Главная Записи → Как собрать свой первый музыкальный синтезатор
Декабрь 2021

Как собрать свой первый музыкальный синтезатор

Лучшее хобби для длинных зимних вечеров в которое может вкатиться каждый.

Это обзорная статья поможет наметить направление новичкам, которые не знают как подступитсья к теме. Я сам был таким и помню, как вначале тонул в разрозненной информации. Статья впервые опубликована на Хабре 17 декабря 2021. Здесь её дополненная и исправленная копия.

Жизнь в 2021 не стала легче. Ледники всё ещё тают, границы закрыты, биткоин дорожает, а просмотров у любого челленджа в Тиктоке больше чем у всех видео с канала NASA вместе взятых. Что делать технарю, чтобы почувствовать себя уютнее в постоянно меняющемся мире где в новостях пишут что Земля снова плоская, а коллеги у кулера всерьёз обсуждают программирование микроконтроллеров на JavaScript?

Выход есть: зимой пора сделать то о чём вы давно мечтали, но не знали с какой стороны подступиться — собрать свой первый синтезатор. Я собрал 16 штук и сейчас расскажу с чего можно начать.

Зачем мне вообще таким заниматься?!

Во-первых, это может превратиться в клёвое хобби. Теория синтеза звука в целом и преобразование звуковых волн в частности вообще очень глубокая тема в которую можно нырнуть на годы и которая тесно связана с математикой.

Любой может купить Korg Volca и крутить на нём ручки, но пойди разберись как именно каждая влияет на форму волны и почему.

1 Понимаю, звучит шокирующе.

Кроме того, у этого хобби так много разных граней, что оно привлекает совершенно разных специалистов от квадратных учёных, которые пишут матаппарат для DSP чтобы разговаривать с китами до круглых музыкантов которые при помощи синтезаторов делают музыку1. Наверняка в таком широком спектре вы легко найдёте сообщество единомышленников, или просто заведёте интересные знакомства.

Во-вторых, вы гарантированно узнаете что-то новое. И речь не просто об отличиях VCO от VCA. У меня был неплохой опыт с электроникой, но тут меня окунули головой в полистирольные конденсаторы и двуполярное питание. Где ещё такое встретишь?

Analog synths 101
Эту картинку видел, наверное, каждый, кто хоть раз пытался подойти к теме. (Ray Wilson, musicfromouterspace.com )

2 В том числе проприетарных.

В-третьих, большинство синтезаторов2 дружелюбны к модификациям. Даже собирая что-то по инструкции у вас есть шанс случайно сделать уникальный синт, который будет только у вас. А история знает множество примеров того, как ошибки в схемотехнике или неправильные, а то и просто бракованные, компоненты становились основой звука который в будущем назовут легендарным.

В конце-концов, есть circuit bending — набор почти хаотичных техник, которые позволяют вносить изменения в существующие печатные платы которые способны сильно изменить звук устройства.

Speak-n-Spell
Любая издающая звуки детская игрушка — потенциальная жертва circuit bending’a

В-четвёртых, вы можете делать это просто чтобы сэкономить деньги. Сюрприз: open-source синтезатор в виде кита с доставкой из-за рубежа будет стоить в 2-3 раза дороже, чем если вы сами купите все компоненты и спаяете его на коленке.

На любом синтезаторе много клёвых ручек и мигающих лампочек. Давайте не будем себя обманывать — это, очевидно, главная причина чтобы его собрать.

Единственный вопрос на который нужно ответить прежде чем начать: Умеете ли вы паять?

Я не умею паять и презираю паяльник

Такое случается. К счастью, даже в этом случае есть возможность сделать что-то самостоятельно. Из-за того, что среди музыкантов очень много адептов DIY-культуры, этим активно пользуются крупные производители оборудования.

Например, Korg NTS-1 — монофонический синтезатор, который стоит сравнительно недорого не смотря на то, что базируется на довольно мощном чипе, использующем движок из более дорогой модели «настоящего» синтезатора — Korg Minilogue.

Низкая цена обусловлена тем, что вам самостоятельно придётся его собрать.

Паять ничего не нужно, речь лишь об отвёрточной сборке. Кроме того, компания сэкономила на материалах: корпусные детали — обычные PCB, которые приходят даже не разделёнными на части, и логистике — ни тебе блоков питания, ни громоздкой упаковки.

NTS-1
Korg NTS-1 ждёт когда его запустят.

Похожим образом они уже выпускали переиздание легендарного Korg MS-20, который в собранном виде занял бы половину вашего стола, а разобранным приходит в коробке ноутбучного размера. Собрать его едва ли сложнее, чем табурет из Икеи.

