任何合成器的關(guān)鍵元件都是其振蕩器電路。模擬合成器通常具有兩個(gè)或更多個(gè)可獨(dú)立控制的振蕩器。但是，任何踏入過模擬壓控振蕩器 (VCO)原理圖互聯(lián)網(wǎng)兔子洞的人都知道，它們通常很復(fù)雜且雜亂。一些雜亂來自可以優(yōu)雅處理的功能，例如多個(gè)控制電壓輸入。但是，即使最簡單的振蕩器電路在原理圖中被隔離，剩下的部分仍然很復(fù)雜，因?yàn)闊岱答伡记煽梢允拐袷幤髟谄浣M件升溫時(shí)保持調(diào)諧。
　　當(dāng)我考慮創(chuàng)建自己的合成器時(shí)，VCO 電路的復(fù)雜性和混亂性一直是我的絆腳石，盡管我喜歡模擬合成，但我還是無法擺脫其混亂的電子缺陷。當(dāng)我對Roland Juno 系列合成器產(chǎn)生好感時(shí)，一切都改變了。
　　Roland 的 Juno-6于 1982 年上市，是當(dāng)時(shí)其他復(fù)音合成器更實(shí)惠的替代品。它也是第一款使用 DCO 代替?zhèn)鹘y(tǒng) VCO 的合成器。與其他合成器相比，這大大提高了樂器的調(diào)諧穩(wěn)定性，因?yàn)?DCO 使用數(shù)字電路來控制振蕩器模擬信號的頻率?？紤]到這一點(diǎn)，使用 DCO 代替 VCO 當(dāng)然是有代價(jià)的。許多人喜歡兩個(gè)略微失諧的 VCO 齊奏的“溫暖”聲音，而這種聲音很難用基于 DCO 的合成器模仿。但是，可以將調(diào)制效果應(yīng)用于 DCO 的干輸出信號，以產(chǎn)生華麗、優(yōu)美的聲音。
　　總體而言，Arduino Uno 和 Nano 開發(fā)板的普及性和低成本，再加上這些數(shù)字平臺預(yù)裝了 16 MHz晶體振蕩器的事實(shí)，使得創(chuàng)建廉價(jià)的 DCO 變得非常容易。
　　使用微控制器定時(shí)器模塊創(chuàng)建 DCO
　　查看任何現(xiàn)代微控制器的數(shù)據(jù)表，您都會在其外設(shè)中找到一個(gè)定時(shí)器模塊。定時(shí)器模塊允許嵌入式設(shè)計(jì)人員在獨(dú)立于 CPU （中央處理單元）的嵌入式系統(tǒng)后臺設(shè)置運(yùn)行計(jì)數(shù)器。此外，定時(shí)器模塊可以在多種情況下中斷 CPU，例如當(dāng)它們溢出計(jì)數(shù)寄存器或達(dá)到特定計(jì)數(shù)時(shí)。嵌入式設(shè)計(jì)人員可以配置中斷條件以滿足其特定應(yīng)用的需求。
　　對于這個(gè)項(xiàng)目， ATMega328P的定時(shí)器模塊（Arduino Nano 和 Uno 的大腦）充當(dāng)合成器的 DCO。通過配置定時(shí)器模塊的時(shí)鐘源和最大計(jì)數(shù)值，可以在音頻頻率觸發(fā)定時(shí)器模塊中斷。DCO 輸出是通過在這些周期性中斷的中斷服務(wù)例程 (ISR) 期間操縱微控制器的 GPIO 引腳來實(shí)現(xiàn)的。
　　在接下來的章節(jié)中，我將討論該項(xiàng)目背后的硬件和軟件設(shè)計(jì)，然后展示一些來自該自制合成器的音頻片段。
　　使用 Arduino Nano 的音頻合成器硬件
　　在介紹該項(xiàng)目涉及的不同硬件以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作之前，表 1 顯示了 BOM（物料清單）。
　　數(shù)量成分
　　1
　　Arduino Nano v3.x
　　4470 nF電容
　　12.1 毫米筒形插孔
　　11/4”單聲道開關(guān)插孔
　　24.7k電阻
　　347k電阻
　　7100k電阻
　　1100k電阻
　　2100k電位器
　　11 M 電位器
　　23SPDT 微型瞬時(shí)開關(guān)
　　1開關(guān)DC-DC 轉(zhuǎn)換器（5 V 輸出）
　　1Microchip MCP23017 I/O 擴(kuò)展器
　　1LF411 運(yùn)算放大器（運(yùn)放）　　接下來，讓我們看一下圖 2 的系統(tǒng)圖，它展示了該合成器的各個(gè)部分是如何組合在一起的。

