Nuzz

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「Nutube自作エフェクターコンテスト」第二弾に向けて製作したエフェクターです。読み方は「ニャズ」で、一応肉球のような筐体デザインとなっています。

第一回コンテストでアイデアが出尽くしているのでどのような回路にするか悩みましたが、誰もやっていなさそうなグリッド接地回路を採用することにしました。Nutubeでのグリッド接地回路では、入力をフィラメントに加えるしかありません。フィラメントは過大入力により焼き切れてしまうため、必ずクリッピングが必要です。そういうわけでハードクリップした音を使うファズを作ろうと考えました。

▽回路図
02_245_2nuzzs.png
<Nutube周辺>
フィラメントへの入力はなぜか片方だけでは出力が低くなったので両方にしています。R9~R11は最も増幅率が高くなるように調節しました(R9は通常トリマーにする必要があると思います)。それでもNutube部分では5倍程度の増幅率なので歪ませるのは無理で、ただ通すだけという形になってしまいました。フィラメントの電圧は実測0.9V~1.2V程度と低いですが問題ないようです。いろいろと実験していたので、寿命が縮んだり動作がおかしくなっている部分があったりするかもしれません。オペアンプは念のため出力電流に余裕があるNJM4556Aを使用しました。

<クリッピング>
ファズはあまり作ったことがなく、ファズっぽい音というのは何なのかイマイチわかりません。Fuzz Face Analysisというページを見てみると、Fuzz Faceはかなり非対称に偏った歪みで、デューティ比が極端な矩形波となっています。おそらく偶数次倍音が多く出ているでしょう。これを踏まえ、クリッピングは片側をショットキーダイオード1個にするという極端なものとしました。半波整流にすることも検討しましたが、あまり使いやすいといえる音ではないと思います。デューティ比が極端な矩形波については、オペアンプを使って実現させるのは難しく、再現に至りませんでした。

▽レイアウト
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HAMMOND1590Aサイズに詰め込みました。Nutubeはスカスカのスポンジで挟み込んでいます。スイッチング時のマイクロフォニックノイズはNuverdrive+より少なめでした。

周波数特性については、低域はカットせず高域をかなりカットするような形です。ZOOM MS-50Gに入っているTB MK1.5(おそらくトーンベンダー)と比較すると似たニュアンスの音でしたので、それなりにファズっぽさというものを出すことができていると思います。

タグ : 自作エフェクター レイアウト 回路図 歪み 波形・倍音 

True Bypass Relay Module

02_244_1TBRMp.png
秋月電子にある特価ラッチリレーEA2-5TNAGを利用したトゥルーバイパスモジュールです。以前解析したmonomonster Relay Bypass Moduleの代わりとして考えました。マイコンを使った方が小型で長押し等に応用が効くという利点があるのですが、プログラミングが必要なのはややハードルが高いかと思います。別な方法を検索してみるとロジックIC(4069)を使ったものを見つけたので、そのまま利用することにしました。
参考ページ→Using a latching relay driver for true bypass

▽回路図
02_244_2TBRMs.png
秋月電子では在庫限りの部品が多いのでご注意ください。おそらくC8(10μF)はなしでも大丈夫だと思います。

基板データはGitHubに公開しています。当初ラッチリレーのピン配置の表裏が逆というミスがあったので、公開しているデータはエラー修正済のRev.B基板です。エラー修正前のRev.A基板をお持ちの方は必ずREADME.txtの内容をご確認下さい。HAMMOND1590Bの場合は基板を立てて入れられないので、次に基板発注することがあればもう少し横長に修正するかもしれません。

スイッチングノイズをオシロスコープで確認しました。
02_244_3TBRMn.png
一般的な黒い3PDTスイッチと比較すると高い音のノイズですが、音量は同程度のようです。スイッチ交換がしやすい以外の利点がないように思われますが、BOSS筐体に使うような場合には最適ではないかと思います。

タグ : 回路図 自作エフェクター 

Tremolec

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東京エフェクター「第6回エフェクタービルダーズ・コンテスト」に向けて製作した、トレモロを周波数帯域別にかけるというエフェクターです。全てデジタル信号処理でやる方が楽だと思いますが、製作時は知識が足りずアナログ回路+マイコン制御の練習として取り組みました。タップテンポ付きで、LFO周期に合わせて左側のLEDが点滅します。名前の由来は、トレモロとイコライザ(Tremolo + EQ)を合わせたものです。

