在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)習(xí)使用Arduino Nano或Arduino Uno創(chuàng)建數(shù)字控制振蕩器或基于DCO的音頻合成器。

我喜歡音樂(lè)，我也喜歡電子。 多年來(lái)，我一直在制造音樂(lè)電子設(shè)備，主要是為我的電吉他演奏服務(wù)。 在構(gòu)建和修改了一些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，我決定從獨(dú)立鍵盤開始。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我移除了現(xiàn)有的電子設(shè)備，并用基于數(shù)字控制振蕩器（DCO）的音頻合成器代替了它們，該音頻合成器具有 Arduino Nano
在它的核心。 雖然我使用了Arduino Nano，但 Arduino Uno 也可以使用。 讓我們深入了解如何制作基于 DCO
的合成器。 但是，在走得太遠(yuǎn)之前，讓我們先談?wù)務(wù)袷幤髟诤铣善髦械氖褂谩?/p>

振蕩器：任何合成器的心臟

任何合成器的關(guān)鍵元素都是其 振蕩器電路。 模擬頻率合成器通常有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立可控振蕩器。 然而，任何踏入模擬互聯(lián)網(wǎng)兔子洞的人 壓控振蕩器 （VCO）
原理圖知道它們通常是復(fù)雜和混亂的。 一些雜亂來(lái)自可以優(yōu)雅處理的功能，例如多個(gè)控制電壓輸入。 然而，即使最簡(jiǎn)單的振蕩器電路被隔離在原理圖中，剩下的仍然會(huì)因熱反饋技巧而變得復(fù)雜，以保持振蕩器在其組件預(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，盡管我喜歡模擬合成，但我無(wú)法擺脫其混亂的電子軟肋。 當(dāng)我對(duì)
羅蘭·朱諾系列合成器。

羅蘭的朱諾-6 1982
年上市，作為當(dāng)時(shí)其他復(fù)調(diào)合成器的更實(shí)惠的替代品。 它也是第一個(gè)使用DCO而不是傳統(tǒng)VCO的合成器。 與其他產(chǎn)品相比，這大大提高了儀器的調(diào)諧穩(wěn)定性，因?yàn)镈CO使用數(shù)字電路來(lái)控制振蕩器模擬信號(hào)的頻率。 考慮到這一點(diǎn)，當(dāng)然，使用DCO而不是VCO肯定需要權(quán)衡。 許多人喜歡兩個(gè)略微失諧的VCO齊聲演奏的“溫暖”聲音，這很難用基于DCO的合成器來(lái)模擬。 但是，調(diào)制效果可以應(yīng)用于來(lái)自DCO的干輸出信號(hào)，以產(chǎn)生郁郁蔥蔥，優(yōu)美的聲音。

總體而言，Arduino Uno和Nano開發(fā)板的普遍性和低成本，以及這些數(shù)字平臺(tái)預(yù)先配備了16 MHz的事實(shí)。 晶體振蕩器，使以便宜的價(jià)格創(chuàng)建 DCO
變得非常容易。

使用微控制器定時(shí)器模塊創(chuàng)建 DCO

查看數(shù)據(jù)表以了解任何現(xiàn)代 微控制器，您將在其外圍設(shè)備中找到一個(gè)計(jì)時(shí)器模塊。 定時(shí)器模塊允許嵌入式設(shè)計(jì)人員在嵌入式系統(tǒng)的后臺(tái)設(shè)置一個(gè)獨(dú)立于
中央處理器（中央處理器）。 此外，定時(shí)器模塊可以在多種情況下中斷CPU，例如當(dāng)它們溢出其計(jì)數(shù)寄存器或達(dá)到某個(gè)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)用的需求。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，計(jì)時(shí)器模塊 ATMega328PArduino
Nano和Uno的大腦充當(dāng)合成器的DCO。 通過(guò)配置定時(shí)器模塊的時(shí)鐘源和最大計(jì)數(shù)值，可以在音頻頻率下觸發(fā)定時(shí)器模塊中斷。 DCO
輸出是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在以下部分中，我將討論該項(xiàng)目背后的硬件和軟件設(shè)計(jì)，然后展示來(lái)自這個(gè)自制合成器的一些音頻剪輯。

使用 Arduino Nano 的音頻合成器的硬件

在介紹此項(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(lái)，讓我們看一下圖 2 的系統(tǒng)圖，它顯示了該合成器的各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 23 個(gè) SPDT 開關(guān)組成，每個(gè)鍵一個(gè)。 其中 16 個(gè)密鑰路由到 MCP23017 I/O 擴(kuò)展器，其余 7 個(gè)密鑰直接路由到 Arduino Nano 上的 GPIO 輸入。 然后，MCP23017 通過(guò) Arduino Nano 連接到 Arduino Nano。 I2C.

