如何創(chuàng)建基于DCO的音頻合成器

在此項(xiàng)目中，學(xué)習(xí)使用 Arduino Nano 或 Arduino Uno 創(chuàng)建數(shù)控振蕩器或基于 DCO 的音頻合成器。

我喜歡音樂，也喜歡電子產(chǎn)品。多年來，我一直在制造音樂電子設(shè)備，主要是為我的電吉他演奏服務(wù)。在構(gòu)建和修改了幾個(gè)電子管放大器和效果踏板之后，我決定涉足音頻合成領(lǐng)域。我經(jīng)常夢(mèng)想創(chuàng)建自己的 Eurorack 合成器，一次一個(gè)模塊，但對(duì)于我的第一個(gè)合成器項(xiàng)目，我決定從一個(gè)獨(dú)立的鍵盤開始。我的成品——一個(gè)改裝過的玩具鍵盤。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我移除了現(xiàn)有的電子設(shè)備，并用一個(gè)以Arduino Nano為核心的基于數(shù)控振蕩器 (DCO) 的音頻合成器取而代之。雖然我使用的是 Arduino Nano，但也可以使用Arduino Uno 。讓我們深入探討如何制作基于 DCO 的合成器。然而，在走得太遠(yuǎn)之前，讓我們先談?wù)勗诤铣善髦惺褂谜袷幤鳌?/p>

振蕩器：任何合成器的心臟

任何合成器的關(guān)鍵要素是其振蕩器電路。模擬合成器通常有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立可控的振蕩器。但是，任何進(jìn)入過模擬壓控振蕩器 (VCO)原理圖的互聯(lián)網(wǎng)兔子洞的人都知道它們通常很復(fù)雜且雜亂無章。一些混亂來自可以優(yōu)雅地處理的功能，例如多個(gè)控制電壓輸入。然而，即使最簡單的振蕩器電路在原理圖中被隔離，剩下的部分仍然很復(fù)雜，因?yàn)闊岱答伡记墒拐袷幤髟谄浣M件預(yù)熱時(shí)保持調(diào)諧。

當(dāng)我考慮創(chuàng)建自己的合成器時(shí)，VCO 電路的復(fù)雜性和混亂一直是我的絆腳石，即使我喜歡模擬合成器，我也無法克服它凌亂的電子軟肋。當(dāng)我欣賞Roland Juno 系列合成器時(shí)，這一切都改變了。

Roland 的 Juno-6于 1982 年上市，作為當(dāng)時(shí)其他和弦合成器的更實(shí)惠的替代品。它也是第一個(gè)使用 DCO 代替?zhèn)鹘y(tǒng) VCO 的合成器。與替代品相比，這顯著提高了儀器的調(diào)諧穩(wěn)定性，因?yàn)?DCO 使用數(shù)字電路來控制振蕩器模擬信號(hào)的頻率?？紤]到這一點(diǎn)，使用 DCO 而不是 VCO 當(dāng)然需要權(quán)衡取舍。許多人喜歡兩個(gè)略微失諧的 VCO 齊聲演奏的“溫暖”聲音，這是很難用基于 DCO 的合成器模擬的。然而，調(diào)制效果可以應(yīng)用于 DCO 的干輸出信號(hào)，以產(chǎn)生豐富、優(yōu)美的聲音。

總的來說，Arduino Uno 和 Nano 開發(fā)板的普遍性和低成本，再加上這些數(shù)字平臺(tái)預(yù)裝了 16 MHz晶體振蕩器，使得創(chuàng)建便宜的 DCO 變得異常容易。