　　合成器的硬件系統(tǒng)圖。
　　圖 2. 合成器的硬件系統(tǒng)圖。
　　鍵盤部分由 23 個(gè) SPDT 開關(guān)組成，每個(gè)鍵一個(gè)。其中 16 個(gè)鍵路由到 MCP23017 I/O 擴(kuò)展器，其余 7 個(gè)鍵直接路由到 Arduino Nano 上的 GPIO 輸入。然后 MCP23017 通過I2C連接到 Arduino Nano 。
　　從這里開始，Arduino Nano 處理來自鍵盤的輸入，并根據(jù)這些按鍵在 D11、D12 和 D10 上生成三個(gè)獨(dú)立的振蕩器輸出。Arduino Nano 上這些數(shù)字引腳的輸出被路由到求和放大器電路，該電路的原理圖如圖 3 所示?！　∏蠛头糯笃麟娐返氖疽鈭D。

　　圖 3。 求和放大器電路原理圖。
　　求和放大器包含三個(gè)電位器。它們分別控制振蕩器 2 和 3 的音量以及樂器的主音量。放大器電路的輸出直接路由到 ?” 單聲道音頻插孔，因此可輕松直接插入吉他放大器。
　　為了給該樂器供電，我使用標(biāo)準(zhǔn)的 2.1 毫米 9 V DC 吉他踏板筒形插孔。此外，該插孔的 +9 V 被路由到小型 DC-DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生 5 V 電源連接。+5 V 電源為 MCP23017 供電。Arduino 通過其 Vin 引腳由 +9 V 電源供電。運(yùn)算放大器的 V+ 和 V- 由筒形插孔的 +9 V 和接地連接提供，5 V 電源用作運(yùn)算放大器的浮動(dòng)接地連接。
　　圖 4 顯示了該系統(tǒng)各部分的連接方式?！　≌麄€(gè)系統(tǒng)示意圖

　　圖 4. 整個(gè)系統(tǒng)示意圖
　　創(chuàng)建音頻合成器的軟件方面
　　該項(xiàng)目軟件的主要任務(wù)是解釋鍵盤按鈕的輸入并相應(yīng)地操作定時(shí)器模塊寄存器（請參閱此處的 Arduino 草圖 PDF 以獲取代碼）。在草圖中的 setup() 函數(shù)之前，聲明了幾個(gè)全局變量，包括兩個(gè)大型的 2D 數(shù)組，其中包含與音符相對應(yīng)的定時(shí)器模塊寄存器值。setup() 函數(shù)的過程遵循圖 5 的流程圖，其中僅涉及：
　　設(shè)置 GPIO 輸入和輸出
　　開始 I2C 通信
　　初始化三個(gè)定時(shí)器模塊
　　啟用中斷
　　選擇定時(shí)器 B 模塊的時(shí)鐘源作為定時(shí)器 A 的時(shí)鐘
　　啟用全局中斷　　該儀器的 Arduino 草圖的 setup() 函數(shù)的流程圖。

　　圖 5. 該儀器的 Arduino 草圖的 setup() 函數(shù)的流程圖。
　　圖 6 顯示了表示 Arduino 草圖的 loop() 函數(shù)的流程圖?！　〈藘x器的 Arduino 草圖的 loop() 函數(shù)流程圖

　　圖 6.該儀器的 Arduino 草圖的 loop() 函數(shù)流程圖.
　　循環(huán)函數(shù)執(zhí)行三個(gè)主要任務(wù)：
　　檢測鍵盤上按下的鍵
　　根據(jù)特定鍵的音調(diào)設(shè)置定時(shí)器模塊參數(shù)
　　設(shè)置門變量以允許振蕩器信號轉(zhuǎn)發(fā)到各自的 GPIO 引腳
　　循環(huán)函數(shù)一次評估連接到鍵盤的每個(gè) I/O 端口，直到檢測到按下的按鈕。端口的評估順序是從鍵盤上的最低音符到最高音符，這意味著低音符實(shí)際上具有更高的優(yōu)先級。雖然我考慮使用 GPIO 和 I2C 中斷來處理鍵盤按鈕按下，但我最終使用了連續(xù)輪詢方法，并且我沒有注意到因此而產(chǎn)生的任何不利性能。
　　最后，圖 7 表示 ATMega328P 中三個(gè)定時(shí)器模塊各自的中斷服務(wù)程序。　　Arduino Nano 的 ATMega328P 定時(shí)器模塊的中斷服務(wù)程序流程圖。

　　圖 7.Arduino  Nano 的 ATMega328P 定時(shí)器模塊的中斷服務(wù)程序流程圖。
　　如果設(shè)置了門控變量，則每個(gè) ISR 都會切換其輸出引腳值。此切換會為每個(gè)振蕩器生成音頻頻率輸出。