とにもかくにも、アナログシンセを作ってみたいという気持ちだけで製作を開始することにしました。
回路製作の前に、電源を用意しなければ、動作しません。いろいろと考えてみたのですが、手持ちのアナログシンセなどと混在して使用できるように、±15ｖの電源を用意することにしました。
手持ちの電源はスイッチングレギュレータで、5ｖ、±12ｖの標準的なもの。相当長い間使用しているものですが、今回は、使用できません。5ｖだけは、実験用として使用するつもりです。
電流容量は1Ａぐらい、±15ｖが出ればいい。そのぐらいのつもりで、パーツを集めに秋葉原へ出撃。トランス、ダイオード・ブリッジ、平滑用電解コンデンサ、三端子レギュレータ、それからヒューズなどが必要な部品です。
トランスは、1Ａ（500mA + 500mA）となると、やはり、かなり大きく重いです。とりあえず、±17ｖ1Ａのものを入手したのですが、重すぎます。冷静に考えると15ｖ1Ａは15ｗ。パワーアンプじゃあるまいし、こんな容量は不要です。ということで、今回のトランスは実験回路用。実機では、きちんと消費電力を測定して、もっと、小さいものにしたいと思いました。
次に難関が電解コンデンサ。計算上は4700μＦ程度欲しいし、耐圧も大きいほうがいいだろうと、50ｖのものを探したのですが、結局、見つかったのは耐圧35ｖ。しかも、高価でした。友人によれば、容量が小さければジャンクで見つかるとの事。やはり、実機では容量下げ、2200μＦ程度ですむものにしたい。
整流用のダイオード・ブリッジは、いろいろ、手に入りやすいのですが、ここは、スタンダード品でW02。他に実機用としてDIP形状のものも入手。
レギュレータは7815と7915。これだと、簡単に電圧が出ます。ただ、ばらつきが多いので電圧がきちんと出るか、ちょっと心配。一応、何個かまとめて入手しました。結局、電圧調整のできるものを使ったほうが良いのかも知れません。そのときは、回路もまじめに検討しないとならないです。また、一応、放熱板も同時に購入。絶縁マイカとコッキング用のシリコンは買い忘れ。
安全のためにヒューズ・ホルダーとヒューズ・ボックス。残りの細かい部品は手持ちで何とかなりそうです。一応確認すると、保護用のダイオードが欠品していました。
何しろACが入るので、危険。きちんとケースに入れなければならないのですが、トランスやコンデンサなど部品の大きさが決まらないとケースも決まりません。今回集めたものは、重く、大きいのでケースもそれなりに必要です。ちょっと、ため息が出ます。
組み立てに入る前に、もう一度、秋葉原へ行き、ケースなど購入せねば。というところで、現在はペンディングです。
本格的な電源は、さておき、とりあえずの実験用に、スイッチングACアダプタを利用した電源を考えていました。
秋月電子で15ｖ0.8Ａのアダプタを二個購入。これをスタックして±15ｖの電源にするわけです。小さい基板を用意してその上で配線。正極側は15ｖとＧｎｄをそのまま利用。負極側は、正極側のＧｎｄに15ｖを結線。負極側のＧｎｄを-15ｖとして使用。
ちょっとテストした段階では、±15.1ｖが出ています。きちんと負荷を繋がないといけないのですが、とりあえずは動作するようです。
一応基板上で配線し、ピンヘッダーを立てました。ブレッドボードに差し込めるように先端に１ピンのヘッダーをつけたケーブルをここに接続して実験用としています。
最終的には専用のコネクタを決めないと不自由です。2.54ピッチの基板に直接させるものとして、「モレックス」の４ピンのコネクタ（5045-04A,5251-04）を使用するつもりです。プラグ／ソケット、それとソケットの中に入れるピンを合わせると一組で１００円ほど。意外に値が張ります。
使用上の注意を一点。電源投入時は±15Vを同時に行う必要があります。このため、二つのACアダプタを同じテーブルタップに差しておいてから、このテーブルタップをコンセントに差し込むようにしましょう。
