頁中并沒有找到完整的電路圖。對(duì)于這個(gè)電路中振蕩電路的工作原理以及如果判斷是否有按鍵被按下等,作者并沒有進(jìn)行詳細(xì)的說明。
參考資料
[1]特雷門琴(Theremin): https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/105439923?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522163317228016780265432070%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=163317228016780265432070&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_v2~rank_v29-1-105439923.pc_v2_rank_blog_default&utm_term=Theremin&spm=1018.2226.3001.4450
[2]David 的BLOG: https://hackaday.io/project/181914/logs
來源:TsinghuaJoking
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