Как сделать синтезатор своими руками
Самодельный музыкальный синтезатор
Идея в том, чтобы разработать и собрать электронный синтезатор с некоторыми функциями, эффектами и т.д. Это мой старый школьный проект, и я переделал и изменил его. Это интересно.
Спасением может быть логическая CMOS микросхема 4060. 4060 представляет собой 14 канальный двоичный счётчик/делитель со сквозным переносом и генератор. Блок схема внутренних функций 4060 из даташита выглядит так. Выход Qn является n-ным значением счетчика, представленным как 2^n, например Q4 2^4 = 16(1/16 тактовой частоты) и Q5 2^5 = 32 (1/32 тактовой частоты).
О частотах хроматизмов можно прочесть здесь
Масштабы октав связаны. Первая октава C1 (16.3Hz) составляет половину второй октавы C2 (32.7Hz) и так далее. Микросхема 4060 может разделить их тактовую частоту через Qn выходы. Нам понадобится 12х4060 генераторов тона, и будет поддерживаться 7 октав(12×7 = 96 тонов, бинго).
Таким образом, первоначальный проект такой. Конструкция состоит из 12×4060 генераторов тона, dsPIC для звуковых эффектов и контроля, усилителей.
На первой схеме показаны генераторы тона 4060. Тактовая частота может быть рассчитана по формуле f = 1 / (2xPixR2xC1). Я планирую использовать 4 октавы (48 тонов) начиная с С3 (130Hz) до B6 (1975Hz). Вы можете сами выбрать требуемые величины. Я подготовил схему с 6 выходным тонам.
Следующие схемы являются простым блоком питания 7805 и усилителем LM386. Ничего особеннного.
Первый шаг заключается в подготовке физических кнопок и ПП. Кнопки взяты от клавиатуры выброшенной китайской игрушки. К сожалению, в игрушке использовались матричные кнопки. Я также сделал ПП для кнопок.
Подготовленная плата для кнопок с оригинальным размером кнопок:
Первоначальная сборка закончена.
Для настройки частоты я использовал свой Nexus 7 и приложение-тюнер gStrings. Спасибо разработчику за такое полезное приложение. Необходимо настроить только одну октаву. Когда C3, C4 или любая другая нота настроена, остальные настроятся автоматически из-за делителя частоты.
Наконец, после выходных и большого количества кофе, первая фаза проекта получилась такой:
Следующие шаги:
-Вы можете заметить пустое пространство между платами. Да, это место для звуковых эффектов и контроля dsPIC.
-Также мне нужно сделать верхнюю крышку.
Мысли:
— Кнопки не такие мягкие, как оригинальная клавиатура. Необходимо найти более подходящее решение для конечного варианта устройства.
— Усилитель на LM386 не сочетается с тонами. Я заметил некоторые искажения при низком уровне громкости. Позже я заменю его на подходящий стерео усилитель. Я хочу иметь левые и правые октавы с разделенными эффектами и звуковым выходом.
КАК СДЕЛАТЬ СИНТЕЗАТОР И НЕ УМЕРЕТЬ
Когда мы говорим о самодельных инструментах, то в первую очередь подразумеваем акустические. С хорошей фантазией что угодно может превратиться в генератор звука. Если же речь заходит об электронных устройствах, то тут дела обстоят несколько иначе. Существует огромное количество видов синтеза звуков: FM-, FS-, LA-синтез и другие. Еще больше есть способов, как сгенерировать необходимую форму звуковой волны. Можно создать полностью аналоговое, цифровое или смешанного типа устройство. Можно обратиться к микроконтроллерам, типа Arduino, или к одноплатовым компьютерам, типа Raspberry. Деды выбирают «логику» — CMOS (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, просто название киберпанк-аниме). Различные чипы, 4046, 4013, 40106, зачастую можно встретить в качестве «ядра» в модульных синтезаторах типа Eurorack.
Как в этом всем не запутаться, а тем более создавать дома то, что производится на заводах специалистами? При этот может ли сам процесс быть увлекательным и простым? Мы отвечаем — да.