作りたいのはアナログ・モジュール・シンセ。モジュールを沢山用意して、今まで難しかったパッチを作ったり、頭の中だけにあった変ったモジュールなども楽しみたい。
ここで問題になるのは、大きさ。基板はそこそこ小さく作れるけれど、操作パネルが大きい。RolandのSystem100mを３ラックで使っているけれど、とっても邪魔です。でも、100mは操作つまみなど、小さくまとめてあるので小さい方。自作シンセがあの大きさかと思うと、ちょっとうんざりします。
操作パネルには、ボリューム、パッチホール、スイッチなどが並ぶので、結局、サイズは、これらの部品で決まってしまいます。安価に手に入るボリュームなどで作ると、やはり、大きなパネルになってしまうのが頭の痛いところ。かといって、小さなボリュームは値段も高い。
モジュールを２０個ぐらい入れてもＡ４程度のケースに入るといいんですが…。折りたたみ式とか、スライド式、あるいは、いっそ、トリマーをボリュームに使う？（使いにくそう）。現在、思案投げ首状態です。
基板の作成法も考えなければいけないポイントです。仕事ならば、試作機を相当のものまで手配線で作り、実機はラインで製作できますが、ホビーではそうもいきません。回路はそれほど複雑でないので手配線でも十分作れるのですが、メンテナンスや、後での部品差替を考えるとプリント基板を起こしたいところです。といって、自宅でエッチングすると廃液の処理が面倒。中和したとしても、そのあとの処理をどうするか、考えなければなりません。当面は手配線（実験はブレッドボード）ということになるのでしょうか。
本格的なモジュールシンセを作成する前に、とりあえず、使えるシンセを作って腕試しをしようかと思います。まずは、音が出ることが肝心。また、入手しやすい部品を使用した回路をお世話になっているtakedaさんのページから探し出して、そのまま、製作してみたいと考えています。
候補は、FarmVCO III rev.B ver2.0と、Dual TB-VCO。
前者はオペアンプを使用したものでモジュールとして完結しているもの。定電圧を作っているLM431（基準電圧IC - Shunt Regulator -）は手持ちがありません（TL431も可）。
後者はトランジスタを使用して簡単な回路が魅力だが、調整機能が省かれています。
どちらも、アンチ・ログ回路に温度補償抵抗を用いていて、この部品の手持ちがないのが難点です。
いま考えているのはMS-20 VCF Clone2。この回路は汎用部品で作られているので手持ちの部品でも製作できそうです。
同様に汎用部品からなる回路ということで、これが第一候補。
タイマーのICを使用した555EG rev.Bは回路が単純なので作りやすそうです。これは２回路を製作予定。
こちらも回路の単純さから選びました。こちらも２回路製作予定。
１チップCPUで…。ぐらいしか決めていません。PWMを使用してＣＶを作るのが一番簡単そうです。
手持ちの松下のCPUならばDAC内蔵で便利なのですが、一般的でないので…。
できればＤＩＰで、安価で、UARTは内蔵してほしい。PWMか12ビットDACぐらいはほしいところです。
筐体は１００円ショップで販売しているＡ４のケースに収められればベスト。電源は最初は「なんちゃって電源」で、消費電力を見てからトランスを使った電源を入れてみたい。
候補に上げた二つの回路ともに、コアになるのは「アンチ・ログ回路」と「発振回路」。発振回路の方は見た目やパーツは違うけれど本質的には同じ回路です。制御電圧（ＣＶ）からそれに応じた電流でコンデンサを充電（放電）。その電圧をコンパレータ（比較回路）でチェック、一定の電圧に達したら一気に放電（充電）。コンパレータ側の回路の放電（充電）時間は制御電圧（ＣＶ）に依存しないので、高域になるとここの時間のために音痴になります。
