楽しくやろう。

JunoシリーズのDCOは、マスターオシレータの信号から鋸波を、さらに鋸波から矩形波を生成します。
鋸波と矩形波は同時に用いることができるので、1DCOながら比較的複雑な波形をつくることができます。

今回は鋸波以外の波形の生成方法を見てみます。
次の図はJuno-60のメンテナンスマニュアルに掲載されている矩形波生成の解説です。
他のシンセサイザ（山下シンセとか）でも使われている手法で、鋸波や三角波と、パルス幅を指定する電圧をコンパレータ（水色の部分）に入力して比較するというものです。

PWM制御のための信号はスライダやLFOで制御します。
Juno-6ではLFO・スライダ・エンベロープから選択するようになっていたようです。
Juno-60は音色をメモリできるようになったため、設定値をいったんA/DでCPUに取り込み、D/Aで制御信号を生成しています。

Juno-106も同様にD/AでPWMの値を生成しています。
このとき用いられるDAコンバータは、前回紹介したDCOの鋸波用CV信号を生成していたDAコンバータを時分割で共用しています。

次に、サブオシレータの信号生成を見てみます。
サブオシレータは、メインのオシレータより1オクターブ低い音を生成して、低音の厚みを増す働きがあります。
Junoシリーズのサブオシレータは矩形波のみで、鋸波はありません。
生成メカニズムも比較的単純で、Juno-6/Juno-60/Juno-106では8253で生成された矩形波をフリップフロップで1/2に分周するだけです。
以下がその部分の回路です。


Juno-106では、これまで見てきた鋸波、PWMつき矩形波、サブオシレータの3つの波形生成をカスタムチップ（MC5534A）に納めています。
ワンチップで2チャンネル分が入っていますので、1台のJuno-106に3つのMC5534Aが入っています。

これはASICではなく、専用基板上に表面実装したモジュールをプラスチックでモールドしたものです。コストダウンのためというより、小型化のためかもしれません。
海外では、互換チップも作られています。

D5534A JUNO-106 MC5534A WAVE GENERATOR IC REPLACEMENT

最後に、ノイズジェネレータを見てみます。
ノイズジェネレータはチャンネルごとにあるのではなく、共通のノイズジェネレータの信号が各チャネルにミックスされています。
次の図はJuno-60の回路図です。
図で右側からピンクのラインで入力されているのがノイズ信号です。

Juno-106でも、同様にノイズ信号はMC5534Aの出力（1つ前の図の14番ピン）とミックスされているだけです。

このノイズ信号を生成するノイズジェネレータですが、次の図の上がJuno-60、下がJuno-106のノイズジェネレータです。
見て分かるようにほぼ全く同一の回路です。

方式自体は一般的なもので、トランジスタ（2SC945）のベース・エミッタ間にに逆電圧をかけて降伏させ、発生したノイズをOTAで増幅しています。
増幅に「BA662」というチップが用いられていますが、これはローランドの製品に数多く用いられているローランドのオリジナルのチップだそうです。
これも、海外では互換品が作られています。

BA662 Clone | Open Music Labs

これで基本的な波形生成は終わりなのですが、実はαJunoには、αJunoだけの特有の波形があります。
残念ながらαJunoのDCOはチップ化されているため、内部は推測するしかありませんが、次回はαJunoのDCOについて考えてみます。

前回はマスタークロックからピッチ信号を生成する仕組みについて書きました。
ここで生成されるのはタイマーで生成された矩形波ですが、Junoシリーズでは、この矩形波の周波数に従って鋸波を生成し、さらにそこからPWM制御された矩形波を生成しています。

鋸波の生成については、前々回で基本的な仕組みを書きました。
コンデンサを放電させるタイミングを制御することによって、周波数を制御しています。

この仕組みを実現した実際の回路は、Juno-60のメンテナンスマニュアルでは以下の図ように示されています。
プログラマブル・タイマ8253で生成された矩形波は微分回路を通り、パルス波に変換されます。
パルス波はトランジスタに入力され、コンデンサC7を放電させます。
コンデンサC7はオペアンプと共に積分回路を構成しており、トランジスタのコレクタ・エミッタ間が導通していないときは一定の電流でC7が充電されます。
このため、パルス波が来るまで、オペアンプの出力電圧がだんだん上がっていきます。
（実際には、オペアンプは反転入力なので、波形は0Vから負電圧方向へ電圧が増加していきます。）

