Sintetizador de Música de 1 bit desarrollado por Aman Deep.
Este proyecto presenta un sintetizador y secuenciador digital monofónico de onda cuadrada. En otras palabras, un sintetizador musical digital. Está basado en un oscilador 555 y un contador de décadas 4017. Este dispositivo ofrece un sonido distintivo que recuerda a los videojuegos vintage y a los primeros dispositivos de audio digital.
El índice de contenidos es el siguiente:
1. Introducción a Sintetizadores
Como su nombre indica, un sintetizador musical es un dispositivo electrónico que sintetiza y produce música. Los sintetizadores funcionan produciendo, alterando y ajustando formas de onda electrónicas. Funcionan con formas de onda cuadradas, triangulares, sinusoidales y diente de sierra producidas por circuitos osciladores. Las formas de onda se modifican mediante métodos como la síntesis aditiva y sustractiva.
Los sintetizadores son los componentes más cruciales de la música y la cultura actuales, ya que han dado forma e impulsado a multitud de géneros conocidos como la música electrónica, el synthpop, el hip hop y el trap.
1.1 Componentes de Sintetizadores Musicales
Los elementos fundamentales que se pueden encontrar en un sintetizador musical para producir y alterar las formas de onda son:
- Osciladores de baja frecuencia: para generar las formas de onda.
- Filtros: circuitos que separan distintas bandas de frecuencias.
- Secuenciadores: circuitos que introducen una secuencia en la que se reproducirán las notas.
- Controladores de envolvente: circuitos que modulan la amplitud.
1.2 Clasificación de los Sintetizadores
Según la estrategia de procesamiento, los sintetizadores musicales pueden estar basados en hardware (analógico o digital) o en software, y cada uno tiene capacidades únicas y características.
Por otro lado, los sintetizadores musicales pueden ser monofónicos, es decir, producir una sola nota cada vez, o polifónicos, es decir, producir varias notas simultáneamente.
Por último, los sintetizadores musicales pueden ser un dispositivo autónomo, que produce notas, o una estructura multidispositivo equipada con controladores y sincronizadores como teclados, secuenciadores y software.
2. El Sintetizador Monofónico
Este sintetizador musical está construido en torno a tres funcionalidades o especificaciones:
- Secuenciador incorporado.
- Debería tener una forma de seleccionar qué notas tocar.
- Debe proporcionar una forma de visualizar la secuencia de las notas, permitiendo así al usuario mezclar notas en directo.
El dispositivo diseñado y construido se muestra en la siguiente imagen:
2.1 Características Principales
En general, se trata de un sintetizador digital monofónico de onda cuadrada con las siguientes características clave.
2.1.1 Resolución: 1 Bit
El sintetizador ofrece una resolución de salida de 1-Bit. Aquí la salida se denomina coloquialmente salida de 1-Bit en referencia al funcionamiento inherente del sintetizador, que puede producir una sola nota a la vez (sintetizador monofónico), siendo la forma de onda una onda cuadrada de amplitud constante.
Esta propiedad del sintetizador le confiere un sonido característico de los videojuegos de época, incluso anterior a la música de 8 bits.
2.1.2 Secuenciador Integrado
El sintetizador dispone de un secuenciador a bordo que permite seleccionar la velocidad de las notas, que nosotros percibimos en forma de tempo. Permite al usuario crear música única y tener un control preciso sobre su ritmo.
2.1.3 Selector de Notas Integrado
El sintetizador dispone de una serie de conmutadores que se utilizan para seleccionar las notas que se reproducirán cuando la salida del secuenciador llegue a la etapa. Esto permite al usuario componer y ordenar las notas en patrones, logrando sonidos que se perciben como música.
2.2 Esquema del Sintetizador
La siguiente imagen muestra el esquema del dispositivo:
A continuación, se explica detalladamente cada etapa.
2.2.1 Generador de Reloj
La etapa del generador de reloj proporciona un reloj al contador de décadas, que sirve como secuenciador. La etapa de reloj sirve como controlador del ritmo musical en el sintetizador.
Consiste en un temporizador 555 que genera una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%. Al variar el potenciómetro del circuito generador de reloj, cambia la frecuencia de salida del circuito, lo que provoca un cambio en la rapidez con la que el contador del secuenciador pasa por sus estados, cambiando así el ritmo de la secuencia de las notas que se tocan.
Para una explicación completa del generador de reloj, eche un vistazo al anexo siguiente, centrado en los osciladores y el circuito integrado 555.
2.2.2 Secuenciador de Notas
La salida del generador de reloj se introduce en la etapa de secuenciador de notas, que ejecuta el ritmo de la música generada. La etapa secuenciadora de notas, como su nombre indica, secuencia las notas que posteriormente se reflejarán en la salida del sintetizador. Simplemente «habilita» en orden cada una de las notas configuradas en el selector de notas.