問題は「アンチ・ログ回路」で、トランジスタのコレクタ電流がベース・エミッタ電圧のexp()に比例するという現象を使用してＥＸＰ変換をしています。通常はあまり使用しない０ｖ付近を使用して変換するわけです。
このとき、実際はexp()の括弧の中に入るのは、Ｖbe/Ｔ。Ｖbeはベース・エミッタ電圧で、Ｔは絶対温度。要するに動作温度が大きく効いてしまいます。
これを避けるために一つはトランジスタを常時暖めて温度を一定にする方法。もう一つは、電圧そのものをＴに比例して大きくしてしまう方法があります。
暖める方法では複数のトランジスタを１チップにしたＩＣを使用して、チップ内のあまったトランジスタを利用してヒーターを構成します。このためには、後述のペアの問題のためのマッチングのとれたトランジスタを少なくとも一組持つＩＣが使われます。
takedaさんの回路で使われているのは電圧を動かす方法。トランジスタの入力の分圧抵抗の片方に温度補償抵抗（温感抵抗）を使用しています。正リニア温度補償抵抗というもので絶対温度に比例して抵抗値が大きくなるものです。
また、分圧抵抗の反対側に温度が上がると抵抗が下がる素子を使用すれば、同様の効果が得られます。この目的で使用される素子はサーミスタですが、これがリニアではないのでリニア補正回路が必要となります。
さらに、アンチ・ログ回路を構成するトランジスタは特性の揃ったものを使用するという条件があります。
入手の容易な部品を使いたいので、検討してみると、「こたつ」(by takeda）に使用するＩＣは入手先が限られています。温度補償抵抗も普通に秋葉原の部品屋さんでは買えないようです。比較的入手が容易なのはサーミスタ。これが第一候補です。
トランジスタ・ペアは、マッチング・トランジスタや、デュアル・トランジスタ（同じか）などが良いのでしょうが、特性の揃っているものを見つけても使用できそうです。価格など考えると、手持ちのトランジスタを測定して選別する方法をとりたいと思います。
サーミスタを使った簡単な温度補償回路を計算してみました。
次のような回路です。
Ra+(Rb//Rt)+Rc
ここでのRtがサーミスタ。分圧のRcを取り出します。このときの分圧比を0.185程度にするとOct/Vになるそうです（トランジスタのexp()の中の係数から？）
スクリプトに設置した頁では、Ra=47kΩ,Rb=22kΩ,Rc=1kΩとして、10kΩ3900Kのサーミスタを使用して計算しました（このページでは、値を変えて計算できるようになっています。計算は大雑把だったかも？）。この値はtakedaさんからリンクされているhoushuさんのページのVcoMos0212.GIFで使用されている値です。
手持ちのサーミスタとＢ係数が違うので、値をいろいろ変えて試しましたが、結局、同じ値がよいように思われます。
もう一つの難関が温度補償回路で使用するトランジスタのマッチングです。トランジスタの特性のexp()の外側に飽和電流が係数でかかり、これが温度依存性があるそうです。これをキャンセルするために特性の揃ったペアトランジスタを使うのだとか…。
このためにマッチングペアを含む複合したトランジスタを含む素子を使うのが通常だそうです。２個が１パッケージになっているデュアル・トランジスタや、マッチングペアを含むＩＣがそれです。手持ちではCA3086という石がありますが、ペア以外の回路がもったいなくて…
というわけで、これも、takedaさんにご紹介いただいたマッチングしたトランジスタを見つける方法をとることにしました。
由緒ある選別回路のtakedaさんバージョンをそのまま使わせていただき、試験用のトランジスタは３ピンのピンソケットに差し込むようにしました。デジタルメーター接続用のピン端子も立てておきました。
この方法だと誤ってトランジスタを飛ばす事故は減ると思いますが、takedaさんのページに紹介されているようなテープの上のトランジスタは計測できないのが弱点です。（手持ちのトランジスタは、テープものではないので、ま、いいかというところです。）