使用微控制器定時(shí)器模塊創(chuàng)建 DCO

查看任何現(xiàn)代微控制器的數(shù)據(jù)表，您會(huì)在其外圍設(shè)備中找到定時(shí)器模塊。定時(shí)器模塊允許嵌入式設(shè)計(jì)人員在獨(dú)立于CPU（中央處理器）的嵌入式系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置運(yùn)行計(jì)數(shù)器。此外，定時(shí)器模塊可以在多種情況下中斷 CPU，例如當(dāng)它們溢出計(jì)數(shù)寄存器或達(dá)到特定計(jì)數(shù)時(shí)。嵌入式設(shè)計(jì)人員可以配置中斷條件以滿足其特定應(yīng)用的需要。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目， ATMega328P的定時(shí)器模塊——Arduino Nano 和 Uno 的大腦——充當(dāng)合成器的 DCO。通過配置定時(shí)器模塊的時(shí)鐘源和最大計(jì)數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)音頻觸發(fā)定時(shí)器模塊中斷。DCO 輸出是通過在這些周期性中斷的中斷服務(wù)例程 (ISR) 期間操縱微控制器的 GPIO 引腳來實(shí)現(xiàn)的。

在接下來的部分中，我將討論這個(gè)項(xiàng)目背后的硬件和軟件設(shè)計(jì)，然后展示這個(gè)自制合成器的一些音頻片段。

使用 Arduino Nano 的音頻合成器硬件

在深入了解該項(xiàng)目中涉及的不同硬件以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作之前，表 1 顯示了 BOM（物料清單）。

接下來，讓我們看一下圖 2 的系統(tǒng)圖，它顯示了這個(gè)合成器的各個(gè)部分是如何組合在一起的。

圖 2.合成器的硬件系統(tǒng)圖。

鍵盤部分由一組 23 個(gè) SPDT 開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)一個(gè)。其中 16 個(gè)鍵被路由到 MCP23017 I/O 擴(kuò)展器，其余 7 個(gè)鍵直接路由到 Arduino Nano 上的 GPIO 輸入。MCP23017 然后通過I2C連接到 Arduino Nano 。

Arduino Nano 從這里開始處理來自鍵盤的輸入，并根據(jù)這些按鍵在 D11、D12 和 D10 上生成三個(gè)獨(dú)立的振蕩器輸出。Arduino Nano 上這些數(shù)字引腳的輸出被路由到加法放大器電路，其原理圖如圖 3 所示。

圖 3.加法放大器電路原理圖 [點(diǎn)擊圖片放大]。

求和放大器包含三個(gè)電位器。它們獨(dú)立控制振蕩器 2 和 3 的音量以及樂器的主音量。放大器電路的輸出直接路由到 ?” 單聲道音頻插孔，可以輕松直接插入吉他放大器。

為了給這個(gè)樂器供電，我使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 2.1 毫米 9 V DC 吉他踏板桶形插孔。此外，來自該插孔的 +9 V 被路由到小型 DC-DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以生成 5 V 電源連接。+5 V 電源為 MCP23017 供電。Arduino 由 +9 V 電源通過其 Vin 引腳供電。運(yùn)算放大器的 V+ 和 V- 由桶形插孔的 +9 V 和接地連接提供，5 V 電源用作運(yùn)算放大器的浮動(dòng)接地連接。

圖 4 顯示了該系統(tǒng)的所有部分如何連接的示意圖。

圖 4.整個(gè)系統(tǒng)的示意圖 [點(diǎn)擊圖片放大]。

創(chuàng)建音頻合成器的軟件方面

該項(xiàng)目軟件的主要任務(wù)是解釋來自鍵盤按鈕的輸入并相應(yīng)地操作定時(shí)器模塊寄存器（有關(guān)代碼，請(qǐng)參見此處的 Arduino 草圖 PDF）。在草圖中的 setup() 函數(shù)之前，聲明了幾個(gè)全局變量，包括兩個(gè)大型二維數(shù)組的定時(shí)器模塊寄存器值對(duì)應(yīng)于音符。setup() 函數(shù)的過程遵循圖 5 的流程圖，其中僅涉及：