Похожие проекты с отвёрточной сборкой есть у Moog: Werkstatt-01, у Meeblip: SE, Gakken: SX-150 и много у кого ещё.

Werkstatt-01
Moog Werkstatt-01 — «полумодульный» синтезатор.

Если вам кажется, что даже Lego собрать сложнее, чем закрутить несколько винтов отвёрткой, то вы правы. Сборка таких синтезаторов вряд ли займёт хотя бы час, и на полноценное хобби потянет вряд ли.

Другое дело синтезатор на макетной плате. В интернете можно найти достаточно дизайнов примитивных синтезаторов для запуска которых нужно минимум компонентов, а соединять их вместе припоем не обязательно — можно всё смонтировать на макетке.

Rad Fi
Система Rad-Fi от bleeplabs.com

Для этого неплохо подойдут синтезаторы на популярной микросхеме-счётчике 555. Их очень много, а способов дорабатывать дизайн и модифицировать звук ещё больше. При этом даже такие, казалось бы примитивные, проекты позволяют довольно глубоко погрузиться в тему аналогового синтеза, операционных усилителей и фильтров.

Вряд ли у вас получится сделать что-то прорывное или сложное при помощи одной лишь макетки, но как точка входа в тему самодельных синтов макетка неплоха. И никакой вам вонючей канифоли и горячих паяльников за которые непонятно с какой стороны браться.

Я презираю паяльник, но очень люблю программировать

Не смотря на то, что это подмножество прошлой категории, я выделил его в самостоятельный раздел лишь из-за размера. Здесь мы вступаем на необычную территорию, но не упомянуть о ней я не могу. Речь не просто о софте для лайвкодингa по которому и так написано много статей и снято ещё больше видео. И даже не о нодовых системах в которых можно спроектировать не только полноценный синтезатор, но даже уникальный осциллятор, а то и вовсе DSP.

Вместо всего этого хочу привести в пример хардварные платформы для которых вы можете написать прошивки и приложения, которые будут исполняться на готовом, специализированном железе, а не на вашем ноутбуке.

Их преимущество в том что паять и собирать ничего не нужно, а железо абстрагировано от кода специальной библиотекой, или целым набором софтовых компонентов.

В общем, для создания собственного уникального синтезатора, лупера или эффекта не придётся изучать верилог, ассемблер и разбираться как работать с прерываниями, а потом ещё вооружившись осциллографом делать debounce для кнопок.

Norns Shield
Monome Norns shield. Kit-версия из магазина Monome.

Norns is many of things написано на сайте Monome. Как по мне лучшее определение для этого устройства — музыкальный компьютер. Это полностью открытая и хорошо документированная платформа построенная на базе Raspberry Pi. Компания Monome разработала дополнительную плату для RPi на которой помимо 24 битного кодека с аудио входом-выходом есть 3 кнопки, 3 энкодера и потрясающий OLED экран.

Под капотом Linux, Supercollider, Softcut и куча дополнительных утилит и GUI, которые позволяют работать со всем этим как с цельным устройством. Под платформу написано уже много приложений разной степени странности. Среди них есть синтезаторы, трекеры, секвенсоры, эффекты, луперы и пр.

Дисплей низкого разрешения подталкивает к созданию странных интерфейсов по типу тех, что делала Teenage Engineering в эпоху OP-1, где вы управляли звуком при помощи желудка коровы или катали шары внутри вращающихся октагонов. Типичный представитель приложений — Icarus — дрон-синт где вы застряли между Морем и Солнцем.

3 Найти и купить компоненты. Возможно, заменив некоторые их них на аналоги.

4 Отличный подарок вашему домашнему программисту.

Устройство можно купить в готовом виде, или в качестве упрощённого кита для отвёрточной сборки, или посоурсить3 и спаять самостоятельно. На данном этапе Norns больше похож на игрушку для креативных программистов4, чем на полноценный инструмент, но потенциал у этого музыкального компьютера на мой взгляд огромный.

Из похожего: Zynthian, Axoloti

Kelpie
Kelpie — простенький, портативный синтезатор на базе Teensy

Долгое время для аудиоприложений электронщики-любители используют плату Teensy. Причины простые: она компактная, дешевая, для неё есть плата расширения с хорошим аудиокодеком и, главное: написана отличная библиотека для работы со звуком, которая позволяет использовать готовые осцилляторы, эффекты, микшеры, фильтры и другие важные элементы звукового синтеза.

Получается, что минимальный набор можно сделать почти без пайки, а если вам чего-то не хватает, то можно купить готовое аудиоустройство на базе Teensy и перепрограммировать его так, как вам захочется.