実際計測してみると、手で触っただけで電圧値がどんどん変わります。測定するときには、プラスティックの洗濯バサミ風のクランプでトランジスタを挟み、装着するようにしました。
この方法で、とりあえず、ＮＰＮのペアは見つかりました。
takedaさんの回路を一部変更して、ブレッドボードに組み上げ、動作確認をすることにしました。
とりあえず、組んでみたのですが、組み上げはあまり楽ではありませんでした。部品のレイアウトを考えたり、チェックしたり、結局、手配線と同じような手間でした。
どうせ小さい回路だからと、１列のブレッドボードに組み上げたのが敗因のようです。部品が立て込んで、手軽に部品交換をして実験するというメリットが失われてしまいました。また、作業して初めてわかったのですが、いつも使っている安物のＩＣソケットが組み込めません。どうやら丸ピンのソケットでないと駄目なようです。
というわけで、ソケットを入手し、今度は広々としたブレッドボードに組み直すつもりです。
丸ピンソケットを入手し、ＶＣＯをブレッドボードに組みなおしました。今度は広々とゆったり組んだつもりです。
トランジスタとサーミスタは生き別れの状態に組んでしまったので、温度関係の確認はできません。それでも、発振しているようで、デジタルテスタを周波数カウンタにして調べると順調に発振しているようです。音程調整用のトリマを回すと発振周波数も変化します。シンクロでの確認は後回し。
ブレッドボードに組む作業で気がついたことがいくつかありました。
第一点。広々と組むと配線材を多く使います。付属の配線材の特に短いものは足りませんでした。ブレッドボードの機能の範囲内で組むよりも、普通のジャンパー線と併用したほうが良かったかもしれません。
第二点。細いリード線の部品は接触が良くない。今回の部品の中では、トリマーとサーミスタの足が細かったのですが、具合が悪かったです。「あれ、発振していない」。…チョイチョイ、ツンツン…。「お、動いたじゃん」といった風。リード線にチョン付けして挿せば良いのですが、「ソルダーレス」の看板が廃る。
回路自体は、ほぼ、takedaさんの回路そのままなので、当然ながら、一発で動作しました。ボリュームやセレクタなどの外付け部品を仮製作、調整レンジの確認などを行った後、手配線でボードを組む予定です。
シンクロを取り出し、波形を観測しました。結構高い周波数（10kHz）でもきれいな鋸波と矩形波が出ています。
肝心の安定性ですが、デジタルメータで測定したところ、４桁目が多少変動するぐらい。想像以上の安定性です。これが、オペアンプにつけるパスコンを外すと３桁目から２桁目の変動となってしまいました。パスコンは偉大です。
ブレッドボード上では、トランジスタ、サーミスタの熱結合をしていないのですが、周波数は安定しています。試しにトランジスタやサーミスタに手で触れると1%前後周波数が変化しました。熱結合の効果は実機での確認待ちということになります。
使用したサーミスタはムラタの「NTH4G39A103E02」。10kΩ、B定数3900k。抵抗誤差は3%。B定数の誤差は1%。定格電力は20-30mWぐらい。現在は廃品で同様の代品があります。たまたま目に付いたので入手したものです（秋葉の鈴商で1本50円ぐらい。在庫は相当ありそうです）。
抵抗誤差1%のもの（たとえば石塚電子「103AT-2」--秋葉のフルタカ・パーツセンター[平日のみ営業]で、1本95円。在庫有りでした。後日入手）があれば、そちらの方が良いのですが、実際に計算してみるとこのぐらいの誤差（3%）はあまり効いてこないようです。部品があまりに小さいので念のため消費電力を計算すると最悪でも、400uWぐらい。これなら余裕です。
トリマーの調整範囲などを確認するためにオクターブ・セレクタを作成し、接続しました。手持ちのセレクタは７段切り替えのものです。
