Seit Anfang diesen Jahres baue ich an meinen eigenen Synthesizer auf Basis eines ATxmega128A1 Mikrocontrollers und analogen Filterbeistein SSM2044. Wenn Ihr Lust und Zeit habt, dann schaut doch mal ins Forum des ComputerClub 2 vorbei. Die Betreiber sind alte Bekannte vom ehemaligen WDR-ComputerClub.
Bild 1: AVR-Synthesizer “WAVE 1”
Features in the AVR-Synthi “WAVE 1”:
2 Audiochanal 12 Bit
2 Oscillators per chanal
3 LFO’s per chanal
1 Filter per chanal
Noisegenerator
Graphic display with Touch Panal
Midi-In
Ich bin wieder fleißig am Synthi am werkeln. Die SSM2044 Filter haben mich etwas aufgehalten. Sie sind an den Steuereingängen etwas empfindlicher als die CEM3320 und so musste ich die Ansteuerung etwas abändern. Im Bild 1 ist der aktuelle Schaltplan zu sehen.
Für die Ansteuerung der Filter Ein- und Ausgänge benutze ich die etwas rauschärmeren TL074 Operationsverstärker. Die TL084 sind im Rauschverhalten nicht so gut wie die TL074, eignen sich aber durch ihre hohe Slewrate (16V/µs) besser für die PWM-Filtersteuerung.
Bild 1: Schaltplan AVR-Synthi
Um den zweiten DAC-Kanal (DACB) auf dem XMEGA Xplained Board zu nutzen, ist eine kleine Änderung auf dem Xplained Board notwendig. Der DAC-Kanal (DACB) wird leider nicht nach außen auf eine Kontaktleiste geführt, sonder geht direkt über einen Kondensator (C403) an den internen Audioverstärker. Das Problem habe ich mit einer kleinen Drahtbrücke von Kondensator C403 an den Pin PA3 von Kontaktleiste J2 gelöst.
Danke Es sind noch viele Dinge geplant wzB Midi-Out, SD-Card. Dank des großen Speichers (8MB SDRAM) auf dem Xplained Board sind später auch Wavetables möglich.
Was mich selber an meinem Synthi-Projekt so erstaunt, das die 12Bit Soundausgabe dank der analogen Filterbausteine SSM2044 gar nicht mal so schlecht klingt.
Für die Leute, die später an einem Nachbau interessiert sind: Die Filterbausteine SSM2044 kann man auch in größeren Stückzahlen im Online-Shop von www.darisusgmbh.de bestellen.
Um ganz ehrlich zu sein: mich würde der - gemessen am allgemeinen Funktionsumfang des Synths - exorbitant hohe Preis des Display von 70+€ abschrecken. Hast Du über günstigere Alternativen (DOGXL oder so) nachgedacht?
Ich wollte keine “Tausend” Potis und Schalter verwenden. Aus diesem Grund habe ich ein “intelligentes” Display mit Touchpanal verwendet. Der Einsatz eines DOG-Display mit Touchpanal wäre mit einer höhere Prozessorlast verbunden und das ginge dann auf Kosten der Soundqualität und Soundeffekte. Alternativ ist später vielleicht ein schickes LCD- oder OLED-Display geplant. Kann man sich auch selber gestalten wie man möchte. Ich werde die Software später veröffentlichen. Der größte Teil der Software ist in C geschrieben, nur der Soundteil in Assembler.
Ich habe jetzt das Bedienschema fuer das Touch Panal Display fertig gestellt. Die Systemeinstellungen fuer den Synthesizer werden ueber mehrere Menue-Seiten aufgerufen und koennen dort veraendert und abgespeichert werden. Das Aufrufen der einzelnen Menue-Seiten erfolgt ueber die Tabreiter (siehe Youtube-Video).
Bild 1: Touch Panal Menue AVR-Synthi
Youtube Video
Im Moment sind die Menue-Seiten noch leer. Ich werde mir jetzt Gedanken darueber machen muessen, wie ich die Synthesizer-Funktionen in den Menue-Seiten sinnvoll gestalte.
Habe Heute das Menü für den Audio-Filter im Synthesizer entwickelt (siehe Bild). Die Fader sind groß genug und lassen sich auch leicht mit einem Finger bedienen. Leichter und feinfühliger gehts natürlich auch mit einem Tabstift. Ich benutze zum Beispiel einen alten Kugelschreiber mit einer Kunststoffspitze. Funktioniert damit prima und hat nix gekostet.