この際、C7を充電する電流は発生したい周波数に応じて調節する必要があります。
C7を充電する速度がいつも同じだと、高い周波数ではC7があまり充電されていないのに放電させることになり、結果的に生成される鋸波の音量が小さくなってしまうからです。

そうならないように、鋸波の電圧上昇の傾きを制御しているのが、上の図で緑のオペアンプから出力されている制御電圧（CV）信号です。
緑のオペアンプは、入力された電圧を記憶するホールド回路となっています。
ホールド回路が必要な理由は、6ch分の制御電圧を時系列で生成しているためです。

MIDIでは、ノートナンバー0（C -1）からノートナンバー127（G9）まで指定可能ですが、対応する波の周期は次の図に示すように122msecから79.3μsecまで変化することになります。（実際には、さらにピッチベンダなどにも対応しなければなりません。）
制御電圧は、この周期でちょうど同じ高さの波が生成できるような値である必要があります。


次の図がJuno-60での制御電圧生成部のブロック図です。
右端がホールド回路で、4051によるデマルチプレクサが時系列に生成されたCV信号を6個の音源へ振り分けています。
制御電圧を決めているのは図左端の7bit D/Aコンバータですが、ここではCVを等差級数的に生成し、Anti-Log Ampで等比級数的な電圧変化に直してるようです。
楽器の音程は等比級数（1オクターブあたり2倍）になりますので、制御電圧も等比級数的になるからです。

ちなみにD/Aが7bitということは、0〜127の範囲で変わるということですから、おそらく鍵盤のキー１つ１つに対応してCVが生成されているということだと思います。
ピッチベンダ等で周波数がスイープするときには7bitの解像度では不十分なはずですが、その補正はAnti-Log Ampにあるもう１つの入力で行っているようです。

Juno-60の後継であるJuno-106では、D/Aは12bitになっています。
前回書いたように、Juno-106ではマスターオシレータの周波数は固定され、ピッチベンドやLFOの情報もタイマーの設定値に反映されますが、同様に波形生成のCVについても、全てCPUから指定するようになっています。
回路図を見ると、次の図のような構成になっているようです。

D/Aは12bitとなっており、4050でバッファした後、R-2Rラダー型のDAコンバータで電圧を生成します。
その出力は4051によって6チャンネル分の音源部へ分配されるほか、サブオシレータのレベルの指定やVCF、VCAなどのレベル指定にも使われています。
分配された信号はJuno-60同様にホールド回路で保持されます。

また、前回書いたとおり、Juno-106ではDCO RANGEの指定により1オクターブ上・下の音を生成することができますので、DCO RANGEの設定を反映させるために4052で3種類の抵抗を切り替えています。

鋸波の生成については以上ですが、次回はPWM、サブオシレータ、ノイズ生成の回路を紹介します。

前回、DCOはマスタークロックをカウンタでカウントして希望の周波数の信号を生成していることを書きました。
マスタークロックの生成方法やカウンタ周辺の回路は、Junoシリーズの中でも変遷しています。

Juno-6からJuno-106までは、8253というプログラマブル・タイマICが用いられています。
これは16ビットのカウンタですので、入力クロックを最大65536分の1まで分周できます。
1つの8253に3つのカウンタが入っており、Junoシリーズは6音ポリなので、8253を２つ使って6つのカウンタで6つの周波数を生成しています。
αJunoでは8253は使われておらず、DCOチップにすべて集約されています。

デジタル制御のオシレーターを採用したのはJUNOシリーズが最初で、その肝の部分で使ったパーツがNECのμPD8253というチップなんです。実はそのチップを使った製品はJUNOが最初ではなく、正確にはその前のEP-09（註：エレクトリック・ピアノ）で初めて使ってみたんですよ。それで上手くいったので、シンセサイザーでも使うことにしたと。

