小巧而优雅的电路设计

简介：介绍了由 David Levi 的博客中他制作的一款小巧优雅的电子琴。他巧妙的利用了电阻网络形成了指数电压电路，进而产生了准确的音节频率。这样的设计给与我们更多有趣的电路设计技巧。很可惜在其博客中并没有找到完整的电路设计图纸。
关键词： 模拟电子琴，555，音节

01 MicroSynth

一、背景介绍

也许一个只有一个八度范围小型电子琴使用普通单片机可以方便的完成，但这款全模拟音乐合成器则使得对音乐、电子以及信号原理的学习更能够充满乐趣。这一点是弥足珍贵的（They are also expensive !）

1、关于MicroSynth

David Levi希望更多的人了解、只在这款迷你音乐合成器：MicroSynth，简单、有趣、内容丰富，它仅仅有一个名片大小。

▲ 图1.1 名片大小的MicroSynth PCB 板

（1）设计特点

David设计的MicroSynth 使用了触摸按键，替代了机械按钮。巧妙使用运放（OP-AMP）设计的振荡器可以自动产生按照指数分布的音节频率；这要比利用555定时器与双极性三极管电路更加简洁；

因此MicroSynth的技术特点为：

没有机械按钮
没有任何数字芯片；
没有555定时器芯片
无需使用匹配的双极性三极管。

虽然使用双层PCB板制作，但所有的线圈均可在顶层铺设；底层只作为公共底线。它使用了4个运放，四个的N-MOS三极管，一个无源扬声器。

▲ 图1.2 小巧的MicroSynth正面元器件布局

最初 David 设计MicroSynth就是作为他的特色明信片，把玩它使得David获得很多乐趣。一天他认为MicroSynth 应该拥有它作为发明物的应有的权利，被更多人看到它那灵妙的身姿。

2、关于David

MicroSynth 的作者David是 MicroKits 品牌的发明人和拥有者，MicroKits 是最初是提供 特雷门琴（Theremin）[1] 简单设计与实现方案的项目。作者开始制作这类音乐合成电子作品，当然他现在还不打算将其工程化。随着制作更大的音乐电路，他使用MicroSynth测试一些想法，顺便也作为他本人的名片。

二、技术细节

1、触摸按键

MicroSynth 上的按键不是机械按钮，而是触摸电阻按键。当手指触碰按钮时，电机两端就会有微量电流通过手指表面流过，足以打开晶体管开关。就像普通计算机上的薄膜开关的原理一样，只是这里你的手指充当了按钮导通薄膜。

2、指数电压

音乐各个音节频率是呈现指数分布，每增加一个八度频率增加一倍。在MicroSynth电路设计中，各个按键对应电阻参数则是按照线性增加。电路板上的压控振荡器（VCO）的输出频率正比于输入电压。例如，设计一个输出10、20、30、40Hz 等间隔频率信号的电路比较容易，但设计一个呈现信号耐压指数增加电路，比如10、20、40、80Hz则需要丰富的电路技巧。

大多数音乐合成电路使用双极性三极管的指数变化增益将输入线性电压转换成指数变化电压，但这需要有精确匹配电阻、温度补偿以及电路精细调整才行。如果不把众多琐碎因素考虑进去，则产生的音节不是太集中，就是分散。

使用555 定时器电路产生音节则需要利用RC充放电时间呈现指数变化才能够输出指数变化的音节频率。555定时器不仅比普通运放昂贵，它所工作的电压也比运放高。

作者巧妙设计了一款仅需要两个运放电路，可以将线性增加的电阻转换成指数变化的电压输出，来控制一个VCO。本质上讲，这个电路输出电压是电阻的多项式函数，但在一个八度音程范围内它已经非常逼近指数变化函数了。