筐体は少し変わった形にしたかったので、タカチのHEN110312Sというケースです。上下側が放熱用の形状なので、DCジャックの穴を開けるのが大変でした。ラベルデザインはKiCadでやってみましたが、フォントを取り込むのは面倒なので標準フォントをそのまま使っています。

▽回路図
02_243_2tremolecs.png
一般的なグラフィックイコライザ回路の可変抵抗部分をフォトカプラLCR0202で置き換えたものとなります。DAコンバータMCP4922から出力される電圧によりフォトカプラのLEDの明るさを制御し、抵抗値を変えるという仕組みです。LFO周期の半分で増幅側のフォトカプラだけを動かし、もう半分で減衰側を動かすという動作となっています。電圧変化が直線的だと音量変化がスムーズでなかったため、独自にデータを取って電圧変化を指数カーブに修正しました。また、フォトカプラの特性はバラつきがあるので、増幅と減衰の幅が同じくらいになるようマッチングしました。

AVRマイコンATmega328Pは内部クロック8MHzで動作させています。ポットやスイッチの読取(ADコンバータ)、LFO(DAコンバータ制御)、タップテンポといった機能を担っています。

▽レイアウトについて(KiCadデータはGitHubへ)
隙間が多いので表面実装でなくてもよかったかもしれません。一応アナログGNDとデジタルGNDを分けるようにしました。デジタルのノイズは測定限界以下で問題ないようです。C7、C9は何も入れておらず、後からコンデンサの値を調節できるように設けた部分になります。

▽Arduinoスケッチ
#include <SPI.h>

// ピン設定 実際は高速処理するため該当レジスタを直接変更
const byte swPin = 2; // タップスイッチ
const byte ledPin = 3; // PD3 周期表示用LED
const byte SS1 = 10; // PB2 MCP4922 Low
const byte SS2 = 9; // PB1 MCP4922 Mid
const byte SS3 = 8; // PB0 MCP4922 Treble
const byte LDAC = 7; // PD7 MCP4922 電圧出力作動ピン

// LFO1周期を500分割 0.002周期経過するごとに電圧値を変更する
volatile int pwmCount = 0; // LFO用カウンタ 0〜499
volatile int waveCount = 0; // 波形用カウンタ 0~125

volatile unsigned long timeCount = 0; // タップ時間取得用カウンタ
unsigned long tapTime = 0; // タップ間隔時間 us
unsigned long timeTemp = 0; // タップ間隔時間一時保存用
unsigned long swCount = 0; // タップスイッチ用カウンタ

byte adcNum = 0; // ADC番号(配列の添字)Bass0 Mid1 Tre2 Wave3 Div4 Rate5
const byte adcPinArray[6] = {16, 17, 18, 19, 14, 15}; // ADCピン設定
unsigned int oldAdcValue[6] = {2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005}; // 旧ADC値
unsigned int newAdcValue[6] = {1110, 1111, 1112, 1113, 1114, 1115}; // 新ADC値

unsigned int dacArray[626]; // 電圧値配列 626段階 セットアップ時計算
unsigned long dacDepth[3] = {0, 1, 2}; // 電圧値配列添字部分の倍率
volatile unsigned int dacValueA[3] = {4001, 4002, 4003}; // 出力電圧値 増幅側
volatile unsigned int dacValueB[3] = {4011, 4012, 4013}; // 出力電圧値 減衰側
byte waveAmp = 1; // 三角波→矩形波変換 増幅率
const byte SQ = 12; // 上記増幅率設定値
byte tapDiv = 1; // タップ時間分割値
//const float rateAdj = 1.000; // 周期補正 実測して設定→不要

const unsigned int ledOnTime = 40000; // 周期表示LED点灯時間設定値 us
unsigned int ledOffCount = 250; // 上記LEDが消灯するカウンタ値

void setup() {
TIMSK0 = 0; // Timer0割り込み停止 安定動作のため割り込みはTimer1のみ

// 電圧値の配列を計算 指数カーブ
for (int i = 0; i <= 625; i++) {
dacArray[i] = 4141 - 46 * exp(0.0072 * i);
}

pinMode(swPin, INPUT_PULLUP);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(SS1, OUTPUT);
pinMode(SS2, OUTPUT);
pinMode(SS3, OUTPUT);
pinMode(LDAC, OUTPUT);