El circuito consiste en un contador de décadas. Básicamente, es un circuito que cuenta 10 pulsos de reloj y los emite en un formato específico para el IC empleado. En este caso, empleamos el IC 4017, que da salida a la cuenta de 10 pines, a cada uno de los cuales se le asigna un valor decimal de 0 a 9, que representa 10 cuentas. Esta propiedad del contador de décadas de proporcionar 10 salidas distintas sirve como algoritmo fundamental para la capacidad del sintetizador de tener 10 notas diferentes. Cuando el contador recorre sus 10 salidas respondiendo al reloj, funciona como un secuenciador en el sintetizador.
2.2.3 Generador de Notas
La etapa del generador de notas es responsable de la producción de notas musicales individuales que, cuando se tocan en un orden, crean música. De ello se encarga el segundo circuito oscilador. De nuevo, se pueden encontrar más detalles sobre el temporizador 555 en el anexo debajo.
El generador de notas funciona con el selector de notas, que tiene 10 potenciómetros conectados en paralelo. Como se explica en la siguiente sección, cada potenciómetro puede ajustarse a un valor, dependiendo de la frecuencia que el usuario quiera producir, de acuerdo con la fórmula discutida en el anexo de osciladores más abajo. En otras palabras, cada potenciómetro selecciona una frecuencia para esa nota. Utilizando los potenciómetros, las frecuencias de salida pueden variarse y modificarse en tiempo real.
2.2.4 Selector de Notas
El selector de notas es una matriz paralela de transistor-potenciómetro-interruptor (que forma parte del circuito generador de notas) y es responsable de la selección de las diferentes notas.
En primer lugar, la etapa del selector de notas recibe la salida de la etapa del secuenciador de notas, que acciona la matriz de transistores encendiéndolos y apagándolos. Recuerde que sólo un transistor de la matriz puede estar activo en cualquier momento.
A continuación, la etapa del selector de notas funciona conmutando los transistores uno a uno en una secuencia, conectando así un potenciómetro e implementado una resistencia única en los pines de entrada del generador de notas. Esta operación da como resultado una única nota que puede ser reproducida a la salida del generador de notas en ese momento.
Tenga en cuenta que también hay una activación manual de la nota, realizada por los interruptores conectados en serie con los potenciómetros. Cuando está en OFF, no hay conexión de ese potenciómetro en particular con el generador de notas, por lo que no se reproduce ninguna nota en la salida. Esto da al usuario la funcionalidad de qué notas quiere tocar en la secuencia.
2.2.5 Visualizador de Secuencias
El visualizador de la secuencia es una matriz de LEDs controlados por transistores que son conmutados por los pines de salida del contador. Sirven para proporcionar una ayuda visual al usuario sobre el ritmo o velocidad de la secuencia. Los LEDs correspondientes a cada nota se encienden cuando el pin está alto durante la secuencia.
2.2.6 Acondicionamiento de la Señal
El sintetizador también incluye una salida directa no acondicionada del generador de tonos que tiene un voltaje pico a pico de 5V. Se puede acceder a ella a través del medio de los tres conectores hembra junto al puerto USB.
Una forma sencilla de acondicionar esta señal es incluyendo un divisor de tensión que da una salida de tensión de 2,2Vpp, adecuada para la mayoría de amplificadores y sistemas de altavoces. Se utiliza un transistor para evitar la carga de la salida del generador de notas, y la salida se introduce en la base de un transistor amplificador a través de su resistencia de base. El amplificador de a bordo del sintetizador musical es una simple configuración de colector común.
En general, el esquema de salida es el siguiente:
3. Video y Sonido del Sintetizador
El sonido del dispositivo puede escucharse en el siguiente vídeo:
4. Conclusiones del Sintetizador
A lo largo del proyecto de este sintetizador digital de música, hemos intentado lograr la fusión de Electrónica, Creatividad y Arte. Es evidente que el dispositivo se inspira en los primeros aparatos que alcanzaron logros significativos en el ámbito de la música electrónica.
El sintetizador cuenta con tres características principales: un secuenciador incorporado, un mecanismo de selección de notas y una función de visualización de secuencias en tiempo real. Estas funciones son posibles gracias a la integración de cinco etapas distintas. El Generador de Reloj establece el tempo de la música, permitiendo a los usuarios controlar el ritmo de la misma. Junto con el Generador de notas y el Selector y secuenciador de notas, que producen notas individuales basadas en las entradas del usuario, el sintetizador musical permite a los usuarios crear y componer su propio sonido. El secuenciador de notas puede componer estas notas en tiempo real, garantizando una reproducción ininterrumpida. Además, el selector de notas permite a los usuarios elegir qué notas incluir en la secuencia, lo que añade un toque creativo personal al proceso de creación musical.
