700円で作るクロック マルチプル ディバイダー/モジュラーシンセ
Arduinoプログラミングに挑戦しつつ、モジュラーシンセサイザーのクロック マルチプル ディバイダーモジュールを自作したので、その備忘録。
背景
コードの書けないシステムエンジニア脱却のために始めたプログラミングの6作品目。前回、クロックに同期して動くシーケンサーを作成したが、そのクロックを生成するモジュールが欲しかった。
また、タイマーという機能の勉強もしたかったので、クロック マルチプル/ディバイダーに白羽の矢が立った。
Arduinoで動かす場合、過電圧保護、負電圧保護が必要になる。IN,OUTの数はできる限り減らしたいので、マルチプル/ディバイダーのレートはツマミで選択できるタイプにした。
制作物のスペック
ユーロラック規格 3U 6HPサイズ
電源：42mA ( at 5V ) / 42mA ( at12V )
出力：OUT (0-4.7V) / CH1 and CH2 ( 0-5V)
レイテンシ：3.5ms
逓倍割合：/16,/8,/4,/2,1,2,3,4,8よりCH1,2各々選択。
総額：700円
回路構成は中華Arduino互換ボードにダイオード、受動素子の簡素な構成。
これ以上は下げられないというほど、低価格での実現を目指した。
プログラム
時間を制御するモジュールという事もあり、タイマー機能を使用した。
1ms毎に割り込みをかけて、外部クロック、内部クロックのカウントをしている。
1msという割り込み頻度ではあるが、処理は軽いため遅延も小さい。
外部入力から出力までの遅延は3.5ms程度であり、これはベンチマークした市販のクロックモジュールと同等であった。及第点といえよう。
ハード
外部入力～内部クロック出力の回路はダイオードだらけ。
守るべき要件が多いからだ。
①過電圧で壊れない
②負電圧で壊れない
③過電流で壊れない
④外部クロックが、内部クロック出力に入らない
⑤内部クロック出力が、外部クロック入力に入らない
MASTER CLOCK OUTPUTについて、ダイオードを噛ますことで出力は4.7Vと5Vに満たないが、一般的な敷居値は超えることができるのでONは可能である。
しかし、ごく一部（具体的にはrobaux LL8）のモジュールではクロック入力に内部プルアップのINPUTを使用しているらしく、GND経路(Arduino内部回路）がダイオードで遮断されているMASTER CLOCK OUT回路との組み合わせでは動かすことができなかった。
CH1,CH2はLOW出力時にGND経路ができるため、基本的に全モジュールのクロックは動作可能である。
2021/5/25追記：回路図に訂正箇所がある。Clock outのショットキーバリアダイオードは、470ohmの抵抗とダイオードの間にあるのが理想だ。誤って負電位がclock outに印加されたときの耐性が、より強くなる。
ソースコード
粗末ではあるが公開する。
//Clock M_D module
#include <MsTimer2.h>
unsigned long ext_count = 400;//タイマーカウント用
unsigned long old_ext_pulse = 0;
unsigned long old_int_pulse = 0;
unsigned long ext_period = 0;//周期
unsigned long ext_count_result = 0;//タイマーのカウント結果
unsigned long old_ext_count_result = 0;//タイマーのカウント結果
byte ext_pulse = 0;//外部クロック あれば1、なければ0
byte int_pulse = 0;//内部クロック
byte ext_injudge = 1;//外部入力有無判定。あれば1,なければ0。タイマーカウントが規定値超えると判定切り替え
byte old_ext_injudge = 2;
int AD_rate = 512;//rateノブの入力
int rate = 1000;//内部クロック動作時に使用
int AD_MD = 512;//MDノブの入力値
int out_width_ch1 = 10;//アウトプットのパルス幅。
int out_width_ch2 = 10;//アウトプットのパルス幅。
int old_AD_MD = 512;//SW切り替え時のRATE値誤読対策
int MD_ch1 = 5;//マルチプル、ディバイダー判定ch1
int MD_ch2 = 5;//マルチプル、ディバイダー判定ch2
int M_period_ch1 = 0;//マルチプルの時、出力クロックの周期。マルチプルでなければ0とする。
int M_period_ch2 = 0;//マルチプルの時、出力クロックの周期。マルチプルでなければ0とする。
int M_count_ch1 = 1;//マルチプルの時、パルスごとにカウントし、設定値に達すると0に戻る
int M_count_ch2 = 1;//マルチプルの時、パルスごとにカウントし、設定値に達すると0に戻る
int D_count_ch1 = 1;//外部パルスが入るとカウントを位置上げる
int D_count_ch2 = 1;//外部パルスが入るとカウントを位置上げる
int D_full_ch1 = 1;//カウントの上限値
int D_full_ch2 = 1;//カウントの上限値
byte CH1out = 0;//0でLOW出力、1でHIGH出力
byte CH2out = 0;//0でLOW出力、1でHIGH出力
byte M_done_ch1 = 0; //マルチプルの出力確認用。ないと、1クロックで複数パルスでてしまう
byte M_done_ch2 = 0; //マルチプルの出力確認用。ないと、1クロックで複数パルスでてしまう
//---mode切り替え-------------