SPI.begin();
SPI.beginTransaction(SPISettings(8000000, MSBFIRST, SPI_MODE0)); // SPI 8MHz

// Timer1 電圧値変更間隔時間管理・タップ時間計測
TCCR1A = 0b00000000; // Timer1 CTCモード
TCCR1B = 0b00001010; // Timer1 CTCモード クロック8分周
OCR1A = 100; // Timer1 比較Aの値 = 割り込み間隔 us
TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // Timer1 比較A割り込み許可
}

// LFO(Timer1 比較A割り込み)-----------------------------------------------------
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
timeCount++; // タップ時間取得用カウンタ
PORTD &= ~_BV(7); // LDAC LOW (最初に電圧出力)
PORTD |= _BV(7); // LDAC HIGH
if (pwmCount == 500) pwmCount = 0; // 0〜499 ループ
if (pwmCount <= 125) { // 三角波 増幅側上昇
waveCount = waveAmp * pwmCount; // 三角波を増幅後、
waveCount = min(waveCount, 125); // クリップし矩形波とする
dacA(waveCount);
} else if (pwmCount <= 250) { // 三角波 増幅側下降
waveCount = waveAmp * (250 - pwmCount);
waveCount = min(waveCount, 125);
dacA(waveCount);
} else if (pwmCount <= 375) { // 三角波 減衰側上昇
waveCount = waveAmp * (pwmCount - 250);
waveCount = min(waveCount, 125);
dacB(waveCount);
} else { // 三角波 減衰側下降
waveCount = waveAmp * (500 - pwmCount);
waveCount = min(waveCount, 125);
dacB(waveCount);
}
if (pwmCount == 125) PORTD |= _BV(3); // 周期表示LED点灯
if (pwmCount == ledOffCount) PORTD &= ~_BV(3); // 消灯
pwmCount++;
}

void loop() {
// タップテンポ -----------------------------------------------------------------
if (digitalRead(swPin) == LOW) {
swCount++;
if (swCount == 50) { // チャタリング対策 数msスイッチ押下で検出
// 前回スイッチ検出から経過した時間を記録
tapTime = timeTemp + timeCount * OCR1A + TCNT1;
TCNT1 = 0; // 経過時間をリセット
timeTemp = 0;
timeCount = 0;
pwmCount = 124; // 増幅最大の点にリセット
if ( 200000 < tapTime && tapTime < 2100000) { // 周期制限 0.2秒~2.1秒
// タップ間隔を電圧値変更間隔時間へ換算(Divスイッチ加味)
OCR1A = tapTime * 0.002 / tapDiv;
// どの周期でも周期表示LEDの点灯時間が同程度になるよう計算
ledOffCount = 125 + ledOnTime / OCR1A;
}
}
}
else swCount = 0;

// ADC --------------------------------------------------------------------------
adcNum++;
if (adcNum == 6) adcNum = 0; // 0〜5 ループ
newAdcValue[adcNum] = analogRead(adcPinArray[adcNum]); // 読取値が4以上変化で変更
if (abs(newAdcValue[adcNum] - oldAdcValue[adcNum]) >= 4) {
if (adcNum <= 2) { // Depth 0〜640 160までは急な変化
if (newAdcValue[adcNum] < 100) dacDepth[adcNum] = 1.6 * newAdcValue[adcNum];
else dacDepth[adcNum] = 0.5201 * newAdcValue[adcNum] + 108;
} else if (adcNum == 3) { // Wave 1 or SQ 矩形波変換増幅率
if (newAdcValue[adcNum] < 500) waveAmp = 1;
else waveAmp = SQ;
} else if (adcNum == 4) { // Div 1〜3 タップ時間分割値
tapDiv = 0.0029 * newAdcValue[adcNum] + 1;
} else if (adcNum == 5) { // Rate 4004〜133 電圧値変更間隔時間
// Rate変更前から経過した時間を記録
timeTemp = timeTemp + timeCount * OCR1A + TCNT1;
TCNT1 = 0; // 経過時間をリセット
timeCount = 0;
// Rate計算 指数カーブ
OCR1A = 73 * exp(0.0039 * (1023 - newAdcValue[adcNum])) + 60;
// どの周期でも周期表示LEDの点灯時間が同程度になるよう計算
ledOffCount = 125 + ledOnTime / OCR1A;
}
oldAdcValue[adcNum] = newAdcValue[adcNum];
}
}