設(shè)置 GPIO 輸入和輸出

啟動(dòng) I2C 通信

初始化三個(gè)定時(shí)器模塊

啟用中斷

選擇定時(shí)器 B 模塊的時(shí)鐘源作為定時(shí)器 A 的時(shí)鐘

啟用全局中斷

圖 5.該儀器的 Arduino 草圖的 setup() 函數(shù)流程圖。

圖 6 顯示了表示 Arduino 草圖的 loop() 函數(shù)的流程圖。

圖 6.該儀器的 Arduino 草圖的 loop() 函數(shù)流程圖 [單擊圖像放大]。

循環(huán)函數(shù)執(zhí)行三個(gè)主要任務(wù)：

檢測(cè)鍵盤上按下的鍵

根據(jù)特定鍵的音符設(shè)置定時(shí)器模塊參數(shù)

設(shè)置門變量以允許將振蕩器信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到它們各自的 GPIO 引腳

循環(huán)函數(shù)一次評(píng)估連接到鍵盤的每個(gè) I/O 端口，直到檢測(cè)到按下的按鈕。端口的評(píng)估順序是鍵盤上從最低音符到最高音符，這意味著較低的音符實(shí)際上具有較高的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)我考慮使用 GPIO 和 I2C 中斷來處理鍵盤按鈕按下時(shí)，我最終使用了連續(xù)輪詢方法，并且我沒有注意到任何不利的性能結(jié)果。

最后，圖 7 表示 ATMega328P 中三個(gè)定時(shí)器模塊中每一個(gè)的中斷服務(wù)例程。

圖 7.Arduino Nano 的 ATMega328P 定時(shí)器模塊的中斷服務(wù)例程流程圖。

如果設(shè)置了門變量，這些 ISR 中的每一個(gè)都會(huì)切換其輸出引腳值。這種切換是為每個(gè)振蕩器生成音頻輸出的原因。

產(chǎn)生的聲音樣本和潛在的改進(jìn)

您可以在下面找到該項(xiàng)目的兩個(gè)音頻樣本。請(qǐng)務(wù)必單擊播放按鈕圖像進(jìn)行播放 - 請(qǐng)注意，音頻將在單獨(dú)的窗口中打開并播放。

聲音剪輯 1.音頻合成器演示。

正如您從第一個(gè)音頻樣本中聽到的那樣，該合成器產(chǎn)生了一種漂亮的斯巴達(dá)式低保真聲音。該樣本首先演示了根音振蕩器，然后是根音和八度向下振蕩器，最后是根音、向下八度和 7 個(gè)半音向上振蕩器。

聲音剪輯 2。帶有效果器和鼓的音頻合成器演示。

第二個(gè)示例通過一些延遲和相位效果展示了合成器，并覆蓋了多個(gè)軌道。所有旋律聲音都來自 Arduino 合成器，但鼓聲來自 Roland 808 風(fēng)格的鼓機(jī) vst 插件。

總而言之，我對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果感到非常興奮，但我確實(shí)認(rèn)為這個(gè)基于 Arduino 的合成器可以實(shí)現(xiàn)許多潛在的改進(jìn)。例如，我想為這個(gè) Arduino 合成器實(shí)現(xiàn)一個(gè) USB midi 接口。我還想使用這些方法創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展的復(fù)音合成器。然而，就目前而言，這個(gè)項(xiàng)目的玩具屋已經(jīng)變成了一種有趣、適合舞臺(tái)的低保真樂器，具有非常堅(jiān)韌的低音。

彩蛋來了

從基礎(chǔ)到高級(jí)的ADC講座，將涵蓋高速ADC設(shè)計(jì)的原理、傳統(tǒng)架構(gòu)和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)。第一部分首先回顧了ADC的基本知識(shí)，包括采樣、開關(guān)電容和量化理論。接下來，介紹了經(jīng)典ADC架構(gòu)的基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)實(shí)例，如閃存、SAR和流水線ADC。然后，本教程將對(duì)混合型ADC架構(gòu)進(jìn)行總體概述，這就結(jié)束了第一部分。在第二部分，首先描述了ADC的度量。然后，介紹混合或非混合架構(gòu)的各種先進(jìn)設(shè)計(jì)。該教程最后將以數(shù)字輔助解決技術(shù)結(jié)束。