Roland - Roland Boutique 製品開発ストーリー #2

Juno-6/Juno-60の8253周辺の回路図です。
この頃は回路図もまだ手書きだったんですね。
8253のOUT1〜OUT3からCH1〜CH3のための信号が出力されています。

左のほうに「1.902MHz」という記載がありますが、これがマスタークロックの周波数です。
メンテナンスマニュアルのP14の記載によると、マスタークロックの周波数は可変になっていて、

・ピッチベンダ
・LFO
・チューニング

の値を電圧で与えることによって1MHz〜3.5MHzまで変動するようになっているそうです。
クロックを生成する発振回路はアナログで、可変容量ダイオード（バリキャップ）を使った、電圧で周波数を制御できる発振回路になっています。

マニュアルには、ピッチベンダやLFOがゼロ、チューニングが442Hzのときの例として、
「マスターオシレータが1902810Hz、カウンタの設定値が4305であるとすると、442Hzの矩形波が生成される」
と記載されています。つまり　1902810 / 4305 = 442　というわけです。

続くJuno-106では、発振回路が様変わりします。
下図は発振回路の周辺の回路図です。
水晶発振子が使われており、周波数は8MHz固定になります。
そして、その出力は4ビットカウンタ40H161で分周されてから8253へ送られます。

この4ビットカウンタの設定値は、Juno106のDCO RANGEのパラメータで制御されると思われます。
このパラメータの16'、8'、4'という表現はJuno以外ではあまり一般的ではないかもしれませんが、8'（8フィート）が標準設定で、4'に設定すると1オクターブ高い音、16'にすると1オクターブ低い音が出力されます。

先ほどの回路図では、40H161のAがL、DがHになっていますので、設定値は1XX0になります。
つまり、設定可能な値は8（1000）、10（1010）、12（1100）、14（1110）となりますが、カウンタは4bitアップカウンタですので、設定値からカウントアップしていって16になったときにパルスが出力されます。
従ってそれぞれの設定値の場合の分周率は1/8、1/6、1/4、1/2ということになります。
DCO設定が16'のとき1/8、8'のとき1/4、4'のとき1/2に分周されるとすると、8253への入力は1MHz、2MHz、4MHzとなり、8'のときのマスタークロック周波数はJuno-6/60とほぼ同じ設定値になっています。

Juno-106では、マスタークロックにはピッチベンドやLFOの値が反映されません。
これらの値はA/DコンバータによってCPUへ取り込まれ、8253へ設定する値に反映されています。
ちなみにCPUは、NECオリジナルのμPD7810Gという8ビットプロセッサです。

αJunoでは8253はDCOチップへ集約されていますので、下図のような非常にシンプルな構成になっています。
クロックは12MHzになっていますが、これはCPUクロックとの共用になっています。
Juno-106でもCPUクロックは12MHzでしたが、DCO用のクロックは8MHzを別に用意していました。
こんなところもコストダウンの努力なのでしょう。

DCOチップの内部は分かりませんが、12MHzを1/3分周、1/6分周、1/12分周して4MHz、2MHz、1MHzを生成しているのではないかと思います。
ちなみに、αJunoではDCO RANGEに32'という設定も追加され、標準よりも2オクターブ低い音も出せるようになっています。なので、1/24分周した500KHzも生成しているかもしれません。

ピッチベンドやLFOはJuno-106同様、A/Dコンバータでデジタル化して、DCOでの分周カウンタの設定値へ反映されます。
αJunoのCPUは、有名な8051という8ビットCPUの強化版である8052の内蔵ROM無し版である8032です。
このCPUにはA/Dコンバータは無いので、A/Dコンバータは専用チップμPD7001Cが使われています。