Bild: VCF1-Menü auf dem Touch Panel des AVR-Synthis
Gruß Rolf
Nachtrag: Durch die Anregung von Imp und Wolfgang aus dem CC2-Forum (alias Wiesolator), habe ich mich dazu entschieden, für die Parameter-Eingaben zusätzlich einen Drehencoder mit Rast- und Tasterfunktion zu verwenden. Damit werden die Parametereingaben noch leichter und komfortabler.
Es ist ein schöner sonniger Montag in Wuppertal und das hebt mal wieder die Laune und den Tatendrang in mir und für mein Projekt. Wie man auf den Bilder erkennen kann, arbeite ich gerade an den Menüfunktionen des AVR-Synthis. In der Tabreiterauswahl ist das “Main”-Menü hinzugekommen (Bild 1). Es vereinfacht die Navigation zu den vielen Menü-Seiten.
Bild 1: Main-Menü
Ferner gibt es auf jeder Menüseite einen sogenannten “Home”-Button (Bild 2: Kreis mit Kreuz Symbol unten Rechts), mit dem man schnell wieder ins Main-Menü gelangt. Die geänderten Parameter werden vor dem Schließen der Menüseite automatisch im EEPROM des ATxmegas abgespeichert.
Bild 2: DCO1-Menü
Im DCO1-Menü gibt es zur Zeit die Auswahl der Wellenformen und die Möglichkeit, mit dem “Detune”-Fader die Frequenz des Oszilators1 zu Oszilator2 ein wenig nach oben zu verstimmen um Schwebungseffekte zu erzeugen. Eine Frage stellt sich jetzt noch in Bezug auf die max. Höhe der Detune-Werte. Da tappe ich als “Anti-Musikus” etwas im Dunklen. Um einen Schwebungseffekt zu erzielen, reicht ja schon eine minimale Frequenzabweichung von weniger als 0,01 Hz. Meine Frage ist nun, wie groß dieser Wert maximal sein sollte. In einem Youtube-Video habe ich das ganze mal veranschaulicht (siehe Video-Link). Die Grundfrequenz beider Oszilatoren liegt bei 200Hz.
Youtube-Video: Detune-Funktion im AVR-Synthi
Am Ende des Videos demonstriere ich die Filterfunktion mit den neuen SSM2044 Filterbausteinen.
Ich habe Probleme mit Phasen-Jitter in meinem Synthi-Projekt. Der Phasen-Jitter entsteht, wenn der Wert des Phasenaccus mit dem Wert für die Schrittweite nicht gerade teilbar ist. In meinem Fall beträgt der Jitterwert max 25µsec = 40KHz und das ist genau die Sample-Frequenz für die Tonausgabe (siehe Bild 1+2). Wenn ich für die Schrittweite eine Wert nehme, mit dem der Phasenaccu (24Bit) gerade teilbar ist, sind keine Störungen warnehmbar und auf dem Oszilloskop ist eine saubere Saw-Wellenform zu sehen (Bild 3+4).
Phasenaccu 24Bit
Schrittweite 24Bit
Samplerate 25usec (40KHz)
Gemessen am LP-Filterausgang
Bild 1: SAW-Wellenform ca. 2031Hz mit Phasen-Jitter (max. 25usec / Div. 100µsec)
Bild 2: SAW-Wellenform ca. 2031Hz mit Phasen-Jitter (max. 25usec / Div. 2msec)
Bild 3: Saw-Wellenform ca. 2038Hz ohne Phasen-Jitter (Div. 100µsec)
Bild 4: Saw-Wellenform ca. 2038Hz ohne Phasen-Jitter (Div. 2msec)
Das Problem lässt sich nach meiner Meinung nur durch ein Zurücksetzen des Phasenaccus auf 0 beheben, wenn die Wellenform neu beginnt . Dadurch wird der Phasenaccu mit der Wellenformerzeugung synchronisiert und es ensteht kein Jitter mehr. Allerdings ist dann keine genau Frequenzeinstellung mehr möglich. Versuche mit Erhöhung der Bitbreite des Phasenaccus waren nicht erfolgreich. Der Phasen-Jitter reduzierte sich dadurch nicht..
