些合成器（與您今天發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)合成器不同）都是模擬的，這意味著聲音的生成是通過根據(jù)時間操縱電信號來完成的，而不是依賴軟件和處理器。
　　老式合成器如何工作？本系列項目將展示合成器中的所有不同部分如何工作以及如何構(gòu)建您自己的模塊。
　　在這個項目中，我們將構(gòu)建合成器的核心 VCO（壓控振蕩器），它接收模擬電壓并生成原始聲音，準備好由濾波器、調(diào)制器、ADSR 模塊和步進序列進一步處理。
　　Minimoog D 型合成器
　　Minimoog Model D 合成器（Kraftwerk 從 70 年代到 1981 年使用的那種）。圖片由穆格提供。
　　合成器類型和音樂理論
　　我們將要設(shè)計的合成器在當時非常常見。它被稱為 1V/Octave 合成器。這意味著輸入每增加 1V，輸出頻率就會上升一個倍頻程（即 2 倍）。
　　現(xiàn)在，為了使該模塊正常工作，輸入端需要一個指數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器將接收線性電壓并產(chǎn)生指數(shù)電壓，該電壓被饋送到 VCO。為什么我們需要指數(shù)轉(zhuǎn)換器？答案就在人類聽覺的本質(zhì)和音樂理論中！
　　如果您拿起鋼琴彈奏中間的 A 音符 (A4)，它會發(fā)出頻率為 440Hz 的特定音調(diào)。如果您現(xiàn)在彈奏該音符右側(cè)的 A 音符（向上 12 個音符，A5），則該音符聽起來相同，除了音調(diào)更高，頻率為 880Hz。 （下音符是上音符的諧波，這就是為什么它們一起演奏時聽起來不錯）?，F(xiàn)在，如果您彈奏右側(cè)的下一個 A 音符 (A6)，該音符聽起來會比前一個 A 音符的音調(diào)更高；它的頻率為1760Hz。
　　任何由 12 個鍵分隔的兩個相同音符稱為一個八度音程。對于任何相距一個八度的兩個鍵，上面的鍵的頻率將是第一個鍵的頻率的兩倍。其原因是因為人類的聽覺本質(zhì)上是對數(shù)的。這意味著，要使聲音聽起來兩倍大，其振幅（或音調(diào)領(lǐng)域的頻率）需要增加兩倍。
　　例如，如果我們將波形的頻率從 1Hz 增加到 2Hz，根據(jù)人耳的感覺，這將被視為相差一個八度。但將波形頻率從 440Hz 增加到 441Hz 不會導(dǎo)致倍頻程變化。事實上，人耳無法區(qū)分這兩個頻率，因為人耳擅長相對變化而不是絕對變化。
　　因此，在擺脫了所有復(fù)雜的理論之后，我們需要找到一種方法來接收線性電壓源（1V 八度鍵盤）并將其轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生指數(shù)電壓的電壓源。為此，我們將使用具有固有指數(shù)特性的元件，即雙極結(jié)型晶體管或 BJT。
　　指數(shù)轉(zhuǎn)換器
　　因此，我們需要一個電路來從鍵盤/控制器接收線性電壓，并產(chǎn)生指數(shù)電壓，該電壓每八度音階值加倍。
　　由于我們的 VCO 在單電源 5V 軌上運行，因此轉(zhuǎn)換器的輸出需要在 0V 到 5V 之間。憑借 5V 輸入范圍，可以實現(xiàn)總共 60 個鍵的 5 八度鍵盤。
　　下表顯示了鍵盤的輸入電壓和轉(zhuǎn)換器所需的輸出電壓。
　　鑰匙 鑰匙 ＃1v 倍頻程 V世博產(chǎn)出頻率
　　二氧化碳10.08330.165565.4078
　　C#020.16670.175469.2971
　　D030.25000.185873.4177
　　D#040.33330.196977.7834
　　E050.41670.208682.4086
　　F060.50000.221087.3089
　　F#070.58330.234192.5005
　　G080.66670.248098.0009
　　G#090.75000.2628103.8284
　　A0100.83330.2784110.0023
　　A#0110.91670.2950116.5434
　　B0121.00000.3125123.4734
　　C1131.08330.3311130.8155
　　C#1141.16670.3508138.5942
　　D1151.25000.3716146.8355
　　D#1161.33330.3937155.5668
　　E117 號1.41670.4171164.8172
　　F1181.50000.4419174.6178
　　F#1191.58330.4682185.0011
　　G1201.66670.4961196.0018
　　G#1211.75000.5256207.6567