byte mode_sw = 1;
byte mode = 1;//1=CH1,2=CH2
byte old_mode = 0;//SW切り替え時のRATE値誤読対策
int old_MD_ch1 = 0;//スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
int old_MD_ch2 = 0;//スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
void setup() {
pinMode(7, OUTPUT); //CH1out
pinMode(8, OUTPUT); //CH2out
pinMode(13, OUTPUT); //internal_clock_out
pinMode(11, INPUT_PULLUP); //SW
pinMode(3, INPUT); //ext_clock_in
Serial.begin(9600);
MsTimer2::set(1, timer_count); // 1ms毎にタイマーカウント
MsTimer2::start();//外部入力Highになったら、次のHighまでカウント
}
void loop() {
AD_MD = analogRead(3);
AD_rate = 1023 - analogRead(4);
rate = AD_rate * 2 + 100;
old_ext_pulse = ext_pulse;
old_int_pulse = int_pulse;
ext_pulse = digitalRead(3);
mode_sw = digitalRead(11);
old_mode = mode;
old_ext_injudge = ext_injudge;
//-----------ディバイダー出力のカウントリセット------------
if (D_count_ch1 >= D_full_ch1) {
D_count_ch1 = 0;
}
if (D_count_ch2 >= D_full_ch2) {
D_count_ch2 = 0;
}
//-----------SWの読み取り---------------
old_MD_ch1 = MD_ch1;//スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
old_MD_ch2 = MD_ch2;//スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
if ( mode_sw == 1 ) {
mode = 1;
}
else if (mode_sw == 0 ) {
mode = 2;
}
if ( old_mode != mode ) {//スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
old_AD_MD = AD_MD;
}
//---------MDノブ判定-----------------------
if ( mode == 1 && abs(old_AD_MD - AD_MD ) > 30) { //absはスイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
old_AD_MD = 1200;//abs(old_AD_MD - AD_MD ) > 30が絶対に成立するため
if ( AD_MD >= 0 && AD_MD < 20) {
MD_ch1 = 9;//*16
}
else if ( AD_MD >= 20 && AD_MD < 90) {
MD_ch1 = 8;//*8
}
else if ( AD_MD >= 90 && AD_MD < 240) {
MD_ch1 = 7;//*4
}
else if ( AD_MD >= 240 && AD_MD < 400) {
MD_ch1 = 6;//*2
}
else if ( AD_MD >= 400 && AD_MD < 550) {
MD_ch1 = 5;//*1
}
else if ( AD_MD >= 550 && AD_MD < 700) {
MD_ch1 = 4;//1/2
}
else if ( AD_MD >= 700 && AD_MD < 820) {
MD_ch1 = 3;//1/3
}
else if ( AD_MD >= 820 && AD_MD < 960) {
MD_ch1 = 2;//1/4
}
else if ( AD_MD >= 960 && AD_MD < 1024) {
MD_ch1 = 1;//1/8
}
}
else if ( mode == 2 && abs(old_AD_MD - AD_MD ) > 30) { //absはスイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
old_AD_MD = 1200;//abs(old_AD_MD - AD_MD ) > 30が絶対に成立するため
if ( AD_MD >= 0 && AD_MD < 20) {
MD_ch2 = 9;//*16
}
else if ( AD_MD >= 20 && AD_MD < 90) {
MD_ch2 = 8;//*8
}
else if ( AD_MD >= 90 && AD_MD < 240) {
MD_ch2 = 7;//*4
}
else if ( AD_MD >= 240 && AD_MD < 400) {
MD_ch2 = 6;//*2
}
else if ( AD_MD >= 400 && AD_MD < 550) {
MD_ch2 = 5;//*1
}
else if ( AD_MD >= 550 && AD_MD < 700) {
MD_ch2 = 4;//1/2