Zum Detune: für eine Schwebung reichen 50 cents eigentlich aus, bei mehr wirds schräg. Ich würde aber zusätzlich eine gröbere Verstimmung ermöglichen, zb. in Halbtonschritten.
Zum Jitter: Hört man das? Und wenn ja, ist es unangenehm? Wenn es nur eine rein technische Imperfektion ist, würde ich es ignorieren.
Die Zwischentöne, die der Phasen-Jitter verursacht, kann man sehr deutlich ab einer Frequenz von 1KHz warnehmen. Hier ein Soundbeispiel mit einer SAW-Wellenform. Start 100Hz, Ende 5000Hz:
In Bezug auf die Detune-Funktion werde ich im DCO-Menü einen Auswahl-Button “Low-Detune” und “High-Detune” für die Einstellung mit dem Bargraph integrieren.
Ich habe hier einmal den relevanten Programmteil der für die Erzeugung der Sinus und Saw-Wellenform verantwortlich ist dargestellt. Die gesammte Sound-Routine (hier nicht abgebildet) wird in einem Timer-Interrupt alle 25µsec im Main-Programm (C-Code) aufgerufen.
Wellenformspeicher für Sinus (4096 Werte 12Bit)
12Bit DAC-Wandlung im Xmega-Prozessor 1MHz-Wandlerate
Hat leider nicht funktioniert. Der Phasen-Jitter bleibt unverändert.
Aber vielleicht mach ich was falsch ???
Meinen Programmcode habe ich wegen der Ãœbersicht etwas vereinfacht. Die
markierte Zeile “ANDI phakku1,0b11111110” soll das Phasen-Jitter
eliminieren indem sie das LSB im Low-Byte der Tabellenadresse löscht.
Leider ohne Erfolg. Ich habe es auch mit kleineren Werten versucht, aber
ohne Erfolg. Es ändert sich nur die Auflösung des Samples. Der Phasen-Jitter von ± 25µsec bleibt bestehen (siehe Pics).
// **************************************************************
// ATMEL Studio 6 Inline Assembler-Routine
// Soudausgabe auf DACA Chanal 0
// TimeR1 Interruptroutine: alle 25usec = 40.0 KHz Samplerate
//
// (Laufzeit: ?,??? µsec = ??? Takte bei 32MHz)
//
//
// (c) 06.10.2012 Version 1.0
// **************************************************************
#include "avr/io.h"
.extern sound_out // Name der Assembler-Funktion
.global TCC1_OVF_vect // Timer1 Interrupt-Vektor
//---------------------------------------------------------------
// Benutzte Prozessor-Register (Definition als Namen)
//---------------------------------------------------------------
dcoout0 = 16 ; R16 DCO-Out Byte 0
dcoout1 = 17 ; R17 Byte 1
phakku0 = 18 ; R18 Phasen-Akku Byte 0
phakku1 = 19 ; R19 Byte 1
phakku2 = 20 ; R20 Byte 2
delta0 = 21 ; R21 Phasen-Delta Byte 0
delta1 = 22 ; R22 Byte 1
delta2 = 23 ; R23 Byte 2
//---------------------------------------------------------------
// Prozessor-Register inkl. Status-Register sichern
// Interrupt-Routine Timer1-Overflow (40.000Hz)
//---------------------------------------------------------------
TCC1_OVF_vect:
PUSH R0 ; 2 R0 auf Stack schieben
IN R0, SREG ; 1 Status-Register über bereits gesichertes
PUSH R0 ; 2 R0 auf Stack schieben
PUSH R1 ; 2 R1 auf Stack schieben
PUSH R16 ; 2 R16 auf Stack schieben
PUSH R17 ; 2 R17 auf Stack schieben
PUSH R18 ; 2 R18 auf Stack schieben
PUSH R19 ; 2 R19 auf Stack schieben
PUSH R20 ; 2 R20 auf Stack schieben
PUSH R21 ; 2 R21 auf Stack schieben
PUSH R22 ; 2 R22 auf Stack schieben
PUSH R23 ; 2 R23 auf Stack schieben
PUSH R30 ; 2 R30 auf Stack schieben (ZL)
PUSH R31 ; 2 R31 auf Stack schieben (ZH)
//===============================================================
// SUBTRAKTIVE KLANGSYSYNTHESE
//===============================================================
