【導讀】也許一個(gè)只有一個(gè)八度范圍小型電子琴使用普通單片機可以方便的完成，但這款全模擬音樂(lè )合成器則使得對音樂(lè )、電子以及信號原理的學(xué)習更能夠充滿(mǎn)樂(lè )趣。這一點(diǎn)是彌足珍貴的（They are also expensive !）
01 MicroSynth
一、背景介紹
也許一個(gè)只有一個(gè)八度范圍小型電子琴使用普通單片機可以方便的完成，但這款全模擬音樂(lè )合成器則使得對音樂(lè )、電子以及信號原理的學(xué)習更能夠充滿(mǎn)樂(lè )趣。這一點(diǎn)是彌足珍貴的（They are also expensive !）
1、關(guān)于MicroSynth
David Levi希望更多的人了解、只在這款迷你音樂(lè )合成器：MicroSynth，簡(jiǎn)單、有趣、內容豐富，它僅僅有一個(gè)名片大小。
圖1.1 名片大小的MicroSynth PCB 板
（1）設計特點(diǎn)
David設計的MicroSynth 使用了觸摸按鍵，替代了機械按鈕。巧妙使用運放（OP-AMP）設計的振蕩器可以自動(dòng)產(chǎn)生按照指數分布的音節頻率；這要比利用555定時(shí)器與雙極性三極管電路更加簡(jiǎn)潔；
因此MicroSynth的技術(shù)特點(diǎn)為：
沒(méi)有機械按鈕沒(méi)有任何數字芯片；沒(méi)有555定時(shí)器芯片無(wú)需使用匹配的雙極性三極管。
雖然使用雙層PCB板制作，但所有的線(xiàn)圈均可在頂層鋪設；底層只作為公共底線(xiàn)。它使用了4個(gè)運放，四個(gè)的N-MOS三極管，一個(gè)無(wú)源揚聲器。
圖1.2 小巧的MicroSynth正面元器件布局
最初 David 設計MicroSynth就是作為他的特色明信片，把玩它使得David獲得很多樂(lè )趣。一天他認為MicroSynth 應該擁有它作為發(fā)明物的應有的權利，被更多人看到它那靈妙的身姿。
2、關(guān)于David
MicroSynth 的作者David是 MicroKits 品牌的發(fā)明人和擁有者，MicroKits 是最初是提供 特雷門(mén)琴（Theremin）[1] 簡(jiǎn)單設計與實(shí)現方案的項目。作者開(kāi)始制作這類(lèi)音樂(lè )合成電子作品，當然他現在還不打算將其工程化。隨著(zhù)制作更大的音樂(lè )電路，他使用MicroSynth測試一些想法，順便也作為他本人的名片。
二、技術(shù)細節
1、觸摸按鍵
MicroSynth 上的按鍵不是機械按鈕，而是觸摸電阻按鍵。當手指觸碰按鈕時(shí)，電機兩端就會(huì )有微量電流通過(guò)手指表面流過(guò)，足以打開(kāi)晶體管開(kāi)關(guān)。就像普通計算機上的薄膜開(kāi)關(guān)的原理一樣，只是這里你的手指充當了按鈕導通薄膜。
2、指數電壓
音樂(lè )各個(gè)音節頻率是呈現指數分布，每增加一個(gè)八度頻率增加一倍。在MicroSynth電路設計中，各個(gè)按鍵對應電阻參數則是按照線(xiàn)性增加。電路板上的壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率正比于輸入電壓。例如，設計一個(gè)輸出10、20、30、40Hz 等間隔頻率信號的電路比較容易，但設計一個(gè)呈現信號耐壓指數增加電路，比如10、20、40、80Hz則需要豐富的電路技巧。
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大多數音樂(lè )合成電路使用雙極性三極管的指數變化增益將輸入線(xiàn)性電壓轉換成指數變化電壓，但這需要有精確匹配電阻、溫度補償以及電路精細調整才行。如果不把眾多瑣碎因素考慮進(jìn)去，則產(chǎn)生的音節不是太集中，就是分散。
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使用555 定時(shí)器電路產(chǎn)生音節則需要利用RC充放電時(shí)間呈現指數變化才能夠輸出指數變化的音節頻率。555定時(shí)器不僅比普通運放昂貴，它所工作的電壓也比運放高。
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作者巧妙設計了一款僅需要兩個(gè)運放電路，可以將線(xiàn)性增加的電阻轉換成指數變化的電壓輸出，來(lái)控制一個(gè)VCO。本質(zhì)上講，這個(gè)電路輸出電壓是電阻的多項式函數，但在一個(gè)八度音程范圍內它已經(jīng)非常逼近指數變化函數了。
3、駭客精神
追求極致精簡(jiǎn)的電路駭客們希望利用最為傳統器件完成電路設計。當別人還在嘲笑那些使用微控制器實(shí)現本來(lái)可以由555定時(shí)器實(shí)現的功能的時(shí)候，David放出狠話(huà)，實(shí)際上有的時(shí)候555定時(shí)器都顯得多余。
02 電路設計
一、電路原理
1、電路器件
【表2-1 MicroSynth電路元器件】
2、核心電路
下面這個(gè)電路則使用了兩個(gè)運放來(lái)產(chǎn)生指數（等比）分布的電壓。其中包括了鍵盤(pán)電路、指數電壓電路、高八度電路、微調電路等。
圖2.1 MicroSynth電路圖原理圖
（1）按鍵電路