というわけでようやくピッチ信号生成の説明が終わりましたが、次回は波形生成を見ていきます。

Roland αJunoの最大の特徴をひとつ挙げるとすると、DCOになると思います。
JunoシリーズはJuno-6、Juno-60、Juno-106、αJunoの4シリーズですが、すべて「6音ポリ」「1DCO/Voice」という仕様が共通しています。
この制約の中で、シンセサイザーとして「良い音」を追求した結果がJunoシリーズのDCOです。
JunoシリーズのDCOは当初から一貫してユニークな発想で構成されていますが、αJunoのDCOはその集大成と言えるでしょう。

「DCO」＝Digitally Controlled Oscillatorなので、アナログシンセじゃなくてデジタルシンセなのでは？

という印象を持ってしまうかもしれませんが、DCOは現代のソフトシンセのような、D/A変換で波形を生成するものではありません。

JunoシリーズのDCOは、Juno-6/60ではチップ化されておらず、Juno-106で2DCOをワンチップにしたMC5534Aが開発され、αJunoで6DCOがワンチップ化されました。
αJunoのDCO「MB87123」は出力端子が6個（6音ポリなので）、チップに命令するためのアドレス／データ兼用の8bitバス、バスがアドレスを指定することを示すALE、それにクロックとチップセレクトの信号しかありません。

洗練されすぎていて内部で何をしているのか分かりませんが、87123の内部構成は簡単なブロック図がメンテナンスマニュアルに掲載されています。

この図を見ると、クロックからピッチ信号を生成し、そのピッチ信号で鋸波、矩形波、サブオシレータの3つの波形を生成していることが分かります。

その波形生成の仕組みについては、αJunoのメンテナンスマニュアルには書かれていないのですが、Juno-6/60/106のメンテナンスマニュアルには解説がありました。
中でもJuno-60のマニュアルが一番詳しく書かれています。

DCOで鋸波を生成する仕組みを非常に単純化すると次の図のようになっています。



左側から電流を流すと、時間の経過に従ってコンデンサに電荷が貯まり、Aの部分の電圧が上がっていきます。
ここで、スイッチを押すとコンデンサの電荷が放電されて、電圧が一気に下がります。
スイッチを離すと、また電荷が貯まり始めて電圧が上がっていきます。
この「スイッチを押す周期」を制御すれば、希望の周波数の鋸波が得られます。

スイッチを押す、とは波形の生成をリセットすることに相当します。
JunoシリーズのDCOは、波形をリセットするタイミングをデジタルで制御しています。
そのタイミングは、数MHzのマスタークロックを16bitのカウンターでカウントすることで作り出しています。
カウンターのカウント値は、生成したい周波数から逆算できます。

長くなったので続きます。

直前の記事で、αJunoのLCDのELパネル交換について書きましたが、当初はELパネルではなく、上の写真のようなLEDバックライトに交換できないかと考えていました。
結局、交換は難しいという結論になったのですが、参考までに調べた内容をまとめておきます。

バックライト用のLEDパネルは、厚みが3mm近くあります。

一方、ELパネルは厚みが0.4mmと非常に薄いものです。
LCDモジュールは基板とLCDでバックライトを挟むような構造になっていますので、ELパネルのスペースにLEDバックライトを入れるのは困難です。


LEDバックライトは、表と裏に半透明のシートを貼った透明なアクリル板に、側方からLEDの光を入れ、その光が半透明のシートで反射されながら少しずつアクリル板の表面に漏れ出るような構造になっています。
これだと、どうしてもLED素子の大きさでバックライトの厚みが決まってしまいます。
面実装タイプのLEDだと、1.0mm×0.5mmといったサイズのものもありますが、こんどは光量が不足してしまいそうです。複数使うとなると、配線が問題になります。

aliexpressで「ultra thin led backlight」といったキーワードで検索すると、0.5mm厚のLEDバックライトも存在していそうではありますが、ELパネルの置き換えにすぐ使えそうな商品は見つかりませんでした。
普通に考えれば、LCDモジュールが2,3mm厚くなったところで、困る人は少ないのでしょう。

次に、LCDモジュールごとLEDバックライトタイプのものに交換するということを考えました。
αJunoに使われているLCDモジュールは、表示が16文字×1行、コントローラが日立のHD44780という非常に広く使われていたチップになっています。
現在でも、16文字×2行のLCDモジュールはHD44780の互換品がよく使われています。
16文字×1行のモジュールは国内ではあまり見かけませんが、aliexpressなどでは普通に見つかります。
日本円にして300円程度のものですので、２つほど試しに購入してみました。

