DCO の作成

Jun 09, 2023

私は音楽が大好きで、電子機器も大好きです。 私は何年もの間、主にエレキギターの演奏に役立つ音楽用電子デバイスを構築してきました。 いくつかの真空管アンプとエフェクト ペダルを構築および改造した後、私はオーディオ合成の領域に手を広げることにしました。 一度に 1 つのモジュールを使って独自のユーロラック シンセサイザーを作成することをよく夢見てきましたが、最初のシンセサイザー プロジェクトでは、スタンドアロンのキーボードから始めることにしました。 私の完成品、つまりおもちゃのキーボードを改造したものを図 1 に示します。

このプロジェクトでは、既存の電子機器を取り外し、Arduino Nano を中心としたデジタル制御発振器 (DCO) ベースのオーディオ シンセサイザーに置き換えました。 今回はArduino Nanoを使用しましたが、Arduino Unoも使用できます。 DCO ベースのシンセサイザーを作成する方法を詳しく見てみましょう。 ただし、詳しく説明する前に、まずシンセサイザーでのオシレーターの使用について説明しましょう。

シンセサイザーの重要な要素はオシレーター回路です。 アナログ シンセサイザーには通常、独立して制御可能なオシレーターが 2 つ以上あります。 しかし、アナログ電圧制御発振器 (VCO) の回路図というインターネットのウサギの穴に足を踏み入れたことがある人なら、それが通常複雑で乱雑であることを知っています。 乱雑さの一部は、複数の制御電圧入力など、適切に処分できる機能から生じます。 ただし、最も単純な発振器回路が回路図内で分離されている場合でも、コンポーネントがウォームアップする際に発振器の同調を維持するための熱フィードバックのトリックにより、依然として複雑な回路が残ります。

独自のシンセサイザーを作成しようと考えたとき、VCO 回路の複雑さと乱雑さは常につまずきの石でした。アナログ合成は大好きですが、その厄介な電子的内部を抜け出すことができませんでした。 Roland Juno のシンセサイザー シリーズに対する評価が高まったとき、すべてが変わりました。

Roland の Juno-6 は、当時入手可能な他のポリフォニック シンセサイザーのより手頃な代替品として 1982 年に市場に登場しました。 また、従来の VCO の代わりに DCO を使用した最初のシンセサイザーでもあります。 DCO はデジタル回路を使用して発振器のアナログ信号の周波数を制御するため、これにより、代替品と比較して機器のチューニングの安定性が劇的に向上しました。 それを念頭に置くと、もちろん、VCO の代わりに DCO を使用することにはトレードオフがあります。 多くの人は、わずかに離調した 2 つの VCO がユニゾンで演奏する「温かみのある」サウンドを好みますが、DCO ベースのシンセサイザーでエミュレートするのは困難です。 ただし、DCO からのドライ出力信号にモジュレーション エフェクトを適用して、豊かで美しいサウンドを生成することができます。

全体として、Arduino Uno および Nano 開発ボードの普及性と低コストは、これらのデジタル プラットフォームに 16 MHz の水晶発振器があらかじめ装備されているという事実と相まって、安価で DCO を作成するのが信じられないほど簡単になります。

最新のマイクロコントローラーのデータシートを見ると、周辺機器の中にタイマー モジュールがあることがわかります。 タイマー モジュールを使用すると、組み込み設計者は、CPU (中央処理装置) から独立した組み込みシステムのバックグラウンドで実行中のカウンタをセットアップできます。 さらに、タイマー モジュールは、カウント レジスタがオーバーフローしたときや特定のカウントに達したときなど、さまざまな条件下で CPU に割り込みを行うことができます。 組み込み設計者は、特定のアプリケーションのニーズを満たすように割り込み条件を構成できます。

このプロジェクトでは、Arduino Nano と Uno の頭脳である ATMega328P のタイマー モジュールがシンセサイザーの DCO として機能します。 タイマー モジュールのクロック ソースと最大カウント値を設定することにより、タイマー モジュールの割り込みをオーディオ周波数でトリガーできます。 DCO 出力は、これらの定期的な割り込みの割り込みサービス ルーチン (ISR) 中にマイクロコントローラーの GPIO ピンを操作することによって実現されます。

次のセクションでは、このプロジェクトの背後にあるハードウェアとソフトウェアの設計について説明し、その後、この自家製シンセサイザーからのオーディオ クリップをいくつか紹介します。