Sequential Circuits TOMの内部

1985年発売のSCI製リズムマシン「TOM」、前回電源を作成して音が出るようになりましたが、スネアのボタンがチャタリングっぽくなっていたので、そちらも修繕しました。

こちらがボタンのキャップを外したところです。

筐体は単なる穴の開いた鉄板で、その穴から基板上のキースイッチが直接頭を覗かせている構造ですので、キースイッチの周辺は埃だらけです。
どうも原因は埃だったようで、キャップを外して埃を吹き飛ばしただけで直りました。
古い装置は、こういう大雑把なところが魅力でもあります。

さてここからが本題です。
TOMのメンテナンスマニュアルには回路図が載っていましたので、これを元にTOMの内部構造を見てみました。
今回の記事はそのメモになります。

TOMはPCM方式のドラムマシンですので、基本的には中身はコンピュータです。
CPUはZ80、クロックは4MHzです。
以下がボードの全体像です。

右側、白いコネクタの上に、ラベルが貼られたチップが３つ見えます。
下の横向きになっている２つがPCMデータの入っているROM、縦向きになっている１つがZ80用のソフトウェアが入ったROMです。

Z80は縦向きのROMの左隣にあります。

その下にも大きなチップがありますが、これはSCIのカスタムチップで、PCMデータの再生を担当しています。
Z80はシーケンスデータの管理や全体の入出力の制御を行っています。

ちなみに右下の白いコネクタは、後述するPCMデータ拡張用ROMカートリッジを接続するコネクタです。

回路図からブロック図を描くと、以下のような感じになります。

ソフトウェアは16KBで、RAM領域が8KB×4 = 32KB分あります。

RAMは1つが基板に直付けされ、増設できるようにソケットが3つ用意されています。
このRAMはシーケンスデータ保存用で、バッテリでバックアップされています。
上の写真では、RAMはZ80用ROMの右側に並んでおり、RAMが１つ増設されていてソケットは２つ空いています。

MIDIインタフェースにはMC6850が使われています。
ボード上では、このチップはZ80の左隣にあります。
実際に搭載されていたのは、富士通製のセカンドソースチップMB8863Hでした。

このほか、カセットテープインタフェースやクロックインターフェースがありますが、これらの回路はロジックICで構成されていました。

次に、PCMサウンドを再生するカスタムチップ周辺です。
ブロック図は以下のような感じです。

カスタムチップがPCMデータを格納したROMのアドレスを指定すると、ROMのデータがDACへ送られます。

DACは１つしか有りません。
この１つのDACで、時分割で4チャンネル分のDA変換を行います。
アナログ値に変換されたデータはデマルチプレクサによって、４つのホールド回路へ分配されます。
従って、TOMは4音まで同時に出すことができます。

DACは回路図では「DAC86」と記載されていますが、実際に搭載されていたのはAMDのAm6070です。
データシートを見ると「DAC-76にピンレベルで上位互換」みたいなことが書かれていますので、DAC86は他社製品なのかもしれません。
ちなみにAm6070はLinnDrumでも使われていたそうです。

DACの入力データは8bitですが、PCMデータそのものではなくμLawコーデックのデータとなっています。
μLawは電話などにも使われているコーデックで、ざっくり言うと生のPCMデータの対数を取ったものです。対数なので音量が大きいときにも小さいときにも、そこそこの精度で波形を再現できます。
データシートによるとダイナミックレンジは76dB、量子化ビット数は12bit（符号付き）です。

DACのVREF入力は、アナログ信号の振幅の大きさを制御します。
つまり音量調節です。

この音量制御は、カスタムチップから4ビットの制御線が出ていて、抵抗を組み合わせて5Vを分圧するようになっています。
抵抗が１つも接続されないときはVREFが10KΩでアースに落ちますので、無音になります。
160KΩだけがつながったときは、係数は10/(10+160+1) = 0.058
全ての抵抗がつながったときは、並列接続された抵抗が1/(1/18+1/51+1/100+1/160) = 10.9KΩになりますので、係数は10/(10+1+10.9) = 0.457
となります。電圧は5Vですから、VREFは音量最大のときは2.28Vくらいになる計算です。

実際の回路図は以下のようになっています。
赤で囲った部分がDA変換、青で囲った部分が音量調節、紫で囲った部分がPCMデータのあるROMおよびカートリッジです。