// 電圧値設定 A:増幅側 B:減衰側--------------------------------------------------
void dacA(int w) { // w:waveCount 波形用カウンタ
// w(0〜125)にDepth(0〜640)をかけ128で割ったものが電圧値配列の添字(0〜625)
dacValueA[0] = dacArray[(dacDepth[0] * w) >> 7];
dacValueA[1] = dacArray[(dacDepth[1] * w) >> 7];
dacValueA[2] = dacArray[(dacDepth[2] * w) >> 7];
PORTB &= ~_BV(2); // SS1(PB2) LOW
SPI.transfer((dacValueA[0] >> 8) | 0x30); // 0x30=0b00110000 A出力 バッファなし
SPI.transfer(dacValueA[0] & 0xff); // ゲイン1倍 シャットダウンなし
PORTB |= _BV(2); // SS1(PB2) HIGH
PORTB &= ~_BV(1); // SS2(PB1)
SPI.transfer((dacValueA[1] >> 8) | 0x30);
SPI.transfer(dacValueA[1] & 0xff);
PORTB |= _BV(1);
PORTB &= ~_BV(0); // SS3(PB0)
SPI.transfer((dacValueA[2] >> 8) | 0x30);
SPI.transfer(dacValueA[2] & 0xff);
PORTB |= _BV(0);
}

void dacB(int w) {
dacValueB[0] = dacArray[(dacDepth[0] * w) >> 7];
dacValueB[1] = dacArray[(dacDepth[1] * w) >> 7];
dacValueB[2] = dacArray[(dacDepth[2] * w) >> 7];
PORTB &= ~_BV(2);
SPI.transfer((dacValueB[0] >> 8) | 0xb0); // 0xb0=0b10110000 B出力
SPI.transfer(dacValueB[0] & 0xff);
PORTB |= _BV(2);
PORTB &= ~_BV(1);
SPI.transfer((dacValueB[1] >> 8) | 0xb0);
SPI.transfer(dacValueB[1] & 0xff);
PORTB |= _BV(1);
PORTB &= ~_BV(0);
SPI.transfer((dacValueB[2] >> 8) | 0xb0);
SPI.transfer(dacValueB[2] & 0xff);
PORTB |= _BV(0);
}
過去記事(→ATtiny85 タップテンポ付LFO その2)と同じようなスケッチで、割り込み時の処理がDAコンバータ制御に変わっています。MCP4922の使い方は下記ページを参考にしました。高速処理するため、今回はレジスタを直接変更しています。
きむ茶工房ガレージハウス - DAコンバータ MCP4922(SPI)を利用しD/A変換を行う

音については今までにない効果だと思うので、どう評価されるかわかりません。TREBLEのみ揺らす、MIDのみ揺らさない等、いろんなパターンを試せるので、誰でもきっと「お気に入りのトレモロ」が見つけられるんじゃないかと思います。



以下、採用にならなかった案をメモしておきます。

<他のイコライザ回路>
下記ページのような3バンドイコライザ回路があります。DJミキサーに使われているらしいです。
Equalisers, The Various Types And How They Work - 9 - Frequency 'Isolators'
シミュレーションしてみたのですが、減衰時の特性がいまいち気に入りませんでした。

<デジタルポテンショメータ(以下DPOT)>
フォトカプラの部分にDPOTを使うことを最初検討していました。しかし普通のDPOTは分解能が8ビットなので、1/256ずつ飛び飛びに値を動かすことになり、ノイズが発生してしまうことになります。常にDPOTを動かし続ける今回の用途には向いていないと判断しました。

<フォトカプラのPWM制御>
フォトカプラのLED側をPWMで制御しようと思い、PWM出力が6つ使えるマイコンATmega1284Pを準備しました。しかしPWMが一部8ビットなので、256段階でしか抵抗値を調節できず、スムーズに増幅・減衰の変化をさせることができませんでした。後から考えると、高性能な32ビットマイコンを使えばよかったかもしれません。