Este sintetizador musical es una herramienta versátil y fácil de usar para entusiastas de la música de todos los niveles. Ofrece una salida directa que puede integrarse con otros equipos para ampliar su uso, lo que garantiza su versatilidad en cualquier nivel de producción musical. Con su diseño intuitivo y sus numerosas funciones, este proyecto ofrece una gran oportunidad para iniciarse en la música electrónica.
Anexo 1. Lista de Materiales
| Descripción | Referencia Valor | Cantidad |
| Resistencia | 100K | 1 |
| Resistencia | 10K | 20 |
| Resistencia | 1K | 2 |
| Potenciómetro | 10K | 11 |
| Condensador Electrolítico | 10uF | 1 |
| Condensador Electrolítico | 470nF | 1 |
| Condensador Cerámico | 10nF | 2 |
| IC | NE555 | 2 |
| IC | CD4017 | 1 |
| Transistor | BC547 | 20 |
| LED | 3mm Blue | 10 |
| Switch | SPST Toggle | 10 |
| Altavoz | 8Ω | 1 |
| Proto PCB | 2.54 mm 8x12cm | 1 |
Anexo 2. Osciladores
En electrónica, los osciladores son dispositivos que producen señales periódicas y oscilantes (o alternas), como ondas alternas, cuadradas, sinusoidales (seno), triangulares o en diente de sierra. Estas ondas generadas se utilizan para sincronizar, conducir o como entrada directa en circuitos electrónicos. El sintetizador presentado consta de dos osciladores que se despliegan utilizando circuitos integrados temporizadores 555.
A2.1 Temporizador 555
El temporizador 555 es un circuito integrado utilizado en diversas aplicaciones de temporización, retardo, generación de impulsos y oscilación. El temporizador 555 recibe su nombre de la presencia de tres resistencias de 5KΩ conectadas en serie para crear un divisor de tensión que proporciona tensión de referencia para sus comparadores internos.
A2.2 Multivibrador Astable
Un multivibrador astable es un tipo de circuito oscilador electrónico que produce continuamente una salida de onda cuadrada. Como su nombre indica, este tipo de oscilador no tiene estados estables, es decir, alterna entre los estados alto y bajo a intervalos regulares. El circuito alterna entre los dos estados, generando una salida oscilante continua.
La siguiente imagen muestra una configuración de multivibrador astable con el temporizador 555:
El divisor de tensión fija la tensión de referencia para el comparador 1 en 2/3 𝑉𝑐𝑐 y para el comparador 2 en 1/3 𝑉𝑐𝑐.
Cuando se aplica 𝑉𝑐𝑐, el condensador C se carga a través de (R1 + R2) y se carga hasta que su tensión alcanza 2/3 𝑉𝑐𝑐. Entonces el comparador 1 hace que el flip-flop interno conmute su estado, lo que pone en ON el transistor en el pin de descarga 7, y el condensador C empieza a descargarse a través de la Resistencia R2. El condensador 𝐶 se descarga hasta que su tensión alcanza 1/3 𝑉𝑐𝑐 y el comparador 2 hace que el flip-flop interno conmute su estado. Esto apaga el transistor en el pin de descarga 7, y el condensador comienza a cargarse de nuevo.
El ciclo se repite, provocando una salida de onda cuadrada debido al cambio periódico del estado del flip-flop interno.
A2.2.1 Generador de Notas
El generador de notas consiste en una configuración astable del temporizador 555, como se ha explicado anteriormente. La frecuencia de salida viene dada por la fórmula:
\begin{equation} f = \cfrac{1.44}{(R_1+2R_2)C} \end{equation}
Utilizando esta fórmula y variando las variables como R2 y C en nuestro circuito, se puede variar la frecuencia de salida. Produciendo así notas de diferentes frecuencias.
A2.2.2 Generador de Reloj
En electrónica, un reloj es una señal oscilante que se utiliza para hacer pasar un circuito digital por sus distintos estados de forma secuencial.
Esta configuración utiliza una resistencia entre los pines de disparo y salida del temporizador 555, y ninguna conexión al pin de descarga. Por lo tanto, el condensador se carga y descarga a través de la misma resistencia, tomando así la misma cantidad de tiempo, lo que resulta en una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50% en la salida.
La frecuencia de salida en esta configuración viene dada por la fórmula:
\begin{equation} f = \cfrac{1.44}{2R_2C} \end{equation}
Se puede variar para cambiar el tempo de la secuencia utilizando el potenciómetro R2, dado que R1 es significativamente mayor que R2.
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