如何創建基于DCO的音頻合成器

在此項目中，學習使用 Arduino Nano 或 Arduino Uno 創建數控振蕩器或基于 DCO 的音頻合成器。

我喜歡音樂，也喜歡電子產品。多年來，我一直在制造音樂電子設備，主要是為我的電吉他演奏服務。在構建和修改了幾個電子管放大器和效果踏板之后，我決定涉足音頻合成領域。我經常夢想創建自己的 Eurorack 合成器，一次一個模塊，但對于我的第一個合成器項目，我決定從一個獨立的鍵盤開始。我的成品——一個改裝過的玩具鍵盤。

在這個項目中，我移除了現有的電子設備，并用一個以Arduino Nano為核心的基于數控振蕩器 (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，在走得太遠之前，讓我們先談談在合成器中使用振蕩器。

振蕩器：任何合成器的心臟

任何合成器的關鍵要素是其振蕩器電路。模擬合成器通常有兩個或多個獨立可控的振蕩器。但是，任何進入過模擬壓控振蕩器 (VCO)原理圖的互聯網兔子洞的人都知道它們通常很復雜且雜亂無章。一些混亂來自可以優雅地處理的功能，例如多個控制電壓輸入。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雜，因為熱反饋技巧使振蕩器在其組件預熱時保持調諧。

當我考慮創建自己的合成器時，VCO 電路的復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。當我欣賞Roland Juno 系列合成器時，這一切都改變了。

Roland 的 Juno-6于 1982 年上市，作為當時其他和弦合成器的更實惠的替代品。它也是第一個使用 DCO 代替傳統 VCO 的合成器。與替代品相比，這顯著提高了儀器的調諧穩定性，因為 DCO 使用數字電路來控制振蕩器模擬信號的頻率?？紤]到這一點，使用 DCO 而不是 VCO 當然需要權衡取舍。許多人喜歡兩個略微失諧的 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，調制效果可以應用于 DCO 的干輸出信號，以產生豐富、優美的聲音。

總的來說，Arduino Uno 和 Nano 開發板的普遍性和低成本，再加上這些數字平臺預裝了 16 MHz晶體振蕩器，使得創建便宜的 DCO 變得異常容易。

使用微控制器定時器模塊創建 DCO

查看任何現代微控制器的數據表，您會在其外圍設備中找到定時器模塊。定時器模塊允許嵌入式設計人員在獨立于CPU（中央處理器）的嵌入式系統后臺設置運行計數器。此外，定時器模塊可以在多種情況下中斷 CPU，例如當它們溢出計數寄存器或達到特定計數時。嵌入式設計人員可以配置中斷條件以滿足其特定應用的需要。

對于這個項目， ATMega328P的定時器模塊——Arduino Nano 和 Uno 的大腦——充當合成器的 DCO。通過配置定時器模塊的時鐘源和最大計數值，可以實現音頻觸發定時器模塊中斷。DCO 輸出是通過在這些周期性中斷的中斷服務例程 (ISR) 期間操縱微控制器的 GPIO 引腳來實現的。

在接下來的部分中，我將討論這個項目背后的硬件和軟件設計，然后展示這個自制合成器的一些音頻片段。

使用 Arduino Nano 的音頻合成器硬件

在深入了解該項目中涉及的不同硬件以及它們如何協同工作之前，表 1 顯示了 BOM（物料清單）。

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

圖 2.合成器的硬件系統圖。

鍵盤部分由一組 23 個 SPDT 開關組成，每個開關一個。其中 16 個鍵被路由到 MCP23017 I/O 擴展器，其余 7 個鍵直接路由到 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，并根據這些按鍵在 D11、D12 和 D10 上生成三個獨立的振蕩器輸出。Arduino Nano 上這些數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 [點擊圖片放大]。

求和放大器包含三個電位器。它們獨立控制振蕩器 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。

為了給這個樂器供電，我使用了一個標準的 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 開關電源轉換器以生成 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 電源用作運算放大器的浮動接地連接。

圖 4 顯示了該系統的所有部分如何連接的示意圖。

圖 4.整個系統的示意圖 [點擊圖片放大]。

創建音頻合成器的軟件方面

該項目軟件的主要任務是解釋來自鍵盤按鈕的輸入并相應地操作定時器模塊寄存器（有關代碼，請參見此處的 Arduino 草圖 PDF）。在草圖中的 setup() 函數之前，聲明了幾個全局變量，包括兩個大型二維數組的定時器模塊寄存器值對應于音符。setup() 函數的過程遵循圖 5 的流程圖，其中僅涉及：

設置 GPIO 輸入和輸出

啟動 I2C 通信

初始化三個定時器模塊

啟用中斷

選擇定時器 B 模塊的時鐘源作為定時器 A 的時鐘

啟用全局中斷

圖 5.該儀器的 Arduino 草圖的 setup() 函數流程圖。

圖 6 顯示了表示 Arduino 草圖的 loop() 函數的流程圖。

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

循環函數執行三個主要任務：

檢測鍵盤上按下的鍵

根據特定鍵的音符設置定時器模塊參數

設置門變量以允許將振蕩器信號轉發到它們各自的 GPIO 引腳

循環函數一次評估連接到鍵盤的每個 I/O 端口，直到檢測到按下的按鈕。端口的評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際上具有較高的優先級。當我考慮使用 GPIO 和 I2C 中斷來處理鍵盤按鈕按下時，我最終使用了連續輪詢方法，并且我沒有注意到任何不利的性能結果。

最后，圖 7 表示 ATMega328P 中三個定時器模塊中每一個的中斷服務例程。

圖 7.Arduino Nano 的 ATMega328P 定時器模塊的中斷服務例程流程圖。

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

產生的聲音樣本和潛在的改進

您可以在下面找到該項目的兩個音頻樣本。請務必單擊播放按鈕圖像進行播放 - 請注意，音頻將在單獨的窗口中打開并播放。

聲音剪輯 1.音頻合成器演示。

正如您從第一個音頻樣本中聽到的那樣，該合成器產生了一種漂亮的斯巴達式低保真聲音。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，并覆蓋了多個軌道。所有旋律聲音都來自 Arduino 合成器，但鼓聲來自 Roland 808 風格的鼓機 vst 插件。

總而言之，我對這個項目的結果感到非常興奮，但我確實認為這個基于 Arduino 的合成器可以實現許多潛在的改進。例如，我想為這個 Arduino 合成器實現一個 USB midi 接口。我還想使用這些方法創建一個可擴展的復音合成器。然而，就目前而言，這個項目的玩具屋已經變成了一種有趣、適合舞臺的低保真樂器，具有非常堅韌的低音。

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