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Srempy

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デジタルエフェクターというとディスプレイをつけたくなるもので、ポットなしでスイッチのみを使って操作するというエフェクターを製作しました。精度よく角穴加工するのはかなり大変なので、Tabby's工房さんにお願いしました。

▽ディスプレイ・スイッチ基板レイアウト
03s_242_2srempyL.png
いつものようにチャタリング防止を行っています。OLEDディスプレイ基板用押ボタンスイッチは秋月電子で購入しました。

DSP基板はOwm Pedalと同じものを使用しています。下写真のように合体させます。
03s_242_3srempyi.jpg

ディスプレイの詳細は前回記事をご覧ください。スイッチ操作は割り込みではなくメインループで処理しています(GitHubはこちら)。エフェクトオフ時にはスイッチの反応が速くなりますが、実用上問題ないので特に対処していません。▲▼スイッチ長押しでフラッシュメモリにパラメータ保存できます。下記ページの内容を使わせていただきました。
sora lab - STM + HAL Flashの書き込み・読み込み

エフェクトプログラムはもちろん変え放題ですが、今回私が考えたものを紹介したいと思います。※信号処理は旧処理方法(TxRxCpltCallback関数利用なし、16ビット)のままです。



アナログ回路でのフィルタ設計は複雑になる場合が多く、コンデンサの容量値も限られています。また、リアルタイムに動かすとなると可変抵抗やフォトカプラを使うぐらいしか選択肢がありません。デジタル信号処理でのフィルタについては計算方法が確立しているため、専門知識がなくとも設計可能で、任意の定数を動かすこともできます。計算式は下記ページのものを利用させていただきました。
C++でVST作り - 簡単なデジタルフィルタの実装

フェイザーはノッチフィルタがかかったような周波数特性で、谷となる周波数が動いています(参考ページ→MXR Phase 90 Analysis)。今回はこの特性をピーキングフィルタを使って再現、発展させたエフェクトを考えました。フェイザーとワウを合わせたような効果で、5つのモード(STD、SOFT、INV、HIGH、LOW)があります。名前の由来は3つ(Three)のピーキングフィルタ(Peaking Filter)です。

<STD・SOFTモード>
03s_242_4srempyF1.png
SOFTモードでは、単純に谷となるフィルタを2つかけています。谷と谷の間は減衰し、スッキリとした感じとなります。STD(スタンダード)モードは、Phase 90の特性に近づけています。うねり感を得るためには、2つの谷の間に山が必要なようです。ちなみに2つの谷の間隔が広いとユニヴァイブのコーラスモードっぽい音になります。谷となる周波数の揺れ幅や高低は、出音への影響は少なかったです。

<INV・HIGH・LOWモード>
03s_242_5srempyF2.png
フィルタを谷ではなく山にした場合、山が1つだとオートワウのようになります。山を2つにすると、クセは強いもののフェイザーっぽいシュワシュワ感が現れます。INV(インバース)モードでは、2つの山の間にさらに谷を追加しています。HIGH/LOWモードは谷と山を混ぜており、通常のフェイザーの高音域/低音域が強調された感じとなります。

<計算高速化>
BiQuadフィルタの係数は三角関数の計算が入っていて、そのままでは処理に時間がかかり過ぎると思われます。そのため表計算ソフトで近似式を算出するなどして対応しています。それでも実際のCPU使用率は70%程度となってしまいましたので、計算高速化についてはもう少し検討していく予定です。

タグ : 自作エフェクター 周波数特性 マイコン フェイザー 

Owm Pedal ソフトウェア編

自作デジタルエフェクター「Owm Pedal」の各設定、内部プログラミングをしていきます。
Owm Pedal ハードウェア編はこちら
内部データ、STM32CubeMX用iocファイルはGitHub



<ピン、クロック設定>
・ST-LINK接続
STM32CubeMX設定:System Core→SYS→Debug [Serial Wire]

上写真右上に見える2つのジャンパを外し、NucleoボードのST-LINK部分のみ使用します。SWDピンをそのままの順番でOwmボードへ接続できます。今回は外部から電源供給するため、3.3Vピンは接続しません。

