Roland αJunoのDCO(2)

juno-dco-clock.jpg

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。

juno60-8253.png

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。

juno106-clock.png

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。

juno106-range.jpg

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。

alpha-juno-clock.png

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DCO(1)

alpha-juno-dco.jpg

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。

alpha-juno-dco1.png

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。

alpha-juno-dco2.png

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。

juno-dco.png

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。

αJunoのLCDのLEDバックライト化検討

ledbacklight.jpg

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。

ledbacklight1.jpg

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。

alpha-juno-lcd6.jpg

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。

ledbacklight3.jpg

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。

ledbacklight2.jpg

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。

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ledbacklight5.jpg

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。

ledbacklight6.jpg

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

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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。