Привет GT!
4 июня в Москве пройдёт очередной фестиваль музыкальных технологий Synthposium. На нём соберутся любители синтезаторов, чтобы крутить ручки, собирать патчи, нажимать на клавиши и восхищаться звуками.
Нас тоже пригласили сделать для фестиваля что-нибудь прикольное.
И мы собрали аналоговый оптический синтезатор.

(Осторожно, трафик!)

VCO

Знаете, как воспроизводят звук с киноплёнки в кинотеатре? В самом простом варианте звук записан на ту же киноплёнку в виде двух дорожек — левый и правый канал. Вот на этой картинке — стерео звук слева, в виде двух белых дорожек. Там рядышком ещё куча цифровой информации, но сейчас не об этом.
Свет проходит через плёнку и попадает на фототранзистор.
Если очень грубо, фототранзистор превращает попавшие в него фотоны в электрический ток и усиливает его.
Чем больше фотонов попало на транзистор, тем меньше его сопротивление, и, соответственно, меньше напряжение на Vout. Если освещённость фототранзистора меняется в диапазоне слышимых частот, то при подаче сигнала с Vout на усилитель с динамиком, мы услышим звук.

Я решил сделать синтезатор на том же эффекте.
В качестве звукоснимателя использовал вот такой датчик линии:



Этот датчик подсвечивает пространство под собой светодиодом и принимает отражённый свет фототранзистором. На выходе получим напряжение пропорциональное яркости под датчиком. Если что, чувствительность можно подрегулировать встроенным потенциометром.

Теперь возьмём какую-нибудь картинку и моторчик:



Крутанём мотор — яркость под датчиком начнёт циклически меняться. Вот такая форма волны у меня получилась из этой картинки:



Если крутить картинку с частотой не в пару герц, а, скажем, где-нибудь в 440 Гц, получим ноту ля первой октавы. С тембром, напоминающим тембр какой-то периодической функции. А если взять картинку посложнее? Получим тембр… посложнее.

Pitch

Наш аналоговый синтезатор должен уметь вращать картинку с частотой ноты, которая пришла к нему по MIDI. По высоте звука хотелось захватить хотя бы пятую октаву. В соответствии с таблицей нот и частот это где-то под 1 кГц.
Значит нам нужен очень шустрый мотор, который сможет обернуться 1000 раз в секунду. Я взял подходящий от радиоуправляемого вертолёта.

Сразу скажу — он выл как болгарка. Вдобавок, резал бумагой кожу на пальцах и расшвыривал картинки в разные стороны, как ниндзя — сюрикены. После очередного выстрела офис взбунтовался. Пришлось довольствоваться старым добрым тихим CD-приводом.



У CD-привода есть своя микросхема-драйвер, которая управляет двигателем. Достаточно подпаяться к нужным пинам, и мы получим возможность управлять скоростью вращения двигателя и узнаем частоту, с которой он вращается. В моём случае это была микросхема M63044FP. Даташита на неё я так и не нашёл. Зато нашёл даташит на очень похожую M63022FP. Она отличалась распиновкой, поэтому пришлось искать нужные ножки методом тыка.


Скорость вращения регулируется подачей аналогового напряжения на ножку SPIN. Я взял резистор на 220 Ом, подпаял к нему проводок. Включил питание. Тыкнул одним концом резистора в шину 5 В CD-привода, а проводком протыкал все ножки микросхемы. При контакте с нужной ножкой движок запустился. Я удивлён, но в процессе ничего не сгорело.
Для контроля частоты вращения осталось найти пин OSC, который выдаёт меандр при переключении обмоток двигателя. Тут уж пришлось расчехлить осциллограф, запустить двигатель и искать.

Дальше просто. Следим за дорожкой от ножки и ищем — куда бы припаяться?
Заодно припаяем LM7805 к пину 5V питания, чтобы питать всю конструкцию одним источником напряжения в 12 В.
Припаяны проводки на SPIN, OSC. И земля, чтобы все девайсы были на одной волне:

Картинка кликабельна

Регулятор, кстати, при работе очень горячий. Обжечься вполне реально. Но во время DIY-запоя меня такие вещи не особо напрягают. Работает.
Движок от CD-привода позволил разгонять картинку до 250 Гц. Стало быть, малая октава — максимум. Ничего не поделаешь, в таком случае у нас басовый монофонический аналоговый синтезатор. Совсем как Moog Minitour.