まず、シャントレギュレータの出力が５Ｖになるように５００オームのトリマを調整。実際はセンターでドンピシャ。
イニシャル・チューンを適当に回すと、結構、広い範囲で周波数が変わります。これも、とりあえず、センター。どちらにしてもチューンが別にあるので、気にしなければ、このトリマーの値で十分でしょう。
もし、チューンのセンターが０を指すようにするならば、ちょっと力不足。調整範囲が広すぎて微妙な調整が難しいです。トリマーに直列に抵抗を入れて範囲を狭める必要がありそうです。ま、今回はこれでいいか…と。
オクターブの調整は、オクターブを切り替えながら、デジタルメータで周波数確認。５オクターブぐらいならば1％未満で調整できました。デジタルメータの精度の都合で、これ以上細かくは調整不可。本番は音を鳴らして基準音とビートを確認すればよいと思います。
Hituneは、センターでとりあえずオッケー。ちょっと試した範囲では、調整範囲のどこかにスイートスポットがあるようです。ここは、あまり追求せず、良しとします。
takedaさんの回路への変更ポイントは、温度補償抵抗による分圧部分をサーミスタによる分圧に変更した点。これはプリントアウトしたtakedaさんの回路図に鉛筆で書き入れ。
トランジスタとサーミスタの熱結合も、とりあえず、やってみようということで、トランジスタ２個を向かい合わせに接着。さらに、その横にサーミスタも接着。自家製８ピンデバイスになりました(写真右)。写真の左に見える赤い粒がサーミスタの頭。
組み立ての前にレイアウトをしたのですが、なかなか、大変でした。基板サイズを秋月の一番小さい基盤（15×25ホール）のものにしたことと、入出力信号をコネクタに立ち上げたことなどで、基板に収めるのが難しかったです。
よく作成するデジタル回路の場合は、ラッピング線を使用して適当に配置した部品をパッパと結合して出来上がりなんですが、今回は、普通にメッキ線（や、リード線）でつないでいくアナログ手配風にしたことも、レイアウトが難しかった一因でしょう。
組み立ても、細かい。やはり、小さい基盤に詰め込むと手配線はうっとおしいです。エッチングで基板を起こしたほうが楽ですね。やはり。
それでも、なんとか、組み上げ作業は終わりました。
ここで、一呼吸置いてから、配線の検査の予定です。
組み上げに際しての留意点。
外部入力の二つのCVにつながる100kΩ、セレクタがつながるオペアンプの出力の100kΩ。これら三つの抵抗は選定して値を揃える。
コンパレータの基準電圧の抵抗は金属皮膜抵抗を使う(カーボンが指定されていました)。具体的にはTL082の5ピンにあって、GNDと+15Vを分圧する抵抗です。値そのものの誤差よりも、温度依存性の問題です。
発振の際に充放電されるコンデンサ（tl082の1pinにつながる2.2nF）は、温度特性の良いものを使いたい。コンデンサの値そのものはバラついても良いのですが、温度での変動は、そのまま、発振周波数の変動につながります。今回は、ラジオセンターを流していたときに目に付いたスチロール・コンデンサを使いました。
パスコンの設置。
二種類のコンデンサを使用します。
これは、もっと容量の大きいもの（47μF）の方が良いかもしれません。電源コネクタの近くに実装します。
二つのオペアンプに２個ずつ、都合、４個配置します。こちらは出来るだけオペアンプの近くに実装します。
金属皮膜抵抗が実勢価格（100本）で１本３円。カーボンが１本１円。金属皮膜抵抗の値段はカーボンの３倍ですが、他の部品に比べて絶対金額が小さいので、全部、金属皮膜でも良いかもしれません。
配線を目視で確認し、電源（±15V）とGndのショートがないことを確認。ソケットにIC（オペアンプ）を入れて電源投入。なんとなく、動いているようです。
