Великолепный аналоговый синтезатор / орган, использующий только дискретные компоненты: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Аналоговые синтезаторы - это очень круто, но их довольно сложно сделать.

Поэтому я хотел сделать его настолько простым, насколько это возможно, чтобы его работа была легко понятной.

Чтобы он работал, вам понадобится несколько основных подсхем: простой генератор с выбираемой резистором частоты генерации, несколько ключей и базовая схема усилителя.

Если вы используете какие-то токопроводящие прокладки вместо кнопок для клавиш, вы можете сделать свою версию очень крутой

Стилофон!

В этом руководстве мы узнаем, как это сделать, и узнаем, как это работает.

Учебное пособие предназначено для энтузиастов электроники от начального до среднего уровня.

Шаг 1. Необходимые инструменты

Вам понадобится паяльник и макетные платы, или вы можете собрать его на макетной плате.

Если вы немного более продвинуты, я предоставлю файлы для травления вашей собственной печатной платы.

Шаг 2: Начнем с осциллятора

Сердцем синтезатора является схема Astable Multivibrator на операционном усилителе. В Интернете вы найдете очень длинные и подробные объяснения его действия, но я постараюсь объяснить его работу более простым способом.

Генератор состоит из нескольких резисторов и одного конденсатора.

Схема компаратора операционного усилителя сконфигурирована как триггер Шмитта, который использует положительную обратную связь, обеспечиваемую резисторами R1 и R2, для создания гистерезиса. Эта резистивная сеть подключена между выходом усилителя и неинвертирующим (+) входом. Когда Vo (выходное напряжение) насыщается на положительной шине питания, положительное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Аналогичным образом, когда Vo насыщается на отрицательной шине питания, отрицательное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Это напряжение медленно заряжает и разряжает конденсатор на входе (-) через резистор Rf. Допустим, мы начинаем с выхода операционных усилителей при положительном напряжении насыщения (+ Vsat). Конденсатор заряжается, и его напряжение (Vc) медленно растет. Между тем, R1 и R2 образуют делитель напряжения с его выходным напряжением (Vdiv) со стабильным значением где-то между выходным напряжением насыщения (+ Vsat) и 0V. Когда напряжение конденсатора превышает напряжение делителя напряжения R1 и R2, операционный усилитель меняет свое состояние на отрицательное напряжение насыщения (-Vsat). Затем конденсатор разряжается через резистор Rf до тех пор, пока его напряжение (Vc) не станет ниже напряжения делителей R1 и R2 (Vdiv). Затем он снова переводит свое состояние в исходное состояние (+ Vsat). И так далее и так далее.

Фактически это создает прямоугольное выходное напряжение генератора, и, если оно имеет правильную частоту, издает слышимый тон.

Шаг 3: Расчет частот

Частоту генератора можно рассчитать с помощью уравнения на картинке выше.

Вы можете настроить этот синтезатор как хотите.

Я хотел настроить его до мажор - все белые клавиши на пианино. Таким образом, не будет «неправильных» тонов, и детям будет легко играть.

Поэтому я поискал в Интернете список частот для определенных тонов и решил настроить его с ноты C4 на C5.

Я произвел расчеты на необходимый резистор. Я придумал и рассчитал с помощью Matlab (Octave).

Для резистивного делителя R1 и R2 я выбрал резисторы 22 кОм, для конденсатора я выбрал емкость 100 нФ.

Вот код, если вам лень делать это вручную с помощью калькулятора. Или вы можете просто использовать перевернутое уравнение для ручного расчета резистора.

R1 = 220e3; R2 = 220e3;

лямбда = R1 / (R1 + R2);

С = 100e-9;

f = [261,63 293,66 329,63 349,23 392 440 493,88 523,25]; % список частот

R = 1./ (f. * 2. * C. * log ((1 + лямбда) / (1-лямбда)))

Вот результаты:

C4 = 17395 Ом

D4 = 15498 Ом

E4 = 13806 Ом

F4 = 13032 Ом

G4 = 11610 Ом

A4 = 10343 Ом

B4 = 9215 Ом

C5 = 8697 Ом

Конечно, мне нужно было округлить значения до ближайшего значения резистора. Я использовал стандартную серию резисторов E12, которые чаще всего встречаются в коробках с запчастями для хобби. Поскольку серия резисторов E12 довольно грубая, я использовал 2 резистора последовательно для каждого значения, чтобы приблизиться к желаемому сопротивлению, и синтезатор будет более настроен таким образом.