從這里，Arduino Nano 處理來(lái)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求和放大器電路中，其原理圖如圖3所示。

***圖3. ** 求和放大電路原理圖 [點(diǎn)擊圖片放大]。 *

求和放大器包含三個(gè)電位計(jì)。 它們獨(dú)立控制振蕩器 2 和 3 的音量以及儀器的主音量。 放大器電路的輸出直接路由到 1/4“ 單聲道音頻插孔，使其易于直接插入吉他放大器。

為了給這個(gè)樂(lè)器供電，我使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 2.1 毫米 9 V DC 吉他踏板桶插孔。 此外，來(lái)自該插孔的+9 V被路由到小型DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生5 V電源連接。 +5 V電源為MCP23017供電。 Arduino通過(guò)+9 V電源通過(guò)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電源用作浮動(dòng)接地連接運(yùn)算放大器.

圖4顯示了該系統(tǒng)所有部件的連接方式。

*圖4. 整個(gè)系統(tǒng)的原理圖[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(lái)自鍵盤按鈕的輸入并相應(yīng)地操作計(jì)時(shí)器模塊寄存器. 在草圖中的 setup（） 函數(shù)之前，聲明了幾個(gè)全局變量，包括對(duì)應(yīng)于音符的計(jì)時(shí)器模塊寄存器值的兩個(gè)大型 2D 數(shù)組。 setup（） 函數(shù)的過(guò)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)計(jì)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)的流程圖。 *

表示 Arduino 草圖的 loop（） 函數(shù)的流程圖如圖 6 所示。

*圖6. 該儀器的 Arduino 草圖的 loop（） 函數(shù)的流程圖 [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)鍵盤上的按下鍵
• 根據(jù)該特定鍵的注釋設(shè)置定時(shí)器模塊參數(shù)
• 設(shè)置柵極變量以允許振蕩器信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到其各自的GPIO引腳

循環(huán)功能一次評(píng)估一個(gè)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)估順序是從鍵盤上的最低音到最高音，這意味著較低的音符實(shí)際上具有更高的優(yōu)先級(jí)。 雖然我考慮使用 GPIO 和 I2C 中斷來(lái)處理鍵盤按鈕按下，但我最終使用了連續(xù)輪詢方法，并且我沒(méi)有注意到任何不利的性能。

最后，圖 7 顯示了 ATMega328P 中三個(gè)定時(shí)器模塊中每個(gè)模塊的中斷服務(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，則每個(gè) ISR 都會(huì)切換其輸出引腳值。 這種切換為每個(gè)振蕩器生成音頻輸出。

由此產(chǎn)生的聲音樣本和潛在的增強(qiáng)功能

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)的窗口中打開和播放。

*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)生漂亮的斯巴達(dá)低保真聲音。 該示例首先演示了根音符振蕩器，然后演示了根音符和八度降振，最后演示了根音符、八度降頻程和 7 個(gè)半音上升振蕩器。

***聲音剪輯 2. **帶有效果和鼓的音頻合成器演示。 *

第二個(gè)樣本通過(guò)一些延遲和相位效果展示了合成器，并疊加了多個(gè)軌道。 所有的旋律聲音都來(lái)自Arduino合成器，但鼓聲來(lái)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)展的多邊形合成器。 然而，就目前而言，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)改造成的玩具外殼是一種有趣的、值得上臺(tái)的低保真樂(lè)器，具有非常沙礫的低音。

如果您選擇像這樣構(gòu)建自己的基于 Arduino 的合成器， 在下面的評(píng)論中讓我知道 聽起來(lái)如何。 祝你好運(yùn)，繼續(xù)制造噪音！