Tremolec
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
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);
}
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。
2ループスイッチャー＋絶縁型パワーサプライ
直列可2ループボックス+パワーサプライのスイッチが経年劣化のためか接触不良となっていました。もう一度配線をやり直す気にはなれなかったので、AVRマイコンを使ったスイッチャーとして生まれ変わらせました。当初はアナログスイッチICを使おうと思っていましたが、バッファーが必要で複雑になりすぎるようです。普通にメカニカルリレーを使うことにして、ついでにパワーサプライ部分はなんとなく絶縁型へと変更しました。
▽回路図
マイコンはATtiny13Aだとプログラムメモリが足りないので、ATtiny85です。ATtiny13Aの使用方法と同様に、Arduino IDEをATtiny85にも対応させます。参考ページ→Arduino IDE で ATtiny 他の開発
5Vレギュレーターは念のため78M05としていますが、9V入力であれば78L05でも大丈夫でしょう。リレー941H-2C-5Dのコイル駆動電流は30mAで、マイコンから直接流し続けるのは無理があるため、トランジスタを使用します。
▽レイアウト（KiCadデータはこちらへ）
パワーサプライ部分は別基板となっています。絶縁型DC-DCコンバータが大きいので内部がかなり窮屈になってしまいました。
▽Arduinoスケッチ（133行）
const int L_SW_PIN = 4;
const int R_SW_PIN = 3;
const int A_PIN = 1;
const int B_PIN = 2;
const int LED_PIN = 0;
int mode = 0; // 0→マニュアル 1→ex1 2→ex2
int L_sw_value = 0;
long L_sw_count = 0;
int R_sw_value = 0;
long R_sw_count = 0;
boolean A_state = false;
boolean B_state = false;
void setup() {
pinMode(L_SW_PIN, INPUT_PULLUP);
pinMode(R_SW_PIN, INPUT_PULLUP);
pinMode(A_PIN, OUTPUT);
pinMode(B_PIN, OUTPUT);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(A_PIN, HIGH); // 電源オン時LED点灯
delay(300);
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(300);
digitalWrite(B_PIN, HIGH);
delay(300);
digitalWrite(A_PIN, LOW);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
digitalWrite(B_PIN, LOW);
}
// ループをオン
void on_A() {
A_state = true;
digitalWrite(A_PIN, HIGH);
}
void on_B() {
B_state = true;
digitalWrite(B_PIN, HIGH);
}
// ループをオフ
void off_A() {
A_state = false;
digitalWrite(A_PIN, LOW);
}
void off_B() {
B_state = false;
digitalWrite(B_PIN, LOW);
}
// ループのオンオフ切替
void chg_A() {
if(A_state) {
off_A();
} else {
on_A();
}
}
void chg_B() {
if(B_state) {
off_B();
} else {
on_B();
}
}
void loop() {
// 中央LEDの処理
if (mode == 0) {
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
} else {
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
}
L_sw_value = digitalRead(L_SW_PIN);
if (L_sw_value == LOW) {
L_sw_count += 1;
} else {
L_sw_count = 0;
}
R_sw_value = digitalRead(R_SW_PIN);
if (R_sw_value == LOW) {
R_sw_count += 1;
} else {
R_sw_count = 0;
}
// 左フットスイッチ短押
if (L_sw_count == 10) {