Серьёзно, вот серия видео ↑, где автор делает простейший синтезатор на Teensy с нуля подробно объясняя каждый свой шаг и решение. Именно этот плейлист в конце лета подтолкнул меня к более глубокому изучению того, что сейчас происходит на синтезаторной open-source сцене. Больше всего впечатлило, что автор начал с проектирования синтезатора в Pure Data, а потом уже реализовывал его в железе.

Daisy Seed
Daisy Patch — Eurorack модуль на основе платы Daisy Seed

5 Теперь не нужно собирать дурацкие сэндвичи из аудиоинтерфейсов.

Насмотревшись на то, как лихо используется в аудиоприложениях Teensy, ребята из Electrosmith решили сделать похожую плату но уже с чётким фокусом в аудиоустройства — Daisy Seed. Для этого они установили более интересный кодек прямо на плату5 и сделали несколько комплиментарных устройств для неё. От традиционной dev board, до гитарной педали.

Но главное: их библиотека позволяет с некоторыми ограничениями исполнять ваши патчи из Max/MSP и PureData прямо на устройстве. Такой патч можно залить, например, в Eurorack модуль с Daisy Seed у которого есть полноценный CV IN/OUT.

Если вы думаете, что всё это «ардуиноподобные приколы», которые могут быть интересны только кухонным самоделкиным, то скажу, что на этих платах уже существуют коммерчески-успешные девайсы. Например, нью-йоркская Noise Engineering делает на основе Daisy целую серию популярных модулей из линеек Versio и Iteritas.

Я не умею паять, но давно хотел научиться

Кажется, вы наш главный пациент. О прикладной стороне дела написано уже так много, что про паяльники и флюсы я тут упоминать не стану. Ещё во времена лохматых мамонтов я переводил и красил комикс об азах пайки — воспользуйтесь им если такой формат вам подходит.

APC kit
Классический набор Atari Punk Console

6 Bill Of Materials — список компонентов.

7 Например, два месяца. У нас тут кризис полупроводников, ну.

Однако, я подсвечу пару особенностей, которые могут показаться контринтуитивными. Например, если вы ни разу в жизни не покупали радиодетали самостоятельно, то начать с готового кита — безопасный и разумный выбор, который, скорее всего, приведёт к первой небольшой победе. Иначе заказ десятков совершенно разных компонентов по BOM6 может превратиться в многочасовую пытку, а когда вы в итоге увидите время исполнения заказа7, то вовсе передумаете учиться паять.

И ещё: бытует мнение, что начинать нужно с выводных компонентов. Это те, которые, вставляются в отверстия печатной платы, запаиваются, а их излишки потом откусываются. И пусть я не согласен с этим утверждением в полной мере, незнакомому человеку посоветовал бы именно дизайны с выводными компонентами ведь они наглядно учат главному: залог качественной пайки — хорошо прогретые поверхности. А поверхностей у выводных компонентов в избытке.

8bitcrush
Набор 8BITM8 — «педаль» bitcrush эффекта

8 Плата + компоненты + инструкция по сборке

Если не добавлять в требования полный, true open-source, то готовых китов8 в интернете очень много. Такие устройства можно найти на любой вкус: от классических шумелок на таймере 555 до хардварных синтезаторов из Commodore64 на чип-синтезаторе SID или Sega Mega Drive на микросхеме YM2612. Все они не сложные и, справедливости ради, нужно сказать, что вы вряд ли проведёте много времени «играя» на них. Однако, эти киты — отличный способ научиться паять ведь компонентов немного, они выводные, а в комплекте почти всегда есть инструкция.

9 Далеко не все из них синтезаторы.

Самый простой способ найти много интересных китов: заглянуть на tindie.com и отфильтровать проекты по тегу Sound. Вы получите примерно 800 проектов9 и как минимум 5-10% из них будут очень хороши.

Если вас интересуют в первую очередь аналоговые синтезаторы, то можно обратить внимание на олдскульные дизайны, которые работают на операционных усилителях. Раньше такие публиковали в журналах для радиолюбителей по всему миру.

Noise Toaster
Изнаночная сторона синтезатора Noise Toaster. Безумный, по меркам цифровой электроники, BOM, где чуть ли не каждый компонент со своим уникальным номиналом.

У таких дизайнов есть две особенности: Во-первых, нужно тщательно проверять BOM т.к. некоторые компоненты могут быть устаревшими и достать их будет сложно. Во-вторых, скорее всего вы не найдёте готовой разводки в интернете: только скан из журнала, который можно превратить в печатную плату воспользовавшись технологией лазерного утюга.