　　A1221.83330.5568220.0046
　　A#1231.91670.5899233.0868
　　B1242.00000.6250246.9468
　　C2252.08330.6622261.6311
　　C#2262.16670.7015277.1885
　　D2272.25000.7433293.6709
　　D#2282.33330.7875311.1335
　　E2292.41670.8343329.6345
　　F2302.50000.8839349.2356
　　F#2312.58330.9364370.0022
　　G2322.66670.9921392.0037
　　G#2332.75001.0511415.3134
　　A2342.83331.1136440.0092
　　A#2352.91671.1798466.1736
　　B2363.00001.2500493.8937
　　C3373.08331.3243523.2621
　　C#3383.16671.4031554.3769
　　D3393.25001.4865587.3419
　　D#3403.33331.5749622.2670
　　E3413.41671.6685659.2690
　　F3423.50001.7678698.4711
　　F#3433.58331.8729740.0044
　　G3443.66671.9843784.0073
　　G#3453.75002.1022830.6268
　　A3463.83332.2272880.0185
　　A#3473.91672.3597932.3471
　　B3484.00002.5000987.7874
　　C4494.08332.64871046.5242
　　C#4504.16672.80621108.7538
　　D4514.25002.97301174.6838
　　D#4524.33333.14981244.5341
　　E4534.41673.33711318.5379
　　F4544.50003.53551396.9423
　　F#4554.58333.74581480.0088
　　G4564.66673.96851568.0147
　　G#4574.75004.20451661.2537
　　A4584.83334.45451760.0370
　　A#4594.91674.71941864.6942
　　B4605.00005.00001975.5747
　　　　由于其指數(shù)特性而使用的元件是 BJT。大多數(shù)人都會熟悉將基極電流與集電極電流聯(lián)系起來的方程，但這種關(guān)系是線性的。
　　將基極-發(fā)射極電壓與集電極電流關(guān)聯(lián)起來的方程是指數(shù)關(guān)系：
　　I_C = I_S (e^{(\frac{qV_{be}}{kT})}-1)
　　在哪里
　　Ic - 集電極電流
　　Is——飽和電流
　　q - 電子電荷
　　Vbe - 基極-發(fā)射極電壓
　　k - 玻爾茲曼常數(shù)
　　T - 溫度（開爾文）
　　對我們來說幸運的是，有一些聰明的人已經(jīng)完成了困難的數(shù)學(xué)（請參閱此處的數(shù)學(xué)）和電路設(shè)計。　　下面是完整的指數(shù)轉(zhuǎn)換器，將在我們的 VCO 引擎中使用，將輸入線性電壓轉(zhuǎn)換為指數(shù)電壓（輸入每增加 1V，電壓輸出就會增加一倍）。

　　指數(shù)電路
　　點擊放大。
　　在上圖所示的原理圖中，有 3 個不同的輸入饋入 U1B。您可以添加額外的 100K 電阻器以獲得更多輸入，但通常三個就足夠了。
　　KEY - 這是來自 1V 八度鍵盤的輸入
　　TUNE - 連接到微調(diào)器，可用于對輸出頻率進行小幅調(diào)整（通過添加少量電壓）
　　LFO - 低頻振蕩器 - 可用于添加 UFO、警笛甚至琶音等效果
　　以下是該電路如何工作的簡單解釋：
　　U1B 用于對各個輸入（KEY、TUNE 和 LFO）求和并縮放輸入電壓，以便 1V 輸入在輸出上產(chǎn)生 -18mV（請注意，這是一個反相配置）。
　　Q1和Q2構(gòu)成差分對。
　　U2B 用于維持通過 Q1 的恒定電流。 Q1 基極電壓的變化導(dǎo)致 Q2 基極-發(fā)射極電壓相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致 Q2 集電極電流呈指數(shù)變化。
　　Q1 和 Q2 的 HFE 必須非常相似！
　　U1A是電流電壓轉(zhuǎn)換器（R1和RV1的選擇是為了當輸入電壓為5V時，輸出電壓也是5V）。
　　壓控振蕩器
　　現(xiàn)在是時候?qū)嶋H創(chuàng)建一個通過電壓源控制的振蕩器了。