if (mode == 0) {
chg_B();
} else if (mode == 1) {
mode = 2;
on_A();
on_B();
} else {
mode = 1;
off_A();
on_B();
}
}
// 右フットスイッチ短押
if (R_sw_count == 10) {
if (mode == 0) {
chg_A();
} else if (mode == 1) {
chg_A();
chg_B();
} else {
mode = 1;
on_A();
off_B();
}
}
// 左フットスイッチ長押
if (L_sw_count == 1000) {
if (mode == 0) {
mode = 1;
if(A_state) {
off_B();
} else {
on_B();
}
}
}
// 右フットスイッチ長押
if (R_sw_count == 1000) {
if (mode == 0) {
} else {
mode = 0;
off_A();
off_B();
}
}
delay(1);
}
▽操作方法
・マニュアルモード（中央LED消灯）
左スイッチ： ループBのオンオフ切替、長押しで特殊モードへ
右スイッチ： ループAのオンオフ切替
・特殊モード（中央LED点灯）
左スイッチ： ループA→ループBの順で直列接続
※直列切替後は右スイッチでAのみ、左スイッチでBのみオンの状態に戻る
右スイッチ： ループAのみオンとループBのみオンを切り替え、長押しでマニュアルモードへ
MOSリレーバイパス
ソリッドステートリレーを利用したエフェクトのバイパス方法をバッファーなしで検討していました（別記事参照）が、音漏れやポップノイズの問題が解決できなかったため結局バッファードバイパスにすることにしました。BOSS筐体BD-2に採用しています。あまり利点がないバイパス方式となってしまいましたので、再度作ることはなさそうです。素直にラッチングリレーを使った方がよいでしょう。
▽回路図
秋月電子で安売りしている光MOSFET PS7200K-1Aを使用しましたが、フォトリレーTLP222Aでも問題ないと思います。エフェクト側の入力部分の回路によってはバイパス音に影響が出るので、本来は入力の分岐前にもバッファーを入れた方がよさそうです。バイアス電圧Vbはエフェクト回路から引っ張ってきています。
▽レイアウト
▽Arduinoスケッチ（ATtiny13A用）
#define SW_PIN 3
#define BYPASS_PIN 0
#define FX_ON_PIN 1
#define LED_PIN 4
int sw_value = 0;
long sw_count = 0; // intだとオーバーフローするかも
boolean fx_state = false;
void setup() {
pinMode(SW_PIN, INPUT_PULLUP); // 内部プルアップ抵抗有効
pinMode(BYPASS_PIN, OUTPUT);
pinMode(FX_ON_PIN, OUTPUT);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(BYPASS_PIN, HIGH); // 初期値はバイパス
digitalWrite(FX_ON_PIN, LOW);
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // 電源オン時LEDが2回点灯
delay(300);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(300);
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(300);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}
void loop() {
sw_value = digitalRead(SW_PIN);
if (sw_value == LOW) {
sw_count += 1;
} else {
sw_count = 0;
}
if (sw_count == 10) { // 10msスイッチ押すとエフェクト切替（チャタリング対策）
fx_state = !fx_state;
if (fx_state) {
digitalWrite(FX_ON_PIN, HIGH); // HIGHにするピンの順番が逆だとポップノイズあり
delay(2); // これがないとポップノイズあり
digitalWrite(BYPASS_PIN, LOW);
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
} else {
digitalWrite(BYPASS_PIN, HIGH);
delay(2);
digitalWrite(FX_ON_PIN, LOW);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}
}
delay(1);