Кайф таких проектов в том, что они полностью аналоговые, hacker-friendly, часто совместимы с модульными синтезаторами, а к схемотехнике почти всегда приложено подробное описание принципа работы.

Wp-20 PCB
Синтезатор WP-20. Такую картинку можно превратить в печатную плату при помощи хлорного железа, утюга и терпения.

10 Operational Amplifier — операционный усилитель.

Главное место с которого можно смело начинать — это сайт Рэя Вилсона musicfromouterspace.com . Это такая мекка для всех интересующихся аналоговым синтезом и синтезаторами на опампах10. Масса готовых, богато описанных дизайнов на совершенно любой вкус и разной сложности. Начинать можно с Echo Rockit и Noise Toaster, и продвигаться дальше вплоть до Sound Lab Mini Synth mk2.

На сайте много отлично иллюстрированных статей для начинающих. Например, про особенности конденсаторов которые используются в синтах, или про то как читать аналоговые схемы. Рэй Вилсон совместно с Make даже выпустил книгу о проектировании аналоговых синтезаторов. Недавно её можно было за копейки купить через Humble Bundle.

Другие несложные open-source девайсы для начинающих: Le Strum, Yowler, Lunchbeat, DrumKid.

Я паяю как бог

11 Или с устаревшей разводкой. Многие проекты с выводными элементами так и тянет переразвести на планарные.

Для вас открыты вообще все двери. Если вы готовы к самостоятельному соурсингу, то это одновременно сильно сэкономит деньги и расширит спектр доступных проектов. А если вы умеете и хотите разводить печатные платы, то могу заверить что в свободном доступе столько проектов со схемотехникой, но без разводки11, что хватит на пару жизней.

Norns PCB
Самые мелкие компоненты, какие я встречал в open-source проектах — 0603, самый «сложный» корпус — QFN32. На фото плата Norns.

По моему опыту работа связанная с предварительным изучением проекта и закупкой компонентов занимает примерно 70-80% от всего потраченного на производство времени. Оставшиеся 20% это, непосредственно, процесс пайки/сборки устройства и его отладка.

Поэтому качественная документация очень важна. Я частенько натыкаюсь на проекты где нужно напялить на себя шляпу Шерлока Холмса, взять лупу Шерлока Холмса и потом с раскуренной трубкой Шерлока Холмса по крупицам разыскивать BOM, исходники прошивки, схемотехнику и разводку в репозиториях, форумах, личном блоге автора, чтобы просто понять это вообще чисто теоретически соберётся или нет.

Такие, плохо документированные проекты совсем непопулярны, но они есть и их много. Поэтому поговорим о тех, других, с качественной документацией.

Meeblip Triode
Meeblip Triode, как и многие подобные устройства, состоит из 2 этажей плат

Компания Meeblip неспешно выпускает синтезаторы уже больше 10 лет. Предлагаю обратить внимание на Triode — басовитый синтезатор с двумя осцилляторами, LFO и огибающей, который сделан на Atmega32, чья прошивка полностью открыта и написана на ассемблере.

Это несложный в сборке синтезатор с крупными SMD компонентами и достаточно интересным звуком, чтобы провалиться в него на многие часы. Главный секрет — крутите ручки так медленно, как только сможете, чтобы ничего не пропустить. Кстати, у этого синтезатора есть второй режим работы — FM. Как его активировать описано в пользовательской документации.

MI Clouds
Клон Mutable Instruments Clouds выполненный в виде DIY кита. Просто какое-то чудо, что большинство дизайнов MI до сих пор публикуются под CC-BY-SA

Если бы у меня спросили кто из ныне живущих сделал самый весомый вклад в open-source синтезаторы, я бы назвал французов из Mutable Instruments.

Они до сих пор делают open-source модули, которые имеют огромный успех и встречаются в каждом первом еврорэке. За свою десятилетнюю историю ребята накопили столько опыта, что теперь их приглашают делать «селебрити пресеты» для Arturia и Korg. Их знают буквально все, кто хоть чуть-чуть касался модульных синтов.

12 хоспади, там даже есть матрица модуляции!

Я же хочу показать вам standalone синтезаторы MI. А именно монофонический Shruthi и ни на что не похожий Ambika. Это синтезаторы на Atmega64 с совершенно взрослым набором функций12, поддержка которых закончилась ещё в 2015. Напишу лишь по строчке о каждом.

4 Pole Mission
Аналоговый фильтр 4-pole Mission для Shruthi-1. Полистирольные конденсаторы, опампы, которые не производятся уже 20 лет — полный набор для настоящего ценителя страданий.
Polivoks Filter
Аналоговый фильтр Поливокса для Shruthi-1. Меньше страданий и, как по мне, более интересный звук.