シャントレギュレータの出力電圧はＯＫ（5v)。のこぎり波も出力しているようです。とりあえず、セレクタを繋いでみてオクターブの調整を行ってみると、これも、うまくいったようです。
その他の機能を確認するために外付け部品を組み上げるのですが、裸でボリュームを転がしておくと、やはり、なんとなく、収まりが悪いです。パネルを作って仮止めしないと、不安定になりそう。とりあえず、何か板を探して実装してみようと思っています。本格的な検査は、仮パネル作成後に行うことにしました。
仮パネルをアクリル板で作成し、そこへ、セレクタとボリューム、ミニジャックを取り付け配線、コネクタにつないで仮操作パネルとしました。
適当な位置でオクターブを調整後、セレクタとtuneボリュームをセンターにした状態で基板上のトリマで440Hzが出るようにします。このとき、CVに2.75Vを与えるのですが、これは、ローランドのMPU101のtune機能を使用しました。
どうやら、問題なく動作しているようです。
熱結合（接着）したトランジスタとサーミスタの本当の効果は検証していないのですが、熱結合していないブレッドボード版では手を近づけるだけで音程がどんどん変わったのに、今回はそれがありません。どうやら、それなりに働いているようです。
仮実装した上での問題点が数点。
リファレンス電圧が5Vなので、６段階の切り替えが妥当ですが、手持ちの部品は７段階。1段あまってしまいました。これは、６段階のセレクタに部品を変更するか、あるいは、リファレンス電圧を6Vにするか、対策が必要です。
ミニジャックは、スイッチ機能つきなので、これを利用しています。CVはジャックオフでGnd。PWMは5Vを供給するようになっています。
ところが、安物のせいか、プラグのチップが最初に接触後、ジャックがオフされます。つまり、チップとスイッチの両端の三つが差し込み時に一時的にショート状態となります。特にPWMはジャックオフで5Vなので、プラグの先端がグランドだったとき、気持ち悪い。保護用の抵抗が必要な気がします。
パワード・スピーカーへ繋いで音を出して聞きました。とても素直な音です。どちらかといえば地味な感じの音。PWMもノブを回した感じではうまく働いているようです。VCOのみなので、鳴りっ放しなのが悲しいですが、きちんと演奏もできるようです。音程も予想を超えて安定しています。MS-50の2ndVCOとしても十分に使用できそうです。
Tuningつまみも、調整レンジがちょうど１オクターブぐらいで、セレクタと合わせると自由に調整できます。さすがに、takedaさんが練りこんだ（抵抗）値でした。
後日談となりますが、石塚電子のサーミスタ(103AT-2)も入手しました。こちらは1本95円。今回使った村田のサーミスタの倍の値段です。スペック上はこちらの方が良いはずで、一度試してみたいと思っています。
セレクタは２連６段切り替えのものを入手。時間を見て、こちらに置き換えようと考えています。
鳴りっ放しのVCOだけでは寂しいので、エンベロープをつけたい。このためには、EGとVCAを製作する必要があります。まずは、EGを製作したい。
またまた、takedaさんの回路を利用させていただこうと思います。555EG rev.Bを作ろうと思うのですが、takedaさんのページの最後のEGは、この回路よりも入力段がすっきりしています。Ver.4。おそらく、元々の回路のGate信号が負極性だったのでトランジスタで反転したのが前者の回路。実際は反転の反転となっているので、これをすっきりさせたのが後者の回路のようです。部品点数も減っているのでこちらがよさそうですが、Envelopeの反転出力が省略されています。ということで、後者の回路を基本に、前者の回路の出力段のオペアンプをつけて、反転出力もできるようにしたいと考えています。
別のところで、ＥＧをPIC12F615で製作したところ、なかなか、快調。これは、ＭＳ－５０用に作ったので、これをこちらの製作に転用しようかと考えています。大きな変節です。