}
ATtiny13Aの使用方法はこちらの記事へ
Crosstortion
東京エフェクター「第5回 エフェクタービルダーズ・コンテスト」に向けて製作したエフェクターです。コンテストのテーマは「ハイゲイン」だったのですが、ちょうど回路を考えていた2017年10月頃はBig Muffに注目が集まっていたので、なんとなくBig Muffをベースにすることにしました。また、今回は今までやったことがなかった「クロスオーバー歪み」をコントロールしています。ペダル名は単にcrossover distortionを略したものです。
ルックスもコンテストでは重要となりますが、私にはセンスがないので評価は低いでしょう。ポット周りの図形のカドが目盛りになっているというのをやってみたかったので、角ばったデザインにしました。それと、ウケがいいかもしれないという安易な考えで、適当に黄金比を取り入れています。シールは「手作りステッカー メタリックシルバー」というものを使いました。
▽回路図
オペアンプばかりですが、ICBM（オペアンプマフ）ではありません。トーン回路や周波数特性はトランジスタを使った現行Big Muffとほとんど同じで、歪み部分は個人的に好きな「オペアンプで歪ませる」というものとなっています。参考ページ→Big Muff Pi Analysis
コンデンサは3.9nFを持ってなかったので3.3nFにしたり、まとめ買いしていた10μFをやたらと使っていたり等、ある意味Electro-Harmonix精神も盛り込んでいます。
真ん中あたりの4つのオペアンプとLM317がクロスオーバー歪み関連です。こちらのページの図11と同じ回路で、理想ダイオード回路にLM317で調節した電圧を加算しています。同ページ図12のように波形の半分以上をバッサリとクリップしますが、プラス側とマイナス側を足し合わせることで擬似的にクロスオーバー歪みがある音を生み出しています。小音量の音はクリップする電圧値を超えられず切り捨てられるため、ノイズゲートとしても働きます。倍音については、奇数次倍音のみが出るようです（各クリッピングと倍音の記事最下部に掲載）。コンテスト用の個体は、一応トリマーを追加して最小電圧値を細かく調節しました。
あまり回路検討にかける時間がなかったので、後から見ると粗がある感じがします。入力部のICを変えれば全部5V駆動でよさそうです。あとクロスオーバー歪みを扱うなら素直にトランジスタを使う方がもっと簡単だったんじゃないかと思います。
▽レイアウト
▽PCB（横86.4mm縦40.6mm）
歪みエフェクターは筐体が大きい方が印象に残る気がするので、余裕を持ってHAMMOND 1590BBを使いました。基板は秋月電子にある角型ランドのもので、見た目はなんだかカッコイイですが少し薄い（厚さ1.2mmぐらい）です。
音についてはたぶんBig Muffっぽくなっていると思います。まぁ私は自作ラムズヘッドぐらいしかビッグマフを弾いた経験がないのでよくわかりません。倍音も測定しましたが、少し奇数次倍音が多く普通の歪みという感じでした。ハイゲインだとクリッピングの違いはあまりわからなくなると思います。肝心のクロスオーバー歪みについては、なんともいえないジュワーという感じが付加されます。ゲートファズのようなブチブチ系にもできますが、正直私はあまり好きでなかったです…
---以下2018年3月19日追記---
「第5回 エフェクタービルダーズ・コンテスト」第一次審査の点数を記載しておきます。
コンセプト：17 サウンド：16 ルックス：16 操作性：16
総合点：65 21台中11位
Nuverdrive+プレゼント（終了しました）
Nuverdrive+をもう一台作りました。もしも欲しいという方がいらっしゃれば、上写真の赤色のバージョンをプレゼントいたします（希望者多数の場合は抽選）。下記の2つの方法のうちいずれかで連絡お願いします。締め切りは2017年6月10日（土）です。※万一故障した時に、修理対応できるかどうかは不明です。ご了承ください。
＜方法1＞
Twitterの私のアカウント宛に、「Nuverdrive+希望」と記載してダイレクトメッセージ送付
※無理にフォローやリツイートをされる必要はありません。
＜方法2＞
当ブログ右側下部のメールフォームにお名前（ニックネームでOK）とメールアドレスを記入の上、件名と本文に「Nuverdrive+希望」と記載して送信
（以下Nutubeに関する個人的感想）
Nutubeは低電圧で動くというのが大きなメリットですが、実際はあまりコンパクトエフェクター向きではないと思います。増幅率が低く、1個（2回路）だけで歪ませるのは難しいです。また、マイクロフォニックノイズがあるため防振対策が必要で、ケースがある程度大型になってしまいます。結局、普通の真空管+スイッチング電源の方が楽かもしれません。今まで同じエフェクターを2個作ることはありませんでしたが、どうしてもNutubeを使った回路を新規に考える気にならなかったため、今回のプレゼント企画に至りました。
---以下2017年6月17日追記---
当選者の方にNuverdrive+が無事に届いたことが確認できました。多数のご応募ありがとうございました。