Для примера рассказываем, как построить осциллятор (VCO — voltage-controlled oscillator) из подручных средств. Главными критериями выбора были простота, дешевизна и безопасность. Потому что в работе с голыми электроприборами частенько существует риск получить заряд бодрости на целый день. А сжечь дорогостоящий компонент еще легче.
Поэтому не будем устраивать танцы с бубном вокруг «логики», а продемонстрируем простейшую схемку на транзисторах и резисторах, которая не навредит ни вам, ни вашему кошельку.
Что мы будем делать
Но обо всем по порядку. Что такое VCO? Это устройство для генерирования звуковой волны с помощью контроля напряжения (вольт). Грубо говоря, это когда электрический ток попадает на цепочку и преобразуется в волну, частота которой может меняться в зависимости от того, какие показания напряжения вы имеете.
Как вообще все устроено
По сути почти все синтезаторы работают по следующему принципу: волна определенной формы проходит через устройства, которые её изменяют (например, фильтры).
Существует следующие виды колебаний звуковой волны:
1. Синусоидальное (гармоническое) колебание. Если вы помните мамино «мугыканье» колыбельных или увлекаетесь эмбиентом, то звучание такого типа волны знаете хорошо. Оно мягкое, «гудящее», заполняющее пространство вокруг;
3. Пилообразные колебания. Подобную форму выдают смычковые инструменты.
5. Импульсные колебания. Похожи по своей форме на квадратные, но характеризуются более коротким положительным и более длинным отрицательным полупериодом..
Парень на видео довольно интересно выкручивает импульсную волну, так что синтезатор начинает звучать человеческими голосами. Но мы же знаем, что это души покойников пытаются с нами связаться.
Что нам нужно
Теперь перейдем к схеме простого осциллятора, который будет нам выдавать квадратоид. Что нам необходимо из инструментов и деталей? Паяльник, припой, флюс, 1КОм резистор (1 шт), 100 КОм резистор (1 шт) (ограничивает ток, преобразовывает напряжение в силу тока и наоборот), 10 КОм потенциометр (ручка-крутилка, можно увидеть на синтезаторах) (1 шт), транзистор (1 шт), LED (светодиод или “лапмочка” с двумя ножками) (1 шт), конденсатор (накапливает электрические заряд) (1шт), макетная плата 3х4 (штука, на которой все это добро размещается) (1шт), аудиоразъем 3.5 мм, разъем для «кроны».
Есть нюансы
Конденсатор следует выбирать вдумчиво. Все зависит от показателей емкости (фарадов). Если вы хотите получить высокий звук (альт), то вам следует брать конденсатор от 10 микрофарад и ниже. Средней частоты звук вы получите от 22 микрофарад до 100 микрофарад. От 100 микрофарад начинается «трактор». Звук хороший для получения «кика», создания LFO (низкочастотная огибающая) и так далее.
Если вас начнут в магазине задалбывать пугающими вопросами, то отвечайте: конденсатор на 50 вольт, электролит, 85 градусов.
Резисторов 1КОм лучше брать 2 штуки. Или сразу купить резисторы номиналом 2КОм. Это позволит избежать затухания осциллятора на максимальном выкручивании потенциометра. Резистор берите 0,25 Вт и выводной.
Если вы купили дофига резисторов и забыли их номинал, то вам поможет калькулятор цветовой маркировки резисторов.
Потенциометр лучше поискать хороший. У нас распространены китайские Tommy, вот они попадаются очень плохого качества. Плюс у них со временем стирается внутри графитовое напыление и регуляция частоты начинает работать как-то кособоко.
Остаются лишь транзисторы. На схеме ниже рекомендуется брать транзисторы 2n3904. Но они стабильно работают от 12 вольт. Если же вы хотите подпитать ваш осциллятор батарейкой «крона» (9 вольт), чтобы носить вундервафлю с собой и портить людям жизнь, то лучше брать SS9018 и SS9013. Эти транзисторы даже на 6 вольтах работают дай Боже.
Макетную плату лучше брать текстолитовую. Они у нас продаются зеленого цвета, увесистые, довольно крепкие и зачастую являются двухсторонними.
За предоставленную схему поблагодарим британца-гика Look Mum No Computer. 
