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(lè)合成器則使得對(duì)音樂(lè)、電子以及信號(hào)原理的學(xué)習(xí)更能夠充滿(mǎn)樂(lè)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(lè)合成器：MicroSynth，簡(jiǎn)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(jiǎn)潔；

因此MicroSynth的技術(shù)特點(diǎn)為：

• 沒(méi)有機(jī)械按鈕沒(méi)有任何數(shù)字芯片；沒(méi)有555定時(shí)器芯片無(wú)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(xiàn)圈均可在頂層鋪設(shè)；底層只作為公共底線(xiàn)。它使用了4個(gè)運(yùn)放，四個(gè)的N-MOS三極管，一個(gè)無(wú)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(lè)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(mén)琴（Theremin）[1] 簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案的項(xiàng)目。作者開(kāi)始制作這類(lèi)音樂(lè)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(lè)電路，他使用MicroSynth測(cè)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(guò)手指表面流過(guò)，足以打開(kāi)晶體管開(kāi)關(guān)。就像普通計(jì)算機(jī)上的薄膜開(kāi)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(lè)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(xiàn)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。

大多數(shù)音樂(lè)合成電路使用雙極性三極管的指數(shù)變化增益將輸入線(xiàn)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。

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。

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(xiàn)性增加的電阻轉(zhuǎn)換成指數(shù)變化的電壓輸出，來(lái)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(jiǎn)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(lái)可以由555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的功能的時(shí)候，David放出狠話(huà)，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(lái)產(chǎn)生指數(shù)（等比）分布的電壓。其中包括了鍵盤(pán)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(lái)，通過(guò)按鍵開(kāi)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(jiǎn)單起見(jiàn)，使用了普通開(kāi)關(guān)表示串聯(lián)電阻接入地，實(shí)際上這些開(kāi)關(guān)將來(lái)都是有MOS管來(lái)代替。

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(kāi)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(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，緩沖運(yùn)放為單位增益，如果Octave開(kāi)關(guān)閉合，則緩沖運(yùn)放增益為2。利用這個(gè)開(kāi)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(xiàn)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(guò)200k，100k分壓電路在輸出運(yùn)放“+”端產(chǎn)生電壓；由與鍵盤(pán)電阻組成的對(duì)的分壓電路；輸出電壓經(jīng)過(guò)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。

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(chēng)為）與鍵盤(pán)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。

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)：

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?？梢钥吹剿鼈冎g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(guò)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(kāi)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

人體觸碰電路過(guò)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。

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

下面是按鍵實(shí)際電路，指尖觸碰按鍵焊盤(pán)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(yè)中并沒(méi)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(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

參考資料

[1]特雷門(mén)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