　　為此，我們將使用如下所示的非常常見的布局：　　VCO 布局

　　　該振蕩器有四個部分：
　　積分器（U3A）
　　反相施密特觸發(fā)器 (U3B)
　　復(fù)位電路（Q3）
　　緩沖器（U4A 和 U4B）
　　積分器（U3A）
　　積分器的輸出將根據(jù) Q3 的狀態(tài)（以及 VEXPO 上是否存在輸入電壓）執(zhí)行兩件事：
　　如果 Q3 關(guān)閉，則 C2 將充電，因此積分器輸出將逐漸下降。
　　如果 Q3 導(dǎo)通，則 C2 將放電，因此積分器輸出將逐漸上升。
　　輸出下降或上升的速率由 C2、R7、R9、R10、R11 和輸入電壓 VEXPO 決定。
　　VEXPO 越大，C2 充電越快。
　　施密特觸發(fā)器 (U3B)
　　施密特觸發(fā)器將根據(jù)積分器的輸出執(zhí)行兩件事：
　　如果積分器輸出超過閾值上限，施密特觸發(fā)器輸出將為 0V。
　　如果積分器輸出超過下閾值，施密特觸發(fā)器輸出將為 5V。
　　復(fù)位電路（Q3）
　　復(fù)位電路 Q3 將根據(jù)施密特觸發(fā)器的輸出做兩件事：
　　如果觸發(fā)器的輸出為高電平 (5V)，則 Q3 將導(dǎo)通。
　　如果觸發(fā)器的輸出為低電平 (0V)，則 Q3 將關(guān)閉。
　　它是如何振蕩的
　　該電路按下列模式振蕩：
　　Q3 導(dǎo)通，因此積分器的輸出上升。
　　積分器的輸出最終超過施密特觸發(fā)器的上限。
　　施密特觸發(fā)器的輸出現(xiàn)在切換至 0V。
　　Q3 現(xiàn)在關(guān)閉，因此積分器的輸出開始下降。
　　積分器的輸出最終降至施密特觸發(fā)器的下閾值以下。
　　施密特觸發(fā)器的輸出現(xiàn)在切換至 5V。
　　Q3 現(xiàn)在打開（因此返回步驟 1）。
　　物料清單
　　成分數(shù)量參考
　　LM3584U1、U2、U3、U4
　　1M電阻1R2
　　100K電阻8R3、R4、R5、R8、R12、R14、R15
　　56K電阻4R9、R10、R11、R13
　　22K電阻1R1
　　10K線性電位器2右室1、右室2
　　1K電阻1R6
　　1nF電容1C1
　　4nF 電容（近似值；根據(jù)需要調(diào)整）1C2
　　BC548（帶匹配的 hFE）2Q1、Q2
　　BC5481第三季度
　　100nF電容6這是為了去耦電源線，因此在每個 IC 附近使用
　　100K電位器1僅用于使用合成器 KEY 輸入進行測試
　　建議您首先在無焊面包板上構(gòu)建合成模塊，以防電路無法工作。一旦您確信其功能正常，您就可以將其構(gòu)建到條板上或制造 PCB。
　　嘗試構(gòu)建一個部分并使其發(fā)揮作用，然后再構(gòu)建下一階段。這樣您就可以確定這部分電路工作正常！
　　構(gòu)建時，有兩點需要注意：
　　確保 Q1 和 Q2 具有接近的 hFE 值（彼此相差 10 以內(nèi)）。最好的方法是花幾美元購買一袋包含 100 個晶體管的廉價產(chǎn)品，并使用可以測量 hFE 的萬用表。
　　Q1 和 Q2 必須相互熱粘合。您可以通過將兩者熱粘合在一起來實現(xiàn)此目的，以便一個的熱變化反映另一個的熱變化。
　　您可能已經(jīng)注意到該電路同時具有正電源電壓和負電源電壓。該電路需要雙電源才能正常工作（負軌上需要 5V、0V 和至少 -5V）。對我們來說幸運的是，這個電路使用負電壓發(fā)生器項目運行得很好，所以一定要先構(gòu)建它！您還可以串聯(lián)使用兩個電池以獲得分流電源，并將中間連接用作接地?！　∫韵率强捎糜跒?VCO 供電的可能電路：

　　用于給 VCO 供電
　　請注意，只有 VCC 軌需要調(diào)節(jié)至 5V，因為這將確定 VCO 的飽和點并影響輸出頻率。負軌僅在指數(shù)轉(zhuǎn)換器電路中使用，并且在正常使用期間，該電路中的運算放大器輸出不會被驅(qū)動至電源軌。
　　測試 VCO
　　要測試 VCO，您需要向求和級 U1B 提供輸入電壓。您可以使用電位器提供 0V 到 5V 之間的可變電壓，也可以使用振蕩器或 1V 八度鍵盤（如果有）的輸出。該項目中顯示的視頻使用連接在 VCC 和 0V 之間的電位器，并將不同的輸出電壓連接到求和級。
　　在下面顯示的視頻中，您將看到 VCO 連接到電位計和第二個 VCO。第二個 VCO 產(chǎn)生低頻振蕩 (LFO)，可用于擺動音高以獲得許多有趣的效果。您還會注意到，將手指放在 Q1 或 Q2 上將導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生變化，并且可以用來產(chǎn)生更有趣的效果！另請注意，我使用了隔直電容器來消除發(fā)送到揚聲器的信號中的直流偏移。