互換品を使う場合は、物理的な大きさ、接続コネクタ、プログラムから制御する際の互換性が問題になります。

まず、物理的な大きさですが、モジュールの基板サイズやネジ穴の位置は同じです。
下の写真は、上が購入した互換品、下が本来のモジュールです。

しかし、モジュールの厚みは、LEDバックライトのせいで互換品の方がだいぶ厚くなっています。
モジュールを横から見たところです。
中央の半透明の部分がバックライトになります。



以下の写真は、上が本来のモジュールを取り付けた状態、下が互換品をセットしてみた状態です。
モジュールが金具から2〜3mmほど浮いてしまっています。
長いネジを買ってくれば、取り付けは不可能ではなさそうです。


次にコネクタですが、αJunoのメインボードとLCDモジュールの間は14極のFPCケーブルで接続されています。
従って、このケーブルを挿入できるようなコネクタが入手できるのが一番望ましいです。
LCDモジュールからコネクタを取り外して使うということも考えられますが、後戻りできない道になってしまいます。


探してみたところ、14極ではなく16極のコネクタをマルツオンラインで見つけました。
タイコエレクトロニクスの6-520314-6という型番のものです。
価格は335円でした。

本体（基板取り付け側） 6-520314-6の通販ならマルツオンライン


16極ですが、LCDモジュール側はLEDバックライトのための電源も含め、もともと16個のホールがあるので、基板取り付けは問題ありません。
ケーブル取り付けの際はピン1に寄せて取り付けることが必要です。

最後に、プログラムの面での互換性です。
コントローラは互換品ですが、コマンド体系が互換というだけで、完全なコピー品ではありません。
そのため、置き換えてみたら正しく動作しないということも起こり得ます。

下記のリンク先では、αJunoのLCDをOLEDモジュールに置き換えた場合の問題点が解説されています。
αJunoのファームウェアでは、16文字×1行のLCDを8文字×2行として制御するモードで動作しており、電源ON時にLCDモジュールがこのモードで動作する前提になっているために、置き換えたOLEDモジュールでは正しく動作しないという状況になったそうです。

OLED display for Alpha JUNO 2 | Jeroen Oldenhof

この問題は互換コントローラの問題なので、実際に接続して試してみないと起こるかどうか分かりません。
この方が使われたモジュールはWinstar製ということなので、おそらく以下の商品と同じではないかと思います。

【共立エレショップ】>> OLEDディスプレイ キャラクタ表示タイプ 16文字x1行 青文字: 【能動・受動・機構パーツ】 << 電子部品,半導体,キットの通販

確かに、説明に「HD44780系コントローラとほぼ同じ操作性(イニシャライズ等一部変更が必要)」とありますね。

問題が起こってしまった場合ですが、この方は、αJunoのROMのプログラムコードを書き換えてこの問題点を解決しています。
そのためにはEPROMのプログラマと、メインボードのEPROMの交換が必要になります。

さすがに、ここまでややこしくなってくると、素直にELパネルの交換で済ませようという気になりました。
ただ、OLEDディスプレイの場合にはバックライトは必要ないので、モジュールの厚みはLEDバックライトのLCDよりも薄くなります。
そういう意味では、コントローラの互換性があるOLEDディスプレイが、交換にはベストな選択かもしれません。

Gearslutzの以下のフォーラムを見ると、そのようなOLEDディスプレイモジュールも存在するようです。

Alpha Juno Screen Replacement - Gearslutz Pro Audio Community

一番最後の書き込みで、ポーランドのTMEというメーカーのモジュールを使ったとあります。
こちらのモジュールのようです。

DEP 16101-W DISPLAY ELEKTRONIK - Display: OLED | TME - Electronic components

表示面の厚さはELバックライトのLCDと同じ5mm程度のようです。
価格が20ドルちょっとなのでやや高価ですが、試してみたい気はします。