}
else if ( AD_MD >= 700 && AD_MD < 820) {
MD_ch2 = 3;//1/3
}
else if ( AD_MD >= 820 && AD_MD < 960) {
MD_ch2 = 2;//1/4
}
else if ( AD_MD >= 960 && AD_MD < 1024) {
MD_ch2 = 1;//1/8
}
}
switch (MD_ch1) {
case 1:
out_width_ch1 = ext_period / 2 / 8;
M_period_ch1 = ext_period / 8;
break;
case 2:
out_width_ch1 = ext_period / 2 / 4;
M_period_ch1 = ext_period / 4;
break;
case 3:
out_width_ch1 = ext_period / 2 / 3;
M_period_ch1 = ext_period / 3;
break;
case 4:
out_width_ch1 = ext_period / 2 / 2;
M_period_ch1 = ext_period / 2;
break;
case 5:
out_width_ch1 = ext_period / 2 ;
M_period_ch1 = 0;
D_full_ch1 = 1;
break;
case 6:
out_width_ch1 = ext_period / 2;
M_period_ch1 = 0;
D_full_ch1 = 2;
break;
case 7:
out_width_ch1 = ext_period / 2;
M_period_ch1 = 0;
D_full_ch1 = 4;
break;
case 8:
out_width_ch1 = ext_period / 2;
M_period_ch1 = 0;
D_full_ch1 = 8;
break;
case 9:
out_width_ch1 = ext_period / 2;
M_period_ch1 = 0;
D_full_ch1 = 16;
break;
}
switch (MD_ch2) {
case 1:
out_width_ch2 = ext_period / 2 / 8;
M_period_ch2 = ext_period / 8;
break;
case 2:
out_width_ch2 = ext_period / 2 / 4;
M_period_ch2 = ext_period / 4;
break;
case 3:
out_width_ch2 = ext_period / 2 / 3;
M_period_ch2 = ext_period / 3;
break;
case 4:
out_width_ch2 = ext_period / 2 / 2;
M_period_ch2 = ext_period / 2;
break;
case 5:
out_width_ch2 = ext_period / 2 ;
M_period_ch2 = 0;
D_full_ch2 = 1;
break;
case 6:
out_width_ch2 = ext_period / 2 ;
M_period_ch2 = 0;
D_full_ch2 = 2;
break;
case 7:
out_width_ch2 = ext_period / 2 ;
M_period_ch2 = 0;
D_full_ch2 = 4;
break;
case 8:
out_width_ch2 = ext_period / 2 ;
M_period_ch2 = 0;
D_full_ch2 = 8;
break;
case 9:
out_width_ch2 = ext_period / 2 ;
M_period_ch2 = 0;
D_full_ch2 = 16;
break;
}
if ( MD_ch1 != old_MD_ch1 || MD_ch2 != old_MD_ch2 ) { //スイッチ切り替え時にディバイダーのクロックが狂うバグ対策
D_count_ch1 = 0;
D_count_ch2 = 0;
}
//------------外部入力有無判定-------------------------------
if ( ext_count > 4000 ) { //4s以上カウントが無ければ、外部入力無し判定
ext_injudge = 0;
}
else if ( ext_count < 4000 && ext_pulse == 1 ) {
ext_injudge = 1;
}
if ( old_ext_injudge == 1 && ext_injudge == 0 ) { //外部入力が有→無のとき
ext_count = 0;
}
//---------クロック設定------------------------
if ( ext_injudge != 0 ) { //外部クロックを使用
if (ext_pulse == 1 && old_ext_pulse == 0) {
old_ext_count_result = ext_count_result;//2回の平均取る用
ext_count_result = ext_count;
// ext_count = 0;
ext_period = (old_ext_count_result + ext_count_result) / 2;//外部入力周期。ばらつき低減のため2回の平均値
// MsTimer2::start();//外部入力Highになったら、次のHighまでカウント
}
}
else if ( ext_injudge == 0) { //内部クロックを使用
ext_period = rate;
if ( ext_count < 5 || ext_count >= ext_period) {
int_pulse = 1;
}
else if (ext_count >= 5 ) {
int_pulse = 0;
}
}
//--------------INTERNAL CLOCK出力（外部入力無い場合のみ）-----------
if ( int_pulse == 1 ) {
digitalWrite(13, HIGH);
}
else if ( ext_count >= ext_period / 2 ) {
digitalWrite(13, LOW);
}
//-----------------OUT1出力------------------
if (ext_pulse == 1 && old_ext_pulse == 0) {//外部クロック用
D_count_ch1 ++;
ext_count = 0;
M_count_ch1 = 0;
M_done_ch1 = 0;
if ( MD_ch1 <= 4 ) {
digitalWrite(7, HIGH);
CH1out = 1;
}
}
if (int_pulse == 1 && old_int_pulse == 0) {//内部クロック用
D_count_ch1 ++;
ext_count = 0;
M_count_ch1 = 0;
M_done_ch1 = 0;
if ( MD_ch1 <= 4 ) {
digitalWrite(7, HIGH);
CH1out = 1;
}
}
if ( MD_ch1 < 5 ) {
if ( ext_count >= M_period_ch1 * M_count_ch1 && CH1out == 0) {
CH1out = 1;
digitalWrite(7, HIGH);
}
if ( ext_count >= M_period_ch1 * M_count_ch1 + out_width_ch1 && CH1out == 1 ) {
digitalWrite(7, LOW);
M_count_ch1 ++;
CH1out = 0;
}
}
else if ( MD_ch1 == 5 ) {
if (D_count_ch1 == 1 && M_done_ch1 == 0) {
CH1out = 1;
M_done_ch1 = 1;
digitalWrite(7, HIGH);
}
if ( ext_count >= out_width_ch1 ) {
digitalWrite(7, LOW);
CH1out = 0;
}
}
else if ( MD_ch1 > 5 ) {
if (D_count_ch1 == 1 && M_done_ch1 == 0) {
CH1out = 1;
digitalWrite(7, HIGH);
M_done_ch1 = 1;
}
if ( ext_count >= out_width_ch1 ) {
digitalWrite(7, LOW);
CH1out = 0;
}
}
//-----------------OUT2出力------------------
if (ext_pulse == 1 && old_ext_pulse == 0) {
D_count_ch2 ++;
M_count_ch2 = 0;
M_done_ch2 = 0;
if ( MD_ch2 <= 4 ) {
digitalWrite(8, HIGH);
CH2out = 1;
}
}
if (int_pulse == 1 && old_int_pulse == 0) {//内部クロック用
D_count_ch2 ++;
M_count_ch2 = 0;
M_done_ch2 = 0;
if ( MD_ch2 <= 4 ) {
digitalWrite(8, HIGH);
CH2out = 1;
}
}
if ( MD_ch2 < 5 ) {
if ( ext_count >= M_period_ch2 * M_count_ch2 && CH2out == 0) {
CH2out = 1;
digitalWrite(8, HIGH);
}
if ( ext_count >= M_period_ch2 * M_count_ch2 + out_width_ch2 && CH2out == 1 ) {
digitalWrite(8, LOW);
M_count_ch2 ++;
CH2out = 0;
}
}
else if ( MD_ch2 == 5 ) {
if (D_count_ch2 == 1 && M_done_ch2 == 0) {
CH2out = 1;
M_done_ch2 = 1;
digitalWrite(8, HIGH);
}
if ( ext_count >= out_width_ch2 ) {
digitalWrite(8, LOW);
CH2out = 0;
}
}
else if ( MD_ch2 > 5 ) {
if (D_count_ch2 == 1 && M_done_ch2 == 0) {
CH2out = 1;
M_done_ch2 = 1;
digitalWrite(8, HIGH);
}
if ( ext_count >= out_width_ch2 ) {
digitalWrite(8, LOW);
CH2out = 0;
}
}
//開発用
Serial.print(ext_count);
Serial.print(",");
Serial.print(CH1out * 500);
Serial.print(",");
Serial.print(D_count_ch1 * 80);
Serial.println("");
}
//タイマーカウント。1ms毎にカウントを増やす
void timer_count() {
ext_count ++;
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