Если же вы не умеете читать схемы, то вот вам картинка, где показано, как следует разместить все детали на макетной плате. Версия от британца и моя, модифицированная. Вам необходимо будет скопировать расположение деталей точь-в-точь.
Внимание! У транзисторов необходимо отрезать среднюю ножку. Если вы не отрежете, схема работать не будет.
Если что, то вот так оно должно выглядеть в реальной жизни.
После того, как вы разместили компоненты на плате, вам необходимо будет их соединить между собой. Для этого пользуемся параллельным соединением с помощью припаивания к ним небольших кусочков монтажного кабеля. Таким образом смыкаем контакты на одной из горизонтальных полос платы.
Это не совсем правильный подход к решению вопроса, но для начинающих подойдет. Но уметь читать схемы необходимо, это позволяет уменьшать размеры устройств до спичечного коробка и располагать детали как угодно. Если вы не умеете паять, то имеется альтернатива. Все детали нужно разместить не на макетной плате, а на удобной для рисования поверхности. Например, на картонке. После чего купить краску с графитом и ею нарисовать соединения между контактами деталей. Это очень ненадежно, зато просто и весело.
Как правильно паять разъем питания и аудиоразъем
Вам необходимо купить аудиоразъем для корпуса 3,5 мм, тип «мама». У него, как и всего на планете, есть «+» и «-». Центральная длинная ножка от корпуса — это «минус», а две коротких — это «плюсы», левый и правый канал соответственно. Какой паять, выбираете вы.
Если говорить о гнезде для кроны, то тут все намного проще. Черный кабель — это «минус», а красный кабель — это «плюс».
В случае прямых рук, нормальных деталей и терпения вы получите такую вот гуделку:
I stuck 16 of the super simple oscillators demoed by @LOOKMUMNOCMPUTR in a box. I’ve now got my very own box of electric bees pic.twitter.com/ajrRXTNxui
Что теперь
Остаются загадочные выходы, подписанные CV. CV (Control Voltage) — это 3.5 мм аудиоразъемы, предназначенные для контроля напряжения. С помощью них можно модудировать исходящий аудиосигнал. Как вы уже догадались, частенько CV используются в модульных синтезаторах. Вот этот Ктулху из проводов — это пропатченные (соединенные) между собой CV-выходы.
Чтобы сделать подобный CV для нашего осциллятора, нам понадобится смастерить оптрон (вольтрон, оптопара). Для этого необходимо купить фоторезистор 50КОм и яркий LED (светодиод) белого цвета. Соединить их необходимо не «ножками» друг к другу, а «головками». Грубо говоря, лампочку прислонить к плоскому приемнику фоторезистора.
Все это можно зафиксировать изолентой. Потом необходимо к указанным на картине выходам CV припаять ножки фоторезистора (полярность не важна). А вот длинную ножку LED (+) следует припаять к резистору 10КОм, после чего к «плюсовому» контакту разъема 3.5 мм. Короткую ножку (-) просто припаиваем к минусу аудиоразъема.
Вуаля! У вас получился элементарный модуль Eurorack, который можно пропускать через фильтры, эффекты, подключать к миди-клавиатуре и делать сотню других полезных вещей.
Как сделать удобный синтезатор своими руками
В детстве у меня было пианино, такое настоящее, советское, киллограм на 300. Мне нравилось на нем бренчать, а после окончания музыкальной школы даже кое-что играть. Пианино — это классно, аутентично, но совершенно не практично. А чтобы совсем прям для души, нужна еще и барабанная установка, пяток примочек к электрогитаре, кларнет, ситар и сэмпловые лупы…
Конечно, сейчас уже не нужно из квартиры делать гараж-студию на заначку в шесть зарплат, достаточно установить на ПК бесплатный музыкальный редактор. Но, неудобно это все.
Клавиатура ПК совсем не похожа на клавишный инструмент, здесь все не так. Более того, для обучения ребенка это совсем не годится. Кажется выбора не остается, как приобретать синтезатор. Но по-прежнему раздирают меня сомнения.
Синтезатор ведь что из себя представляет? Большое устройство, с музыкальной клавиатурой, которое где-то должно занимать прилично места. В которое встроена акустика, а ведь у меня уже есть ресивер с колонками. В которое встроен плохенький ПК, а ведь у меня есть хороший ПК.
