創(chuàng )建自己的手寫(xiě)控制合成器

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

在今天的項目中，我們將設計和制造我們自己的Stylophone版本，這是一種微型手寫(xiě)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(chēng)之為Ziggy stylus。

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

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(xiàn)或鱷魚(yú)夾線(xiàn)。真的，任何類(lèi)型的電線(xiàn)和導電尖端組合都可以。

本項目的物料清單如表1所示。

表1 BoM用于Ziggy Stylus合成器

與我的大多數其他項目不同，這個(gè)項目對面包板或性能板不友好。要做到這一點(diǎn)，你需要設計自己的PCB。幸運的是，設計非常簡(jiǎn)單，所以你可以用一個(gè)基本的單面DIY PCB。

C大調鋼琴的接地控制：音樂(lè )理論與電子學(xué)

因為我們正在設計一種樂(lè )器，所以在繼續之前，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)生相同頻率的信號來(lái)電子地重建它們，這是理所當然的。然后，該電信號可以驅動(dòng)揚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，但每個(gè)音符的頻率是前一個(gè)的兩倍。從一個(gè)音符到其最近對應音符的距離——頻率為其一半或兩倍的音符——稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為C?或D?。在這個(gè)項目中，我選擇使用升音而不是降音。

鍵盤(pán)布局

圖2顯示了鋼琴鍵盤(pán)上出現的12音音階。如您所見(jiàn)，白鍵對應于自然音程。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(pán)上的位置。原始圖像是在A(yíng)ltium 365查看器中使用上一節中包含的Eagle CAD文件創(chuàng )建的。

Ziggy觸控筆PCB和鍵盤(pán)布局。

圖3 Ziggy Stylus的鍵盤(pán)設計得像鋼琴。圖片由Kristijan Nelkovski提供

有了這個(gè)，我們準備停止討論理論，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觸控筆的電路設計

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

555定時(shí)器IC被配置為不穩定電路。

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

我使用All About Circuits的555定時(shí)器可調振蕩器電路工具來(lái)計算我們每個(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對應于R27。R2被串聯(lián)的25個(gè)電位計鏈所取代，每個(gè)電位計都有一根引線(xiàn)連接到一個(gè)單獨的銅澆注墊。這樣，R1（第一個(gè)電位計）和任何單個(gè)焊盤(pán)之間的總電阻將等于鏈中所有電位計的總和。

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(pán)來(lái)動(dòng)態(tài)閉合電路。項目完成后，每個(gè)鍵盤(pán)都將作為一個(gè)單獨的音樂(lè )鍵。

頻率調諧

接下來(lái)，我們調整電位計電阻以產(chǎn)生所需的頻率。對于圖3中的注釋范圍，我們將25 kΩ電位計（R27）設置為22.5 kΩ，并將4.7 kΩ電位器（R1至R25）設置為表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R1至R25的電阻設置，以及它們產(chǎn)生的頻率和間距。頻率和音高數據由muted.io提供

用Ziggy觸控筆演奏音樂(lè )

現在我們有了類(lèi)似樂(lè )器的東西，剩下的就是將555的輸出連接到揚聲器。每當觸筆觸摸合成器的一個(gè)按鍵時(shí)，555就會(huì )驅動(dòng)揚聲器以預定的頻率發(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，或調整電位計值以獲得不同的輸出頻率。這些頻率不一定必須對應于傳統的音樂(lè )八度音階。如果你有想法讓這個(gè)項目成為你自己的，請隨時(shí)在評論中告訴我們！