SubSynthese:
//---------------------------------------------------------------
// DCO-1
// * 24-Bit Akku-Breite
// * 24-Bit Phasen-Delta (2,384185mHz/Unit)
// * 12-Bit Sample
//---------------------------------------------------------------
// Phasen-Akku 1 incrementieren
// ----------------------------
LDS delta0, schrittweite1+0 ; 2 Phasen-Delta aus SRAM laden
LDS delta1, schrittweite1+1 ; 2
LDS delta2, schrittweite1+2 ; 2
LDS phakku0, phaccu1+0 ; 2 Phasen-Akku aus SRAM laden
LDS phakku1, phaccu1+1 ; 2
LDS phakku2, phaccu1+2 ; 2
ADD phakku0, delta0 ; 1 Phasen-Akku + Phasen-Delta
ADC phakku1, delta1 ; 1
ADC phakku2, delta2 ; 1
STS phaccu1+0, phakku0 ; 2 Phasen-Akku in SRAM zurückschreiben
STS phaccu1+1, phakku1 ; 2
STS phaccu1+2, phakku2 ; 2
// Die oberen 12Bit des Phasen-Akkus extrahieren
// ---------------------------------------------
ANDI phakku1, 0xF0 ; 1 Lower Nibble in Byte 0 abnullen
LSR phakku2 ; 1 Division durch 8 (16-Bit)
ROR phakku1 ; 1
LSR phakku2 ; 1
ROR phakku1 ; 1
LSR phakku2 ; 1
ROR phakku1 ; 1
// SAW-Sample über aktive Phase aus Wavetable laden
// -------------------------------------------------
LDI R30, 0xFC ; 1 Basis-Adresse Saw-Tabelle (Low-Byte)
LDI R31, 0x03 ; 1 (High-Byte)
// ********************************************************************************
ANDI phakku1,0b11111110 ; Phasen-Jitter eliminieren
// ********************************************************************************
ADD R30, phakku1 ; 1 Phasen-Pointer addieren
ADC R31, phakku2 ; 1
LPM dcoout0, Z+ ; 3 Sample aus Wavetable laden (12-Bit)
LPM dcoout1, Z ; 3
// --------------------------------------------------------------
// Ausgabe am DAC-Converter (DACA Chanal 0)
// --------------------------------------------------------------
STS 0x0318, dcoout0 ; 2 L-Byte to DAC-Register (CH0DATAL Adr. 0x0318)
STS 0x0319, dcoout1 ; 2 H-Byte to DAC Register (CH0DATAH Adr. 0x0319)
// --------------------------------------------------------------
// Prozessor-Register inkl. Status-Register wiederherstellen
// --------------------------------------------------------------
POP R31 ; 2 R31 von Stack wiederherstellen (ZH)
POP R30 ; 2 R30 von Stack wiederherstellen (ZL)
POP R23 ; 2 R23 von Stack wiederherstellen
POP R22 ; 2 R22 von Stack wiederherstellen
POP R21 ; 2 R21 von Stack wiederherstellen
POP R20 ; 2 R20 von Stack wiederherstellen
POP R19 ; 2 R19 von Stack wiederherstellen
POP R18 ; 2 R18 von Stack wiederherstellen
POP R17 ; 2 R17 von Stack wiederherstellen
POP R16 ; 2 R16 von Stack wiederherstellen
POP R1 ; 2 R1 von Stack wiederherstellen
POP R0 ; 2 Status-Register über R0 wieder
OUT SREG, R0 ; 1 herstellen
POP R0 ; 2 R0 von Stack wiederherstellen
RETI ; 4 Return Interrupt und I-Flag quittieren
// --------------------------------------------------------------
.end
//
Mein Fazit: Das Jitter von 25µsec (Taktzyklus für den Zähler des
Phasenaccus) werde ich prinzipiell nicht los. Beim Sinus ist das auch
kein großes Problem. Dieser wird sauber und störungsfrei wiedergegeben .
Aber für die anderen Wellenformen wzB. Sägezahn, Puls oder Rechteck ist
die Softwaregenerierte DDS-Synthese bei einer Taktrate von 25µsec nicht
zu gebrauchen.
Es sind noch viele Dinge geplant wzB Midi-Out, SD-Card. Dank des großen Speichers (8MB SDRAM) auf dem Xplained Board sind später auch Wavetables möglich.