ADSR envelope

Звук синтезатора определяется, ко всему прочему, низкочастотной модуляцией по громкости и/или частоте среза фильтра (ADSR envelope). Мне тоже хотелось такую штуку в своём синтезаторе. Как это сделать?
Следите за руками:
Так как постоянная составляющая сигнала с нашего звукоснимателя срезается входным конденсатором усилителя, громкость звука в нашем случае — это разница между самым тёмным и самым светлым участками картинки. Чем дальше датчик от картинки — тем меньше эта разница, поскольку всё меньше фотончиков долетает до фототранзистора от самых светлых участков. Чем ближе датчик — тем больше эта разница, а значит больше и амплитуда сигнала.
Если датчик поднести очень близко к картинке, в светлых местах транзистор откроется на полную катушку. Гладкие участки звуковой волны от этого срежутся. Результат — эдакий distortion-эффект с резким увеличением количества высоких гармоник. Это сильно украсит звук. Поэтому я посадил датчик на сервопривод.



При MIDI-событии NoteOn он будет быстро приближаться к картинке тем ближе, чем больше скорость нажатия клавиши MIDI-клавиатуры (velocity). С течением времени можно медленно поднимать датчик. Вот такой вот механический ADSR.

Аналоговый тракт

Аналоговый тракт не должен пересекаться с силовой и цифровой частью, чтобы не ловить оттуда помехи. Поэтому я просто впаял ещё один LM7805 с электролитическим и керамическим конденсаторами в Troyka Shield. На вход подал 12 В с Vin, а выход отправил на датчик линии и модуль-усилитель звука. Выход датчика линии припаял напрямую ко входу усилителя. Всё, теперь у нас отдельный аналоговый контур питания.

MIDI

MIDI-вход пришлось колхозить на оптопаре 6N137. Можно было обойтись и одним транзистором с парой резисторов, но так не по стандарту.

Сборка

Электроника

Сборка конструктива со #Структором — это просто. Из электроники у нас будет:

• IskraJS — попробую наконец-то микроконтроллерный JavaScript. Кроме того, у неё есть 12-битный ЦАП. Он как раз пригодится для управления ножкой SPIN драйвера мотора;
• Troyka Shield — мимимизируем пайку;
• Микросервопривод FS90 — механический ADSR;
• Датчик линии — наш звукосниматель;
• Troyka-аудиоусилитель — секретные разработки нашего КБ. Пока дефицит, но уже в производстве;
• Troyka-MIDI IN — TODO нашего КБ. Пришлось паять на макетке.

Все эти детали имеют специальную оснастку из #Структора, поэтому сборка это:

1. Одеть электронику в #Структор;
2. Ножом и линейкой вырезать из мегапанели площадку для творчества под размер CD-привода;
3. Закрыть глаза и натыкать электронику, куда влезет. У меня получилось вот так (кликабельно):
   
   
   
   
   

Механика

Для того, чтобы прикрепить картинку на вал моторчика нужен какой-то крепёж. Я пробовал приклеивать картинку сразу на шпиндель двусторонним скотчем, но картинки быстро отлетали. Да и менять их неудобно.
Хорошо, что в самом CD-приводе есть такое крепление. Этот кружок живёт в верхней крышке CD-привода, и фиксирует компакт-диски на шпинделе. В нём есть магнитик, поэтому его легко снимать со шпинделя и размещать обратно. Ну а картинку можно клеить на двусторонний скотч уже к нему.

Здесь же видно и супер-лайфхак для снижения времени портаменто при изменении частоты вниз. Моторчик от CD-привода не умеет тормозить. Поэтому портаменто вниз становится настолько неприлично длинным, что это уже прямо глиссандо какое-то. Поэтому был добавлен тормоз из сложенной бумажки.

Ставим электронику на CD-привод

Последний штрих. Электроника просто ставится в CD-привод. Если что, в любой момент можно вытащить.

Электрические соединения

• MIDI-in — P0;
• SPIN — A4;
• OSC — P2;
• Микросервопривод — P13.
• Питание CD-привода — Vin

Код

Код доступен на github.com

Демонстрация

Мы, как всегда, записали про этот проект видео. Послушать, как этот синтезатор звучит можно с 10:36.

Как можно улучшить?

С огибающими из сервопривода получилось забавно, но всё-таки лучше было бы для этой цели обойтись без механики. Атака слишком длинная. Острую атаку можно было бы получить, если использовать вместо светодиода подсветки лампу накаливания и ШИМ.

Эпилог

В общем, если интересно поиграть на Look Modular, приходите 4 июня на Synthposium. Я в 16:30 буду его показывать. Принесу много бумаги, ножницы, двусторонний скотч, журналы и фломастеры. Поэкспериментируем вместе.

UPD

Вот и прошёл Синтпозиум. Спасибо организаторам и участникам, было очень интересно.
Спасибо всем, кто экспериментировал со звуком из картинок вместе со мной. Я не ожидал такого тёплого приёма. По результатам экспериментов, лучше всего звучит вот этот пресет:


Видео из инстаграма с мероприятия