Получается, что за 40 тысяч я покупаю то, что у меня уже есть в лучшем качестве, за исключением лишь клавиатуры. Это просто какой-то максимум нерациональных расходов.
В поисках отдельной клавиатуры я набрел на такой класс устройств как USB MIDI Keyboard.
Мне всегда казалось, что MIDI это из области профессиональной музыкальной деятельности.
Но сейчас все музыку делают на ПК, в любом удобном месте, а значит, музыкантам нужны мобильные музыкальные клавиатуры, которые легко помещаются в рюкзак.
В голове сразу сложился план. Подключаем MIDI-клавиатуру к домашнему медиацентру на базе Raspberry Pi 3, где крутится программный синтезатор, позволяя в любое время любому желающему исполнить свой очередной шедевр. На таких MIDI-клавиатурах как правило есть набор регуляторов и дополнительных кнопок, которые программируются на различные эффекты или дополнительные музыкальные инструменты. Выглядит и звучит это очень круто!
Есть устройства побольше и поменьше, есть подороже и чуть дешевле. Я выбрал вариант за примерно 5 тыр. У него две октавы, нормального размера клавиши, кнопки для ударников, ручки настройки, то есть все, о чем может мечтать начинающий музыкант-электронщик.
Я не спец в создании музыки на ПК, поэтому было сложно искать пути реализации своей задумки. Информацию приходилось собирать по крупицам. Пазл постепенно стал складываться и получилось собрать работающее решение, которым с вами и делюсь. Как ни странно, но в стандартном дистрибутиве Raspbian/Debian нашлось все что нужно, даже не пришлось подключать внешние репозитории.
В качестве секвенсера (приложения, воспроизводящего MIDI-файлы) используется fluidsynth.
MIDI-клавиатура сразу обнаруживается через ALSA и доступна для подключения к секвенсеру.
Для воспроизведения звуков различных инструментов используются открытые базы сэмплов в формате SoundFont2. Для начала установим это все.
Подключаем MIDI-клавиатуру к Raspberry и запускаем секвенсер в режиме сервера:
В результате мы увидим список доступных MIDI-клиентов:
Здесь нам важно запомнить номера клиентов клавиатуры и секвенсера, чтобы затем соединить их командой:
Теперь у нас все готово для игры на Yamaha Piano (это дефолтный инструмент). Почитайте мануал по fluidsynth, там есть много интересных команд, например, чтобы сменить инструмент на ударники или духовые, задать величину реверберации или хоруса.
Сделаем наш программный синтезатор удобным. Чтобы не соединять вручную клавиатуру с секвенсером каждый раз, напишем простенький демон, который будет это делать при старте автоматом.
Регистрируем демон для автозапуска:
Обратите внимание, теперь при старте секвенсеру передается конфигурационный файл (/home/osmc/midi-router), содержащий команды, превращающие нашу клавиатуру в настоящий синтезатор.
Тут дело вот в чем. Каждая клавиша и крутилка на клавиатуре посылает определенные события, со своим номером. Я так понял тут особенных стандартов нет, так что каждый производитель творит что хочет. Например, я хочу чтобы квадратные клавиши звучали ударными, остальные клавиши звучали пианино, ручки управляли громкостью, реверберацией и хорусом.
Так вот, мне необходимо замэпить коды событий от клавиатуры на разные инструменты, а коды от ручек на коды, которые понимает секвенсер. В fluidsynth это делается при помощи router. Именно эти команды и содержатся в конфигурационном файле.
Вот пример моего конфигурационного файла, с комментариями того, что он делает.
Чтобы узнать какие коды генерирует именно ваше устройство, необходимо воспользоваться этой утилитой:
Она слушает и выводит на консоль события с MIDI-клавиатуры. Нажмите кнопку или покрутите ручку и вы увидите тип, канал и код события. Вы можете запрограммировать свою клавиатуру таким образом, каким захотите, а не так, как это придумали инженеры, разработавшие конкретный синтезатор. За что большое спасибо разработчикам fluidsynth, alsa, SoundFont2, Raspberry и V-Mini.