按鍵電路本質(zhì)上是由12個(gè)1kΩ電阻串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)將指數電壓運放電路負極性輸入端接地。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，使用了普通開(kāi)關(guān)表示串聯(lián)電阻接入地，實(shí)際上這些開(kāi)關(guān)將來(lái)都是有MOS管來(lái)代替。
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十二個(gè)按鈕可以產(chǎn)生一個(gè)八度音高中的十二個(gè)半音階。當多個(gè)按鍵被按下時(shí)，該電路不會(huì )產(chǎn)生和弦，只有最高音節輸出。
（2）微調電路
電路圖中標志有“Fine Tune”的電位器用于對輸出電壓進(jìn)行微調，一邊產(chǎn)生準確的音節頻率。
（3）八度音程開(kāi)關(guān)
微調輸出電壓由右面單位增益，或者倍壓電路緩沖之后送到指數電壓電路。當“Octave”對應開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，緩沖運放為單位增益，如果Octave開(kāi)關(guān)閉合，則緩沖運放增益為2。利用這個(gè)開(kāi)關(guān)可以產(chǎn)生兩個(gè)八度的音節。
（4）指數電壓電路
指數電壓電路是這個(gè)電路的核心，它將串聯(lián)的線(xiàn)性變化的電阻轉換成指數變化的電壓。了解它的原理需要一些數學(xué)推導。
決定輸出電壓是有三部分電路組成：
微調+倍程電路舒適的基準電壓。經(jīng)過(guò)200k，100k分壓電路在輸出運放“+”端產(chǎn)生電壓；由與鍵盤(pán)電阻組成的對的分壓電路；輸出電壓經(jīng)過(guò)200k，100k以及前面的分壓電路在輸出運放的“-”極需要產(chǎn)生一個(gè)電壓等于“+”極電壓。
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根據運放在放大狀態(tài)下，輸入端“虛短”特性，輸出運放的“-”極電壓也應該為。這個(gè)電壓與輸出電壓在200k電阻上產(chǎn)生的電流為：
由37.4k（假設稱(chēng)為）與鍵盤(pán)電阻組成的對分壓電路，根據戴維南定理，可以看成由電壓，內阻組成的電壓源。
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那么它在輸出運放的輸入電阻（100k）上產(chǎn)生的電流為：
再根據放大狀態(tài)下運放的“虛斷”特性，，所以
下面，假設：
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那么可以計算出對于不同的按鍵電阻 ，所對應的輸出電壓。下圖同時(shí)顯示了根據公式“計算值”以及對應12音律的音節值?？梢钥吹剿鼈冎g非常接近。
圖2.2 不同按鍵n對應的輸出電壓
3、按鍵電路
下圖給出了按鍵實(shí)際電路，它是將手指觸碰電極所產(chǎn)生的微弱電流通過(guò)1M歐姆的下拉電阻驅動(dòng)MOS管導通，相當于一個(gè)對地的開(kāi)關(guān)，驅動(dòng)前面核心電路中1k歐姆電阻網(wǎng)絡(luò )。
圖2.3 按鍵電路圖
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人體觸碰電路過(guò)程中，不僅會(huì )等效成貫徹導通電阻，另外還會(huì )引入空間的交流電壓信號。所以在按鍵電路中還有1M歐姆與4n7電容組成的濾波電路。
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下圖是作者對于這個(gè)電路進(jìn)行的電路仿真，可以看出它可以有效的導通。
圖2.4 利用人工等效模型進(jìn)行電路仿真
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下面是按鍵實(shí)際電路，指尖觸碰按鍵焊盤(pán)后，便可以觸發(fā)電路工作。
圖2.5 電路板上實(shí)際的按鍵
※ 電路小結 ※
在 David 的BLOG[2] 的網(wǎng)頁(yè)中并沒(méi)有找到完整的電路圖。對于這個(gè)電路中振蕩電路的工作原理以及如果判斷是否有按鍵被按下等，作者并沒(méi)有進(jìn)行詳細的說(shuō)明。
參考資料
[1]特雷門(mén)琴（Theremin）: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/105439923?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522163317228016780265432070%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=163317228016780265432070&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_v2~rank_v29-1-105439923.pc_v2_rank_blog_default&utm_term=Theremin&spm=1018.2226.3001.4450
[2]David 的BLOG: https://hackaday.io/project/181914/logs
來(lái)源：TsinghuaJoking
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