・クロック源として外部水晶振動子を使用
STM32CubeMX設定:System Core→RCC→High Speed Clock (HSE) [Crystal/Ceramic Resonator]

▽クロック設定図

I2Sクロックは、オーディオサンプリングレート48kHzに対する誤差が少なくなるような設定としました(48×2048=98304)。

▽全ピン設定図

PC2はデバッグ時オシロスコープを接続する場合に利用しています。

<スイッチ>
割り込みではなくメインループで処理しています。今までAVRマイコンでやっていたカウントを増やす方式なので、長押しにも対応できます。

<ADC>
設定方法は過去記事(→NucleoボードのADCを使う)と同じで、チャンネル数が増えるだけです。ポットの値の取得は低速で構わないため、Sampling Time : 144 Cycles としています。

<I2S>
設定方法は過去記事(→NucleoボードとオーディオコーデックICとの通信)と同じですが、I2Cは不使用です。信号処理を優先するため、DMAのPriorityは[Very High]に、他の割り込みの優先度は下記の通り変更しました。
STM32CubeMX設定:System Core→NVIC→
 Time base: System tick timer→Preemption Priority [10]
 DMA2 stream0 global interrupt→Preemption Priority [5]

今回は受信したデータを信号処理後に送信することになります。I2Sの受信バッファに半分データがたまると「HAL_I2SEx_TxRxHalfCpltCallback」という関数(以下Half関数)が呼び出されます。しかしデータが全て溜まったときの「HAL_I2SEx_TxRxCpltCallback」は呼び出されないバグがあるようです。修正方法がわからない(あまり調べていません)ので、このままHalf関数のみで処理するようにしました。Half関数は送信と受信で2回起こってしまうので、送信側(DMA1 Stream4)の割り込みは無効化しています。

※処理方法を変更しました。→HAL_I2SEx_TransmitReceive_DMA使用時の割り込み修正(2019年3月25日追記)

下図はブロックサイズを32(ステレオなのでバッファ配列の要素数は64)で処理する場合のものです。配列の1グループは16...31, 0...15の順番となります。
03s_238_4owmI2S.png
最初の割り込みでグループAを一旦全て信号処理配列へ移し、次の割り込みで信号処理後のグループA(A')を送信バッファに送ります。このときA'[16]は送信されずA'[17]から送信されてしまいます。そこで処理後データA'を送信バッファへ代入するとき、1サンプルずらしています。もっとスマートに解決する方法(FIFO?)がありそうですが、現状問題が起こっていないので追求していません。遅延時間(レイテンシ)実測値は、ブロックサイズ16で1.7ms、32で2.4ms程度でした。

通常のやり方は、最初の割り込みの時にグループAのデータを1つずつ信号処理と送信を行うというものだと思います。しかしその場合たまに波形が乱れることがあったので、今回は少し回りくどい方法を採用しています。遅延が余計に発生してしまいますが…


<I2Sエラー対処>
たまにI2S通信がうまくいかないことがありましたが、フレームエラーというのが起こっていました。マスター(オーディオコーデックV4220M)がクロック送信する前にスレーブ側(マイコン)のI2S設定をする方がいいようです。デバッグ時は先にV4220Mが起動しているためかエラーが起こりやすく、エラー時はソフトリセットで対応するようにしました。本来はI2Sのみのリセットで済むかもしれませんが、DMAを使っているため全リセットするのが確実でしょう。電源を入れなおした際はV4220Mが後から起動するため、エラーはほぼ発生しません。とはいえオーディオコーデックのリセットピンはマイコンと繋げておくべきだったと思います。

<エフェクト処理>
main.cとmain.hのユーザーコード部分を編集する以外に、2つのファイル(fx.c、overdrive.c)を追加しています。詳細はコード内のコメントをご参照ください。エフェクトはとりあえずオーバードライブで、操作はフットスイッチ(バイパス)、左上ポット(LEVEL)、右上ポット(GAIN)、中央LEDのみ使っています。

overdrive.cでフィルタを使っていますが、過去のデータ(x1、y1)を利用するため、static修飾子を付けて前の計算結果を残したままにしておく必要があります。その結果、フィルタの数だけ関数を準備しておく状態となっています。今後複雑なエフェクトに対応するために、C++言語を使う必要性が出てきそうです。

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