C4 = 2,2 кОм + 15 кОм D4 = 15 кОм + 470 Ом

E4 = 8,2 кОм + 5,6 кОм

F4 = 12 кОм + 1 кОм

G4 = 4,7 кОм + 6,8 кОм

A4 = 10 кОм + 330 Ом

B4 = 8,2 кОм + 1 кОм

C5 = 8,2 кОм + 470 Ом

Шаг 4: Готовая схема осциллятора

Вот схема части генератора.

С помощью отдельных клавиш вы выбираете желаемое сопротивление, и желаемый звук воспроизводится.

Эта схема объясняет, почему вы получаете высокие звуки при одновременном нажатии нескольких клавиш. Нажимая одновременно несколько клавиш, вы подключаете больше ветвей резисторов параллельно и эффективно соединяете их параллельно, уменьшая общее сопротивление. Более низкое сопротивление дает более высокий тон.

Шаг 5: усилитель динамика

Усилитель динамика можно было сделать и попроще, но я решил сделать настоящий каскад усилителя класса АВ.

Этап состоит из транзисторов PNP и NPN, разделительных конденсаторов и двух резисторов смещения и диодов.

Очень простой, но работает хорошо.

Перед каскадом усилителя я поставил логарифмический (аудио) потенциометр 100к для регулировки громкости.

Поскольку потенциометр сам по себе в цепи будет расстраивать генератор (добавленное сопротивление), я поставил перед ним буфер операционного усилителя, который привносит высокое входное сопротивление для схемы перед ним и низкое сопротивление для схем после него. Это.

По сути, буфер - это усилитель с коэффициентом усиления 1.

Я использую операционный усилитель TL072, в котором есть две схемы усилителя, так что это все, что нам нужно.

Шаг 6: вспомогательные материалы

В левой части изображения находятся заголовки входных разъемов, куда вы подключаете блок питания.

За ними следуют два диода, которые защищают схему от случайного подключения источника питания неправильной полярности.

Я также добавил два светодиода для индикации наличия каждой линии питания.

Шаг 7: Полная схема

Вот готовая схема.

Шаг 8: блок питания

Схема требует симметричного источника питания.

Вам нужны + 12В и -12В (подойдет и 9В).

Я использовал какой-то старый блок питания от сломанного струйного принтера, так как у него были шины +12 В и -12 В (см. Фото)

Но вы также можете сделать симметричный источник питания + -12 В из одного источника на 24 В, используя схему выше.

Но только не забудьте установить радиатор на регулятор 7812.

Или вы можете подключить последовательно два изолированных источника питания 12 В.

Шаг 9: печатная плата

Если вы хотите травить свои собственные печатные платы, вы можете найти файл для печати здесь. Для клавиш я использовал кнопки 10х10 мм.

Многие хотели знать, где найти пуговицы с красивой большой крышкой. Здесь мне удалось найти похожие кнопки, которые можно использовать для клавиатуры:

www.banggood.com/custlink/GvDmqJEpth

Они также должны уместиться на макетной плате!

Это партнерская ссылка - вы платите ту же цену, что и без ссылки, но я получаю небольшую комиссию, поэтому я могу купить больше компонентов для будущих проектов:)

Для селектора конденсатора я припаял разъем, чтобы можно было быстро заменить конденсаторы.

С другой стороны, схема достаточно проста, чтобы вы могли собрать ее на макетной плате или прототипе паяльной платы. Было бы еще проще повозиться и поменять местами компоненты для разных эффектов.

Для динамика я переработал старый внутренний динамик для ПК и сделал для него простой корпус, напечатанный на 3D-принтере.

Шаг 10: Готово

Теперь ваш синтезатор готов, и вы должны сыграть с ним несколько классных мелодий!

Надеюсь, вам понравился инструктаж. Не стесняйтесь проверять мои другие инструкции и видео на YouTube!

Вы можете подписаться на меня в Facebook и Instagram

www.instagram.com/jt_makes_it

за спойлеры о том, над чем я сейчас работаю, за кадром и другие дополнения!