Shruthi — «гибридный» синтезатор где звук генерируется цифровой частью, но перед выходом пропускается через аналоговый фильтр, что придаёт ему характерный оттенок. Только лишь официальных фильтров существует 6 штук, среди которых есть даже советский Поливокс.

Ambika — построенный на базе Shruthi полифонический синт состоящий из 6 отдельных плат голосов. Фактически это 6 Shruthi объединённых между собой сложным софтом, который позволяет легко комбинировать эти голоса в любых соотношениях. Ambika может быть даже шестью монофоническими синтами одновременно. Почитайте о том как я собрал Амбику и остался жив.

Чё ещё за полифония?!

В полифонических синтезаторах «звучат» несколько одновременно зажатых клавиш. Кол-во одновременно звучащих клавиш определяется кол-вом «голосов» синтезатора. Полифония позволяет играть аккордами и делает звук не просто более богатым, но многослойным, добавляет ему ещё одно измерение.

В монофонических синтах звучит только одна клавиша, которую нажали последней.

Бывают ещё парафонические синтезаторы.

MI Ambika
MI Ambika. Хорошо видны 6 плат «голосов» (voice card).

MI делают эталонную документацию на open-source проекты. Их платы прекрасно разведены, в их БОМах ровно столько информации сколько необходимо, а их инструкции к синтезаторам хочется читать от корки до корки.

Norns
Плата Norns довольно простая, правда, компоненты на ней дорогие.

Про возможности Norns я уже рассказывал выше в разделе про платформы. С хардварной точки зрения это «звуковуха» с дисплеем и кнопками для Raspberry Pi 3, которая работает под управлением Linux. Проект хорошо документирован, но главное: у него лучшее коммьюнити какое я встречал. На форуме Lines или в Discord вам быстро помогут решить любую проблему с железом или софтом.

Не знаю есть ли смысл собирать Norns прямо сейчас, или лучше подождать: ходят слухи, что скоро эту плату переведут на новый кодек т.к. старый Cirrus Logic CS4270 — совершенно невозможно купить из-за кризиса полупроводников.

13 Я в итоге купил всё в Mouser.

Если решитесь, обратите внимание на тамошние кнопки и дисплей. Кнопки будет сложно найти в местных магазинах, а дисплей придётся купить оригинальный т.к. китайские копии не подойдут по размеру — компоновка платы очень тесная13.

PreenFM2
PreenFM2 c OLED дисплеем.

14 Вам придётся купить готовую плату.

Ещё один француз выросший из Shruthi, но не имеющий с ним почти ничего общего: полностью цифровой FM-синтезатор PreenFM2. Сейчас существует новая версия PreenFM3, но она уже проприетарная14, в то время как PreenFM2 полностью открыт.

Само устройство довольно простое. Используются одновременно выводные и SMD компоненты. Синтезатор, благодаря прошивке, напичкан фичами и умеет отдавать до 16 голосов полифонии. Есть арпеджиатор и секвенсор, а встроенная USB-флешка может хранить огромное число пресетов. Рекомендую сразу собирать его с OLED экраном.

Ссылки

В заключении хочу сказать, что всё связанное с этим хобби не так страшно, как выглядит на фотографиях.

Получится ли у вас что-то с первого раза? — Совершенно точно нет. Будет ли результат стоить потраченных усилий? — Однозначно да.

Я постарался показать вам направления с которых можно начать и подкинул ключевых слов которые можно скормить поисковику, предостерёг вас о типичных ошибках новичков, которые совершал сам. А напоследок ещё поделюсь интересными ссылками:

  • Music Tech DIY — раздел форума modwiggler.com с непрекращающимся обсуждением старых и новых дизайнов и модификаций.
  • Форум Mutable Instruments — кладезь информации по продуктам MI и их многочисленным форкам.
  • Synth DIY wiki — периодически обновляемая вики с обширным списком дизайнов.
  • Musicfromouterspace.com — хорошо иллюстрированная теория с отличными прикладными примерами. Если сомневаетесь откуда начать, то начните отсюда.
  • Look mum no computer — канал с почти абсурдными, по большей части музыкальными, проектами. Оторваться невозможно.
  • Moritz Klein — канал где автор объясняет теорию и схемотехнику так, что понятно даже мне.
  • Мой список из нескольких десятков open-source синтезаторов с демками и тегами.
  • Бракованные детали — канал в котором я страдаю пытаясь собрать 16 синтезаторов за 16 недель.
Сообщение об ошибке: