創(chuàng)建自己的手寫控制合成器

在這篇項(xiàng)目文章中，我們將使用555定時(shí)器IC從合成器的早期構(gòu)建一種標(biāo)志性的樂(lè)器。

在今天的項(xiàng)目中，我們將設(shè)計(jì)和制造我們自己的Stylophone版本，這是一種微型手寫筆操作的合成器，其聲音在David Bowie的“Space Oddity”和Kraftwerk的“Pocket Calculator”中占有突出地位。為了向Bowie致敬，我們將稱之為Ziggy stylus。

最初的Stylophone鍵盤采用了直接印刷在PCB上的20個(gè)金屬焊盤的形式。閉合這些焊盤中的任何一個(gè)與觸筆之間的電路，都會(huì)觸發(fā)振蕩器控制的揚(yáng)聲器以特定頻率嗡嗡作響，從而產(chǎn)生獨(dú)特的電子音調(diào)。我們的版本，如圖1所示，將圍繞555定時(shí)器IC構(gòu)建，并配備25個(gè)音符的鍵盤。

完全組裝好的Ziggy Stylus合成器。萬(wàn)用表表筆用作觸針。

圖1 完全組裝好的Ziggy觸控筆。圖片由Kristijan Nelkovski提供

項(xiàng)目要求和物料清單

如上圖所示，我使用萬(wàn)用表表筆。你也可以使用跳線或鱷魚夾線。真的，任何類型的電線和導(dǎo)電尖端組合都可以。

本項(xiàng)目的物料清單如表1所示。

表1 BoM用于Ziggy Stylus合成器

與我的大多數(shù)其他項(xiàng)目不同，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)面包板或性能板不友好。要做到這一點(diǎn)，你需要設(shè)計(jì)自己的PCB。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，所以你可以用一個(gè)基本的單面DIY PCB。

C大調(diào)鋼琴的接地控制：音樂(lè)理論與電子學(xué)

因?yàn)槲覀冋谠O(shè)計(jì)一種樂(lè)器，所以在繼續(xù)之前，我們需要介紹一些基本的音樂(lè)理論。我們將從最簡(jiǎn)單的音樂(lè)單位開(kāi)始：音符。

音符是一種以音高和持續(xù)時(shí)間為特征的聲音。音符的音高與其以赫茲表示的物理振蕩頻率有關(guān)。如果我們從振蕩的角度考慮音符，那么我們可以通過(guò)產(chǎn)生相同頻率的信號(hào)來(lái)電子地重建它們，這是理所當(dāng)然的。然后，該電信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或蜂鳴器等傳感器產(chǎn)生可聽(tīng)聲波。

理解樂(lè)譜

西方樂(lè)譜使用12音音階。音階上的每個(gè)音符都表示音高比前一個(gè)音符有所增加。在第12個(gè)音符之后，音階會(huì)重復(fù)，但每個(gè)音符的頻率是前一個(gè)的兩倍。從一個(gè)音符到其最近對(duì)應(yīng)音符的距離——頻率為其一半或兩倍的音符——稱為八度音階。

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7個(gè)自然音程。

5個(gè)變化音程。

自然音程以拉丁字母表的前七個(gè)字母（A、B、C、D、E、F、G）命名。然而，更常見(jiàn)的是以C開(kāi)始序列。然后序列變?yōu)镃、D、E、F、G、A、B。

變化音程是由它們與自然音符的關(guān)系來(lái)定義的。每個(gè)變化音程比一個(gè)自然音程高半步，比第二個(gè)音符低半步。我們將變化音程稱為前音符的升音（?）或后音符的降音（?）。例如，C和D之間的音符可以稱為C?或D?。在這個(gè)項(xiàng)目中，我選擇使用升音而不是降音。

