创建自己的手写控制合成器

在这篇项目文章中，我们将使用555定时器IC从合成器的早期构建一种标志性的乐器。

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在今天的项目中，我们将设计和制造我们自己的Stylophone版本，这是一种微型手写笔操作的合成器，其声音在David Bowie的“Space Oddity”和Kraftwerk的“Pocket Calculator”中占有突出地位。为了向Bowie致敬，我们将称之为Ziggy stylus。

最初的Stylophone键盘采用了直接印刷在PCB上的20个金属焊盘的形式。闭合这些焊盘中的任何一个与触笔之间的电路，都会触发振荡器控制的扬声器以特定频率嗡嗡作响，从而产生独特的电子音调。我们的版本，如图1所示，将围绕555定时器IC构建，并配备25个音符的键盘。

完全组装好的Ziggy Stylus合成器。万用表表笔用作触针。

图1 完全组装好的Ziggy触控笔。图片由Kristijan Nelkovski提供

项目要求和物料清单

如上图所示，我使用万用表表笔。你也可以使用跳线或鳄鱼夹线。真的，任何类型的电线和导电尖端组合都可以。

本项目的物料清单如表1所示。

表1 BoM用于Ziggy Stylus合成器

与我的大多数其他项目不同，这个项目对面包板或性能板不友好。要做到这一点，你需要设计自己的PCB。幸运的是，设计非常简单，所以你可以用一个基本的单面DIY PCB。

C大调钢琴的接地控制：音乐理论与电子学

因为我们正在设计一种乐器，所以在继续之前，我们需要介绍一些基本的音乐理论。我们将从最简单的音乐单位开始：音符。

音符是一种以音高和持续时间为特征的声音。音符的音高与其以赫兹表示的物理振荡频率有关。如果我们从振荡的角度考虑音符，那么我们可以通过产生相同频率的信号来电子地重建它们，这是理所当然的。然后，该电信号可以驱动扬声器或蜂鸣器等传感器产生可听声波。

理解乐谱

西方乐谱使用12音音阶。音阶上的每个音符都表示音高比前一个音符有所增加。在第12个音符之后，音阶会重复，但每个音符的频率是前一个的两倍。从一个音符到其最近对应音符的距离——频率为其一半或两倍的音符——称为八度音阶。

规模可分为：

7个自然音程。

5个变化音程。

自然音程以拉丁字母表的前七个字母（A、B、C、D、E、F、G）命名。然而，更常见的是以C开始序列。然后序列变为C、D、E、F、G、A、B。

变化音程是由它们与自然音符的关系来定义的。每个变化音程比一个自然音程高半步，比第二个音符低半步。我们将变化音程称为前音符的升音（♯）或后音符的降音（♭）。例如，C和D之间的音符可以称为C♯或D♭。在这个项目中，我选择使用升音而不是降音。

键盘布局

图2显示了钢琴键盘上出现的12音音阶。如您所见，白键对应于自然音程。钢琴上的黑键弹奏变化音程。

图2:钢琴上一个完整的八度音阶。图片由Adobe Stock提供

Ziggy Stylus拥有从C3到C5的25个音符，也就是说：

音阶上第三个八度音阶的所有12个音符。

第四个八度音阶的所有12个音符。

第五个八度音阶的第一个音符。

图3显示了这些音符在合成器键盘上的位置。原始图像是在Altium 365查看器中使用上一节中包含的Eagle CAD文件创建的。

Ziggy触控笔PCB和键盘布局。

图3 Ziggy Stylus的键盘设计得像钢琴。图片由Kristijan Nelkovski提供

有了这个，我们准备停止讨论理论，开始研究实际的电路。然而，如果你想了解更多关于本节中的概念和术语，Musicca网站是一个很好的资源。

Ziggy触控笔的电路设计

为了产生必要的电子信号，我们将使用555定时器IC（图4）作为不稳定振荡器。555定时器由Hans Camenzind于1970年设计，是有史以来最受欢迎的集成电路之一。

555定时器IC被配置为不稳定电路。

图4 555定时器IC，配置为不稳定电路。图片由All About Circuits提供

我使用All About Circuits的555定时器可调振荡器电路工具来计算我们每个组件的值。但是，此工具有三个输入字段：C、R1和R2。将其与图5进行比较，图5显示了Ziggy触控笔的示意图。

Ziggy触控笔电路示意图。

图5 Ziggy触控笔电路原理图。图片由Kristijan Nelkovski提供

正如你所看到的，这里不仅仅有R1和R2。事实上，在这个电路中，R1对应于R27。R2被串联的25个电位计链所取代，每个电位计都有一根引线连接到一个单独的铜浇注垫。这样，R1（第一个电位计）和任何单个焊盘之间的总电阻将等于链中所有电位计的总和。

通常，电路将在25电阻器串联和555的引脚2和6之间的节点处断开。将这两个引脚连接到触针上，我们可以通过将触针触摸到其中一个铜浇注焊盘来动态闭合电路。项目完成后，每个键盘都将作为一个单独的音乐键。

频率调谐

接下来，我们调整电位计电阻以产生所需的频率。对于图3中的注释范围，我们将25 kΩ电位计（R27）设置为22.5 kΩ，并将4.7 kΩ电位器（R1至R25）设置为表2给出的值。该表还包括频率最终产生的注释。

表2 电位计R1至R25的电阻设置，以及它们产生的频率和间距。频率和音高数据由muted.io提供

用Ziggy触控笔演奏音乐

现在我们有了类似乐器的东西，剩下的就是将555的输出连接到扬声器。每当触笔触摸合成器的一个按键时，555就会驱动扬声器以预定的频率发出音符。正如我在BoM中所说，任何演讲者都可以。

一旦我们做到了这一点，Ziggy Stylus就可以玩了！

轮到你了

既然我们已经确认了Ziggy Stylus的有效性，那么就由您来打造自己的。您可以放大或缩小它，将其连接到其他电路，使用不同的组件，或调整电位计值以获得不同的输出频率。这些频率不一定必须对应于传统的音乐八度音阶。如果你有想法让这个项目成为你自己的，请随时在评论中告诉我们！