Drumende

From Helsinki Hacklabin wiki
Jump to: navigation, search


Drumende

Tyyppi: Laite
Tekijät: jari
Aloitettu: 2018, valmistui 2020
Tila: Valmis
GitHub: [drumende]


Analoginen rumpukone

Drumende yk.jpg


YouTube-video: https://youtu.be/f7uYuddqCkw

Tarkempi kuvaus projektista blogimuodossa (englanniksi): https://retroandreverse.blogspot.com/2020/12/analog-drums-beginnings-drumshave.html



Taustaa

Drumende on analoginen rumpukone 70-luvun hengessä. Piiritekniset ratkaisut on valittu siten, että laite olisi voitu rakentaa 70/80-lukujen vaihteessa. Kaikki äänigeneraattorit ovat analogisia, aktiivikomponentteina transistoreja ja operaatiovahvistimia. Sekvensseri ei sisällä mikrokontrolleria, se on kokonaan 7400- ja 4000-sarjan logiikkaa.

Laitteeseen on kerätty äänigeneraattoreita ja otettu muutakin mallia sekä klassisista rumpukoneista että myös uudemmista tuotoksista:

Laitteessa on kaikkiaan 10 äänigeneraattoria. Koska sekvensserissä on vain 6 äänikanavaa + accent-kanava, neljälle kanavalle voi valita soundin kahdesta vaihtoehdosta. Jokaisen kanavan tasoa voi säätää etupaneelin nupeilla. Lisäksi jokaisella kanavalla on yksi säätönuppi, jolla kanavalle valitun generaattorin jotain parametria voi säätää. Useimmissa tapauksissa tämä on rummun viritys (perustaajuus), hi-hattien kohdalla pedaalin tiukkuus (vaimentumisaika). Lisäksi laitteen takana on joukko trimmereitä, joihin on tuotu joukko muita säädettäviksi tehtyjä parametreja.

Sekvensseri on 7-kanavainen, 16-askeleinen step-sequencer, yksi kanava kerrallaan editoitavana. 7 x 16 askeleen patterneja voi tallettaa kaksi. Käyttölogiikka samankaltainen kuin TR-808:ssa.



Äänigeneraattorit

Äänigeneraattoreita leipälaudalla
Äänigeneraattorikortteja valmiina
Sekvensseri leipälaudalla
Sekvensserikortit valmiina
Kotelonluovuttaja
Rungon sovittelua pahvimallin avulla
Rungon osat valmiina
Johdotus alussa
Kokoaminen edistyy
Kaikki vihdoin paikallaan

Äänigeneraattoreihin on katsottu vahvasti mallia yllä mainituista lähteistä, mutta tarkoitus ei ole ollut rakentaa mahdollisimman autenttista kopiota. Kytkentöjä on muokattu vapaasti varioiden eri syistä:

  • komponenttien saatavuus
  • haluttu saada generaattoriin säätömahdollisuus, jota alkuperäisessä ei aina ollut
  • kriittiset ratkaisut alkuperäisissä, jotka hankala saada kunnolla toimimaan hiukan poikkeavilla komponenteilla
  • protokytkentöjen kuunteleminen
  • koska huvitti

Alkuperäisissä Bossin ja Korgin kytkennöissä on käytetty hankalia japanilaisia transistoreja ja operaatiovahvistimia, joten näiden osalta on lähdetty suoraviivaiselle linjalle: laitteen kaikki transistorit ovat BC547/557 ja operaatiovahvistimet TL072.

Vaikka monenlaisia muutoksia on tehty, lopputulokset kuulostaa yllättävänkin paljon samalta kuin alkuperäiset laitteet YouTube-videoilla. Ja kun tavoite ei ollut saada 100% samaa ääntä ulos, oikeaa vastausta kysymykseen "miltä tämän pitäisi kuulostaa?" ei ole.


Boss DR-55 generaattorit

DR-55 on varsin yksinkertainen laite, ja sen äänigeneraattorit on toteutettu kokonaan transistoreilla, laitteessa ei ole yhtään operaatiovahvistinta. Jopa miksaukset on toteutettu passiiviisina. Äänigeneraattoreita on vain 4: bass drum, snare drum, hi-hat ja rimshot. Selvästi ollut tavoitteena saada laitteesta halpa.

Vaikka laitteen sekvensserissä on ohjelmointimahdollisuus, siinä ei ole mikrokontrolleria, vain muistipiiri ja muutama piiri hajalogiikkaa.

Käytin tästä kolme äänigeneraattoria, BD, SD ja HH, sekä accent-piirin, jonka tehtävä on päästää triggaushetken jälkeen hetken aikaa ääni läpi, jotta saadaan aikaan sekvensseriin tahdistettuja korostuksia rytmiin. Myös kohinageneraattoria leipälautailin, mutta se oli hankala saada toimimaan kunnolla, ilmeisesti vaatii transistoreilta tarkasti tietyt ominaisuudet. Otin kohinageneraattorin sitten Korgilta.

HH-generaattorissa on n. 9 kHz kaistanpäästösuodatin, jossa on käytetty 45 mH kelaa. Löysin romulaatikosta ilmasydämisen kelan, joka oli mittausten mukaan 52 mH. Mitattu päästökaistan keskitaajuus ei tuosta muuttunut merkittävästi verrattuna alkuperäisen kytkentäkaavion arvoista laskettuun.

SD-generaattori muodostuu kahdesta samanaikaisesti trigattavasta generaattorista: vaimeneva, likimain sinimuotoinen n. 220 Hz taajuuspurske ja vaimeneva kohinapurske. Nämä pitää pystyä miksaamaan yhteen. Alkuperäisessä kytkennässä miksaus on tehty passiivisesti, joka vaatii aika tarkkaa impedansseilla pelaamista, jotta se toimisi kunnolla. Lisäsin tähän operaatiovahvistimella tehdyn aktiivimikserin, jota on paljon helpompi hallita.

Alkuperäisissä äänigeneraattoreissa ei ollut mitään säätömahdollisuuksia. Valitsin kaikista jonkun sopivan vastuksen, jonka toin ulos kytkennästä liitettäväksi etuseinän potentiometriin, jolloin pääsee säätämään generaattorin soundia. Lisäksi takapuolella on trimmerit, joilla voi säätää SD:n ja HH:n kohinan tasot.


Korg KR-55 generaattorit

KR-55 on huomattavan monimutkainen laite, kytkentäkaaviotakin on sivutolkulla, kun Bossin kytkentä mahtuu yhdelle sivulle. Generaattorien kytkennät perustuvat pääasiassa operaatiovahvistimiin, transistoreita on sitten tarpeen mukaan. Suunnittelijalle annettu tavoitehinta on ollut selvästi korkeampi kuin Bossin tapauksessa.

Kohinageneraattoreita on kaksi: analoginen ja digitaalinen. Analogista käytetään snareen, digitaalista hi-hattiin ja cowbelliin. Sekvensseripuoli perustuu kiinteisiin, ROM:ssa oleviin rytmeihin, sitä ei voi ohjelmoida. Myöskään tässä ei ole mikrokontrolleria.

Otin tästä neljä äänigeneraattoria: BD, SD, rimshot ja claves, sekä analogisen kohinageneraattorin. Hi-hatin ja combellin jätin pois, koska ne olisivat edellyttäneet digitaalisen kohinageneraattorin mukaan ottamista, ja se on varsin monimutkainen: siinä on 8 säädettävää kanttigeneraattoria, jokaisessa yksi operaatiovahvistin, joita sitten summataan XOR-porteilla ja transistoreilla. Pakko yrittää pitää laitteen BOM jotenkuten aisoissa.

Tämän analoginen kohinageneraattori on paljon ongelmattomampi kuin Bossissa: se on perustuu perinteiseen takaperin biasoituun transistorin kanta-emitteriliitokseen, jonka kohinaa vahvistetaan operaatiovahvistimella. Testailin tässä useampia transistoreja ja päädyin sitten vanhaan kunnon BC108:aan, joka kuulosti parhaalta. Tämä sama generaattori tuottaa kohinan kaikille tarvitseville: molemmille hi-hateille ja snareille. Lopputuloksena siis Bossinkin HH ja SD käyttävät epäortodoksisesti Korgin generaattorin tuottamaa kohinaa.

Kaikkiin generaattoreihin on taas lisätty säätömahdollisuuksia, sekä etuseinän potentiometreillä että takaseinän trimmereillä. Claves on ainut soundi, jota ei voi säätää etuseinän potentimetrillä, siinä ei ollut oikein mitään järkevää säädettävää.


Andromeda Space Rockers -generaattorit

Näiden laitteiden lähtökohta on hyvin erilainen kuin edellä olleiden: ne ovat harrastelijan tekemiä rakennussarjoja, joiden ajatus on olla pieniä itsenäisiä yksiköitä, jotka osaavat potkia toisiaan IR-pulsseilla, jolloin niitä fyysisesti järjestelemällä voi saada aikaan kiinnostavia rytmikuvioita. Niitä voi ohjata myös reaaliajassa LDR-vastusten kautta. Mitään sekvensseripuolen ominaisuuksia en hyödyntänyt, otin näistä pelkästään äänigeneraattoreita käyttöön.

Käytin tästä kaksi generaattoria: MK2, josta tein hi-hatin, ja MK1, jonka käytin kahteen kertaan eri komponenttiarvoilla, joista tuli tom lo ja tom hi.

MK2 oli hiukan ongelmallinen kytkentä, en saanut sitä alkuperäisenä oikein toimimaan haluamallani tavalla, joten aikani leipälaudalla sitä testattuani siihen tuli loppujen lopuksi aika paljonkin modifikaatioita. Ehkä perussyy oli siinä, että hain toista hi-hattia, ja tätä ei ole tehty erityisesti sellaiseksi, enemmänkin yleiskäyttöiseksi kohinapohjaiseksi noise-makeriksi.

MK1 on aika yksinkertainen, kaksi rinnakkaista T-siltaoskillattoria. Tästä tein kaksi toteutusta tomeiksi muuttamalla passiivikomponenttien arvoja. Nämä ei kovin paljoa kuulosta tomeilta, ehkä enemmän bongoilta. Jälleen tuo, että kytkentä ei ole tehty muistuttamaan mitään olemassa olevaa soitinta. Mutta ihan hyvä olla tällaisiakin joukossa.

Näissä kytkennöissä on erilaisia säädettävyyksiä ajateltu jo valmiiksi. Niissä on alkuperäisissä kytkentäkaavioissa LDR-vastukset, jotta saadaan live-efektejä käsiä heiluttelemalla. Korvasin LDR:iä etuseinän potikoilla ja takaseinän trimmereillä.



Sekvensseri

Tämän tasoinen sekvensseri olisi helppo tehdä mikrokontrollerilla, mutta kun tavoite oli hakea enemmän tai vähemmän autenttisuutta 70-luvulta, pitäähän sitä mennä hajalogiikalla. Siihen aikaan mikrokontrolleri oli kallis kapistus. Tuollaisen logiikan suunnittelemisessa tyhjästä on kylläkin jonkin verran hommaa.

Törmäsin netissä sitten 7400-contest-kilpailutyöhön, jossa oli tehty kokonainen rumpukone 7400/4000-sarjan logiikalla. Siis myös äänigeneraattorit, mutta ne eivät nyt kiinnostaneet. Sen sijaan sekvensseriosuus vaikutti varsin sopivalta pohjalta.

Alkuperäisessä sekvensserissä pattern-muistina oli 74LS189, joka on 16 sanaa x 4 bittiä RAM. Tämä rajoittaa kanavien määrän neljään, mikä oli tarkoituksiini liian vähän. Toki olisi voinut laittaa kaksi muistipiiriä rinnakkain, mutta päätin kuitenkin käyttää varastoista löytyviä Mostekin 2k x 8 bit Zeropower-RAMmeja tähän. Ne ovat standardi 2k-RAMmin nastajärjestyksellä, mutta sisältävät litium-pariston, joka säilyttää muistin sisällön, kun piiriltä katkeaa virta. Tuli todistettua, että valmistajan lupaus 10 v säilytysajasta on alakanttiin: näin lähemmäs 40 v jälkeen piiri toimii hyvin ja säilyttää datan. Tässä tuli samalla pieni aikahyppy 80-luvun puolelle: näitä ei ollut tarjolla vielä 70-luvulla. Mutta tällä saadaan kuitenkin aikaan sähkökatkon yli säilyvät patternit. Ja patternejahan piiriin mahtuisi 128, mutta en viitsinyt tehdä monimutkaista valintakytkintä tätä varten, siinä on nyt mahdollisuus vain kahdelle patternille, eli piiristä on käytössä 32 tavua.

Tämä ja muutama muu asia aiheuttivatkin sitten jo aika monta muutosta alkuperäiseen kytkentään:

  • Normaali RAM on tarkoitettu mikrokontrollerin väylälle, eli data sekä tulee että menee samoista nastoista. Tällaisessa kytkennässä tämä vaikeuttaa asioita verrattuna 74LS189:ään, jossa on erilliset nastat kirjoitettavalle ja luettavalle datalle. Vaatii jonkin verran logiikkaa ympärilleen.
  • Alkuperäinen kytkentä on tehty triggaamaan logiikkapiireillä tehtyjä äänigeneraattoreita, eli trigger-pulssit ovat hyvin lyhyitä. Käytetyt analogiset äänigeneraattorit on optimoitu 10 ms mittaiselle trigger-pulssille => pulssien generointilogiikka muuttuu.
  • eBaysta löytyneet kohtalaisen hyvälaatuiset valopainikkeet olivat siitä ikäviä, että niiden sisällä on ledille valmiiksi etuvastus, mitoitettuna 6V jännitteelle. Koska ledejä ajetaan multipleksatusti, niihin pitää saada enemmän virtaa pulssin aikana, jotta ne ei jää liian himmeiksi. Koska etuvastus on kiinteä, pitää jännitettä nostaa => tarvitaan driverit (ULN2003) ajamaan ledejä, jotta niitä voidaan ajaa n. 15 V jännitteellä.
  • Koska kanavia on 7, niiden valintaan tarvitaan 3 bittiä. Alkuperäinen periaate olisi vaatinut 3x7-asentoisen kiertokytkimen, jota ei nyt ollut => piti lisätä enkooderi one-hot -> 3-bit. Tämä vastaavasti sitten säästää dekooderin, joka alkuperäisesä kytkennässä oli.



Elektroniikan rakenne

Kaikki edellä kuvattu elektroniikka on koottu yhteensä kahdeksalle piirilevylle:

  1. DR-55 soundgen
    • 3 äänigeneraattoria: DR-55 BD, SD, HH
  2. KR-55 soundgen
    • 3 äänigeneraattoria: KR-55 BD, SD; ASR MK2 HH
  3. Perc soundgen
    • 4 äänigeneraattoria: KR-55 rimshot, claves; ASR MK1 hi-tom, lo-tom
  4. Main mixer
    • main mixer, accent mixer, accenter-piiri, kohinageneraattori
  5. Sequencer 1
  6. Sequencer 2
    • sekvensseri jaettu kahdelle piirilevylle, koska yhdelle ei mahdu
  7. Audio amp
    • Nordmenden alkuperäinen päätevahvistin + poweri
  8. Aux power
    • äänigeneraattorien + sekvensserin powerit


Kytkentäkaaviot ja piirilevykuvat:


Äänigeneraattorien kortit syövyttelin perinteiseen tyyliin itse, koska niistä tuli aika yksinkertaisia, ne onnistui hyvin yksipuolisina. Lisäksi arvelin, että niitä joutuu puukottamaan, itse syövytetyissä se on helpompaa, kun ei ole juotteenestopinnoitteet tiellä. En niitä paljoa puukottanut kuitenkaan, huolellinen leipälautailu kannattaa. Passiivikomponentteja on aika paljon, mutta muuten ovat suoraviivaisia levyjä. Tässä on myös hiukan poikettu autenttisuudesta: 70-luvulla tätä ei olisi tehty pintaliitoksilla. Mutta ilman sitä kortteja olisi tullut vielä enemmän, äänigeneraattorit vie jo nyt 4 kpl ilmais-Eaglen maksimikokoisia kortteja. Toki tuo pakottaa myös järkevään modularisointiin, mikä ei ole ollenkaan haitaksi.

Jokaisen äänigeneraattorin lähtö tuodaan kortilta erikseen ulos ja viedään etuseinän tasonsäätöpotikoille. Näiden jälkeen signaali viedään mikserikortin päämikserille, joka miksaa ne yhteen, yhdeksi monosignaaliksi. Tämä lähtee pää-volume-säädön kautta line-out-liittimelle ja audiovahvistimelle.

Jokaisella äänigeneraattorikortilla on operaatiovahvistin accent-alimikserinä, joka miksaa kaikkien kortilla olevien generaattoreiden lähdöt yhteen. Kultakin kortilta saadaan siis ulos sekä jokaisen generaattorin lähtö erikseen että näiden miksaus, vietäväksi mikserikortin accent-mikserille. Tämän tulos viedään sitten Bossista otetulle accent-piirille, joka tahdistaa sen sekvensserin accent-kanavan pulsseihin, ja siitä sitten etuseinän accent-tasonsäädön kautta päämikserille sekoitettavaksi kaikkeen muuhun.

Sekvensseri on sen verran monimutkaisempi, että en edes yrittänyt näitä syövytellä itse, niistä tuli ilman muuta kaksipuolisia, aika paljon vioja ym. Silti kytkentä vei kaksi Eagle-yksikköä tilaa. Elecrow nämä teki ja hyvin sujui. Tässä on osittain pintaliitoksia, osittain DIP-piirejä, tärkeimpänä valintakriteerinä se, missä muodossa piiri sattui löytymään omista tai Hacklabin varastoista. Montakaan piiriä en tätä varten ostanut.

Audiovahvistin on Nordmenden alkuperäinen ja syöttää radion alkuperäistä kaiutinta.