Кстати, эта тема с DIY-синтезаторами нашла отражение в нескольких изобретениях, рекомендую к изучению: раз и два.
Как сделать синтезатор
Электронный синтезатор – современный музыкальный инструмент, где в качестве источника звука используются интегральные генераторы, а деление на октавы выполняется с помощью делителей частоты.Электронные инструменты содержат сложные системы обработки звука, блоки эффектов и узлы синтеза, имитирующие практически все музыкальные инструменты. Кроме того электромузыкальные генераторы могут воспроизводить звуки не существующие в реальной природе. Сложные устройства позволяют накладывать музыкальные темы одна на другую, подключать аккомпанемент и записывать в память различные музыкальные мелодии, редактировать их и воспроизводить в новой тональности и на других инструментах. Сложный профессиональный синтезатор своими руками сделать очень сложно, но собрать более простой электромузыкальный инструмент вполне возможно.
Как сделать синтезатор
Простой одноголосный музыкальный инструмент можно сделать за несколько часов.Схема синтезатора сделанного своими руками, может быть выполнена на транзисторах или интегральных микросхемах.В самом простом варианте это генератор звуковой частоты, к которому, посредством кнопок или клавиш подключаются частото задающие цепи.Электромузыкальный осциллятор реализован на операционном усилителе 140 УД 1Б. При небольшом изменении номиналов радиоэлементов, в качестве генератора можно использовать и другие операционные усилители. В данной схеме используются 24 резисторные частото задающие цепи, что позволяет реализовать две октавы.Выход ОУ можно подключить к любому усилителю низкой частоты.Недостатком схемы можно считать двухполярное питание.
Очень простой синтезатор своими руками можно собрать на старых радиоэлементах. Конечно, устройство нельзя рассматривать как музыкальный инструмент, но для развивающих детских игр оно вполне подойдёт.
Аналогичную схему, но на полную октаву из 12 тонов можно сделать на микросхеме ISM7555. Это интегральный таймер. Частотозадающие цепи реализованы на переменных резисторах.
Устройство питается от батарейки 9 вольт, но можно собрать простой блок питания. Ёмкость конденсатора СХ1 33 нф. Для того чтобы правильно настроить все ноты можно использовать онлайн тюнер для настройки музыкальных инструментов.
Все эти устройства можно назвать синтезаторами только с большой натяжкой. Настоящий электромузыкальный инструмент имеет очень сложную схемотехнику. Формирование звуков происходит в нескольких октавах, поэтому на клавиатуре можно играть аккордами. Генераторы тона позволяют получить на выходе сигнал требуемой формы. Кроме классической синусоиды с выхода можно получить сигналы треугольной, пилообразной и прямоугольной формы. Далее звуковой сигнал микшируется и поступает на блок фильтров. Группы фильтров позволяют выделить нужную полосу частот. В синтезаторе обязательно присутствует блок управления огибающей. С его помощью можно установить нужную атаку сигнала, период спада сигнала после нарастания, период постоянного уровня и период окончательного затухания. Фильтры так же могут иметь схемы управления параметрами огибающей.
Очень важным в процессе формирования звука является принцип модуляции, когда параметры основного сигнала изменяются под действием управляющего низкочастотного сигнала. Обычно используется амплитудная, частотная и фазовая модуляция. В некоторых схемах имеется блок операторного FM синтеза. Здесь несколько звуковых сигналов модулируют друг друга по частоте, затем суммируются и, в результате, с выхода устройства снимается очень сложный и интересный звук. В формировании звучания так же используется принцип фазовых искажений. В ранних моделях синтезаторов все технические решения реализовывались на транзисторах, поэтому учитывая сложность схем, их количество было очень большим. Интегральная микроэлектроника позволила значительно упростить принципиальные схемы, тем не менее, задача, как сделать синтезатор своими руками, в домашних условиях, даже для опытного радиолюбителя, может оказаться слишком сложной проблемой. Самым сложным при работе над электромузыкальным инструментом, является настройка и регулировка его параметров.