鍵盤布局

圖2顯示了鋼琴鍵盤上出現(xiàn)的12音音階。如您所見(jiàn)，白鍵對(duì)應(yīng)于自然音程。鋼琴上的黑鍵彈奏變化音程。

圖2:鋼琴上一個(gè)完整的八度音階。圖片由Adobe Stock提供

Ziggy Stylus擁有從C3到C5的25個(gè)音符，也就是說(shuō)：

音階上第三個(gè)八度音階的所有12個(gè)音符。

第四個(gè)八度音階的所有12個(gè)音符。

第五個(gè)八度音階的第一個(gè)音符。

圖3顯示了這些音符在合成器鍵盤上的位置。原始圖像是在Altium 365查看器中使用上一節(jié)中包含的Eagle CAD文件創(chuàng)建的。

Ziggy觸控筆PCB和鍵盤布局。

圖3 Ziggy Stylus的鍵盤設(shè)計(jì)得像鋼琴。圖片由Kristijan Nelkovski提供

有了這個(gè)，我們準(zhǔn)備停止討論理論，開(kāi)始研究實(shí)際的電路。然而，如果你想了解更多關(guān)于本節(jié)中的概念和術(shù)語(yǔ)，Musicca網(wǎng)站是一個(gè)很好的資源。

Ziggy觸控筆的電路設(shè)計(jì)

為了產(chǎn)生必要的電子信號(hào)，我們將使用555定時(shí)器IC（圖4）作為不穩(wěn)定振蕩器。555定時(shí)器由Hans Camenzind于1970年設(shè)計(jì)，是有史以來(lái)最受歡迎的集成電路之一。

555定時(shí)器IC被配置為不穩(wěn)定電路。

圖4 555定時(shí)器IC，配置為不穩(wěn)定電路。圖片由All About Circuits提供

我使用All About Circuits的555定時(shí)器可調(diào)振蕩器電路工具來(lái)計(jì)算我們每個(gè)組件的值。但是，此工具有三個(gè)輸入字段：C、R1和R2。將其與圖5進(jìn)行比較，圖5顯示了Ziggy觸控筆的示意圖。

Ziggy觸控筆電路示意圖。

圖5 Ziggy觸控筆電路原理圖。圖片由Kristijan Nelkovski提供

正如你所看到的，這里不僅僅有R1和R2。事實(shí)上，在這個(gè)電路中，R1對(duì)應(yīng)于R27。R2被串聯(lián)的25個(gè)電位計(jì)鏈所取代，每個(gè)電位計(jì)都有一根引線連接到一個(gè)單獨(dú)的銅澆注墊。這樣，R1（第一個(gè)電位計(jì)）和任何單個(gè)焊盤之間的總電阻將等于鏈中所有電位計(jì)的總和。

通常，電路將在25電阻器串聯(lián)和555的引腳2和6之間的節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)。將這兩個(gè)引腳連接到觸針上，我們可以通過(guò)將觸針觸摸到其中一個(gè)銅澆注焊盤來(lái)動(dòng)態(tài)閉合電路。項(xiàng)目完成后，每個(gè)鍵盤都將作為一個(gè)單獨(dú)的音樂(lè)鍵。

頻率調(diào)諧

接下來(lái)，我們調(diào)整電位計(jì)電阻以產(chǎn)生所需的頻率。對(duì)于圖3中的注釋范圍，我們將25 kΩ電位計(jì)（R27）設(shè)置為22.5 kΩ，并將4.7 kΩ電位器（R1至R25）設(shè)置為表2給出的值。該表還包括頻率最終產(chǎn)生的注釋。

表2 電位計(jì)R1至R25的電阻設(shè)置，以及它們產(chǎn)生的頻率和間距。頻率和音高數(shù)據(jù)由muted.io提供

用Ziggy觸控筆演奏音樂(lè)

現(xiàn)在我們有了類似樂(lè)器的東西，剩下的就是將555的輸出連接到揚(yáng)聲器。每當(dāng)觸筆觸摸合成器的一個(gè)按鍵時(shí)，555就會(huì)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器以預(yù)定的頻率發(fā)出音符。正如我在BoM中所說(shuō)，任何演講者都可以。

一旦我們做到了這一點(diǎn)，Ziggy Stylus就可以玩了！

輪到你了

既然我們已經(jīng)確認(rèn)了Ziggy Stylus的有效性，那么就由您來(lái)打造自己的。您可以放大或縮小它，將其連接到其他電路，使用不同的組件，或調(diào)整電位計(jì)值以獲得不同的輸出頻率。這些頻率不一定必須對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的音樂(lè)八度音階。如果你有想法讓這個(gè)項(xiàng)目成為你自己的，請(qǐng)隨時(shí)在評(píng)論中告訴我們！