Poweriosastoon kannattaa tämän kaltaisessa analogialaitteessa kiinnittää huomiota. Tässä on nyt kolme eri poweria, jotka kaikki kelluvat toisiinsa nähden. Tällöin pääsee kytkemään maat yhteen optimaalisessa paikassa häiriöiden kannalta. Laitteesta tuli kohtuu hiljainen, mutta kyllä siellä silti hurinaa löytyy, kun lisää volumea.

  • Äänigeneraattoreita syötetään Nordmenden verkkomuuntajan erillisestä toisiokäämistä, joka alkujaan syötti pelkkää asteikkolamppua. Jokaisella kortilla on oma paikallinen 12V lineaariregulaattori.
  • Sekvensserillä on oma poweri verkkomuuntajasta alkaen, josta tehdään 5V logiikalle ja 15V painikkeiden ledeille.
  • Audiovahvistimen verkkomuuntaja ja poweri on Nordmenden alkuperäinen.



Kotelointi

Koska 70-luvun hengessä mennään, oli oleellista saada myös laitteen ulkonäkö heijastelemaan teemaa. Visiona oli, että 70-luvun pöytäradio voisi olla sopiva koteloksi, mm. tämän videon innoittamana: https://youtu.be/l5nAWA-_Jxk Tuossa on tosin sovellettu radiota hauskasti muutenkin kuin kotelona.

Kotelon virkaan valikoitui lopulta Huuto.netissä myynnissä ollut Nordmende Fidelio noin vuodelta 1976, joka oli ulkoisesti siistissä kunnossa. Kotelon lisäksi radiosta jäi käyttöön kaiutin, päätevahvistin ja verkkomuuntaja. Onpa ainakin vahvistin autenttista 70-lukua, päätetransistoreinakin aito AC187/188-pari.

Radiota ostaessani kuvittelin, että kotelo olisi puuta, mutta se osoittautuikin muoviksi. Kaikki 5 seinää muodostavat yhden, kerralla valetun kappaleen, joka vähän hankaloittaa kotelon käyttöä. Toki vastaavasti olisi varmaan ollut puukotelonkin kohdalla, kun se on liimattu kasaan, mutta muovivalu mahdollistaa uudelleenkäytön kannalta hankalampia muotoja. Näiden kanssa joutui jonkin verran pähkäilemään ja sovittelemaan.

Perusrakenteena on alumiinilevystä tehty runko, jossa lähes kaikki komponentit ovat kiinni. Runko työnnetään kotelon sisään yhtenä kokonaisuutena. Sekvensserin painikerivi on suoraan kotelossa kiinni, mikä hiukan hankaloittaa rakennetta. Painikkeista tulee iso määrä johtoja muulle elektroniikalle ja painikkeet jäävät paikalleen, kun vetää rungon ulos kotelosta. Tämän mahdollistaminen vaati jonkin verran temppuilua.

Painikkeet ovat radion alkuperäisten käyttöpainikkeiden ja liukupotentiometrien tilalla. Kotelossa ei ollut oikein mitään, minkä varaan ne olisi saanut tukevasti kiinni, muovi tuossa kohdassa on hyvin ohutta ja paikotellen sitä ei ole ollenkaan. Suunnittelin siihen alumiinisen tukilistan, jonka varassa painikkeet ovat. Muovikoteloon oli valettu siinä määrin hankalia muotoja, että alumiinilistasta tuli aika vaikean muotoinen käsin tehtäväksi, joten päätin suunnitella sen Fusionilla ja tehdä Lotalla. Minulla ei ole Lotta-oikeuksia eikä osaamista, mutta anttijh:n suosiollisella avustuksella se saatiin yhden syksyisen, pitkäksi venyneen illan aikana tehtyä onnistuneesti.

Etuseinän potentiometrit ja kytkimet ovat kiinni alumiinirungon etulevyssä. Niiden edessä on akryylistä laserleikattu etulevy, joka (pitkällisten sovittelujen ja useiden koekappaleiden jälkeen) solahtaa paikalleen radion alkuperäisen asteikkolevyn tilalle. Etulevy on tehty siten, että kirkas akryyli on ensin spray-maalattu mustaksi takapuolelta, siihen kaiverrettu laserilla tekstit ja sen jälkeen uusi spreijaus vihreällä. Muutaman harjoittelun (ja softien kanssa tuskailun) jälkeen lopputulos on yllättävänkin hyvä. Lisäsin vielä muutaman valkoisen ledin valaisemaan levyä ylhäältä, koska jokaisessa vanhan ajan radiossa on valaistu asteikko, ja niin oli tässäkin.