Более сложный самодельный блок можно собрать на логических микросхемах 4960. Каждая микросхема представляет собой генератор и 14 разрядный двоичный счётчик делитель с прямым переносом. С выходов Qснимается поделённая тактовая частота. Так с выхода Q4 можно получить частоту f/16, а с выходаQ5f/32. 12 интегральных микросхем 4060 позволяют реализовать клавиатуру на 7 октав или 96 тонов.При изготовлении музыкального инструмента, к генератору тона нужно подключить частотозадающие R/C цепи. После изготовления, потребуется по внешнему тюнеру или генераторы настроить только одну октаву. Все остальные будут настроены автоматически из-за деления частоты. К готовому устройству можно сделать блок эффектов, который может включать вибратор, тремоло, бустер или фазер. Выход можно подключить к усилителю низкой частоты.
Микросхема 4060 питается напряжением от 3 до 18 вольт, поэтому блок питания может быть любой конструкции
Изготавливаем электронное пианино из MIDI-клавиатуры своими руками
Немного поискав в интернете я наткнулся на объявление о продаже за 50 вечнозеленых девайса под названием Fatar 49. Поискав все в той же паутине нашел описание этого чуда.
MIDI клавиатура Fatar StudioLogic CMK 49
В просторах сети была добыта очень интересная программа «Play Piano» компании Midisoft. Она может практически любого научить играть. Она следит за правильностью игры и указывает на ваши ошибки, как хороший преподаватель. Жаль только что за это время так и не удалось найти чего-нибудь похожего, но поновее (программка 96-го года).
Подставка на стул помогала, но. В этом году было принято решение начать мучить старшего. Надо же на ком-то отыграться за наше обучение. Для него вообще приходилось городить пирамиду на стуле. Да и клавиатура постоянно от него пыталась уехать. Попытки ставить клавиатуру на детский столик помогли не сильно. Теперь он был слишком низким.
Да и малышка теперь постоянно лезла нажимать на клавиши, но особо ей нравилась кнопка выключения, подсвеченная лампочкой. И тогда пришлось заняться проблемой всерьез.
Конфигурация получилась самая что ни на есть примитивная для нынешних времен:
Потратив половину выходного дня получил вот такой агрегат:
Сверлим отверстия для кнопки включения и индикаторов «Power» и «HDD».
Отпиливаем шасси корпуса по размеру материнской платы. Прикручиваем ее установив процессор память и видеокарточку.
Все пустые гнезда шасси закрываем красивыми блестящими заглушками.
Прикручиваем корзину HDD c диском к корпусу.
Подключаем блок питания и все остальные шлейфы и провода
Операционка была установлена заранее. На такой объем удалось поставить только Win98. Подключаем монитор, клавиатуру и мышь. Убеждаемся, что все работает.
Теперь переходим к акустике. Раньше все шло через компьютер, который был подключен к хорошему усилителю и который, в свою очередь, был подключен к приличным колонкам. В объем нового устройства все это не впихнешь. Да и нет смысла. Для такой звуковой карточки хватит чего-нибудь попроще. Опять ныряем в запасники и достаем вот такую (если можно так сказать) акустическую систему:
Разбираем ее и видим внутри:
Подключаем этот «Звук».
Ну вот. что получилось.
Динамики на даче не были найдены (очевидно уже где-то использовал и забыл), но мир не без добрых людей и сосед отдал мне два автомобильных среднечастотника.
В процессе перетыкания туда-сюда клавиатуры одна из клавиш стала звучать только при сильном нажатии. Пришлось все разобрать и напоить родимую C2H5OH. Каждую клавишу, каждую резиночку протер, высушил и поставил обратно. Заодно щелкнул фотиком внутреннее устройство.
Усилитель на К174УН7 был обнаружен, но то ли кондеры на нем за это время приказали долго жить, то ли он слишком чувствительный. В общем, жутко фонит. Пришлось пока оставить старый усилитель.
Сначала хотел сделать заднюю стенку из фанеры, но потом решил все же сделать деревянную.
Был приделан пюпитр. В качестве декоративных решеток на динамики были приобретены две круглые решетки для вентиляции. Вся конструкция была разобрана, зашпаклевана, отшлифована и покрыта неводной морилкой.