Стилофон: понять, собрать, сыграть!

На излёте далеких 1960-х, в эпоху аналоговых синтезаторов, был создан удивительный и, как мне кажется, недооцененный музыкальный инструмент — стилофон (stylophone). В статье рассказано об истории появления этого инструмента, принципе его работы и приведен пример практической реализаций аналогового стилофона на широко доступной элементной базе.

↑ Исторический экскурс

Первые полеты в космос, рок-музыка, хиппи, психоделика… Безусловно, 1960-е были насыщенной и немного странной эпохой, поэтому вполне закономерно, что она породила такой, прямо скажем, чудной для современного человека инструмент как стилофон. Нет, действительно чудной: вместо клавиатуры контактные площадки, играют палочкой — «стилусом», соединенной проводком с самим прибором, звук резкий и откровенно синтетический. Все не как у людей.

Как показали археологические раскопки в интернете, появился предмет сего опуса на излете отвязного десятилетия, в 1967 году. Говорят, что некто Брайан Джарвис чинил детское пианино. Чинил-чинил, да и сделал стилофон. Вот что бывает, когда при ремонте остаются лишние детали, да-да…

Забавный компактный инструмент (тогдашние схемы — это два-три транзистора) с возможностями, не сильно уступающими возможностям современных ему небольших синтезаторов (конечно, речь не о студийных монстрах, а о тех простеньких клавишных инструментах, которые можно было использовать на сцене, вроде меллотрона), не то, чтобы приобрел множество поклонников, но занял определенную нишу. Нишу недорогого инструмента для студентов, подростков, начинающих гаражных рок-групп и… детей (в СССР стилофон так и выпускался до упора в виде игрушки).

↑ Стилофон и Боуи в «Space Oddity»

Новый товар надо было продвигать, и тут под раздачу попал некто Дэвид Боуи, которого производители стилофона уломали сделать им рекламу, записав на крохотном синтезаторе несколько композиций.

Боуи страдал, мучился, клял стилофон, на чем свет стоит, но условия контракта выполнил. Так на свет родилась небезызвестная «Space Oddity», чему лично я очень рад.

↑ Забвение стилофонов и его причины

На заре 1970-х стилофон решили усовершенствовать и выпустили модель для профессиональных музыкантов. Чтобы привлечь сию консервативную публику, инструменту расширили диапазон, добавили всякие эффекты обработки («квакушку», полноценное фотоэлектрическое вибрато). В результате доработок стилофон стал гораздо больше, чем первые модели (они были примерно с карманный приемник «транзистор» той же эпохи, обновленный стилофон сравним по габаритам с более поздними всеволновыми приемниками Spidola или переносными кассетниками).
Ход конем себя не оправдал. Для прежней целевой аудитории обновленный агрегат оказался неподъемно дорог, а профи продолжали воспринимать его как занятную игрушку.

В общем, канул стилофон в лету на долгие года. Что и неудивительно, ведь для полноценного использования его потенциал ограничен некоторыми «детскими болезнями». Например, стилофон по определению не может издать две-три ноты одновременно, стало быть, никакой тебе игры аккордами не выйдет. На стилофоне нельзя, как на фортепиано, варьировать силой нажатия громкость ноты (тут есть некоторое сходство с клавесином), играть на стилусе поначалу довольно непривычно…
Своеобразная штука, короче говоря.

↑ Ренессанс стилофона и «Громыка»

Но на всякой улице рано или поздно случается праздник. Вот и о стилофоне снова вспомнили. Как говорится, лучше поздно, чем навсегда. А виной тому ныне довольно известная петрозаводская команда «Громыка», которая извлекла забытое детище 1960-х из бездны забвения и дала ему вторую жизнь, перманентно используя как сольный инструмент в своем творчестве.

В основном, нынешние поклонники стилофона (и автор туда же) узнают о нем именно благодаря «Громыке». В общем, ребята стали популяризаторами, за что им огромное спасибо (да и вообще группа хорошая).

↑ Схемотехника от транзисторов к ИМС

Первые модели стилофонов были сделаны на тогдашней технической новинке — биполярных транзисторах (внимательный читатель может поправить меня, что транзистор изобретен заметно раньше, но ведь золотым веком для него были именно 1960-е). Нынешние версии, разумеется, построены на микросхемах, причем, стилофоны промышленного изготовления, как правило, на микроконтроллерной основе (я слышал о существовании diy-проектов на Ардуино, но сам не щупал, вообще же, стоит отметить, что за пределами Рунета тема развита довольно глубоко и широко), есть даже приложения-эмуляторы для смартфонов.

Мы не будем вдаваться в технологические крайности и обратимся к старой доброй ИМС таймера NE555 (выпускается и с иными буквенными префиксами, есть отечественный аналог КР1008ВИ1).

Этот таймер (кстати, он не сильно моложе стилофона) настолько легендарен в радиолюбительской среде, что в особом представлении не нуждается. Легендарность его велика до такой степени, что Коллективный Разум некогда даже породил материал под угрожающим названием «555 схем на таймере 555».
Действительно, чего только не делали на NE555: генераторы, собственно таймеры, ждущие мультивибраторы, ионофоны… да много чего. Но вернемся к нашим стилофонам.

↑ Принцип работы. Базовая схема стилофона

Вообще, первая встреченная мной не транзисторная схема выглядит вот так:

Она сходу находится любым поисковиком, но пребывает в неизменно невысоком разрешении и несколько загромождена, что может мешать вникнуть в суть, поэтому отложим пока ее в сторону и начнем, немного издалека, то есть, сначала.

Так как статья посвящена музыкальному инструменту, а не лабораторному прибору, не будем вдаваться совсем уж в технические дебри. Стоит отметить лишь, что стилофон представляет собой «генератор, управляемый напряжением» он же ГУН (в Сети нашлась вот такая веселенькая схемка):


Работает это всё примерно так. Управляющий вывод (пятая ножка) таймера используется для управления длительностью импульсов на выходе (третья ножка) путем подачи на этот самый управляющий вывод напряжения, при увеличении которого увеличивается время перезаряда конденсатора (С1 в схеме), а значит, уменьшается частота на выходе генератора. Подаваемое на управляющий вывод напряжение регулируется резистивным делителем, который в случае стилофона состоит из целой кучи соединенных последовательно резисторов (пока обозначим его на схеме условным потенциометром «Keyboard»):


Как видите, все просто, тем более, мы имеем дело с интегральной схемой, а не с «рассыпухой», отчего и деталей в схеме совсем немного. Но это в базовой, так сказать, версии, когда речь идет о принципиальной основе нашего простенького синтезатора — ГУНе. Когда впоследствии мы изобразим на схеме условный потенциометр «Keyboard» полноценной гирляндой резисторов (еще и каких-то странных номиналов, о чем ниже будет сказано), из которых электрически и состоит «клавиатура» (по сути, просто набор контактных площадок), то всё это будет уже помонструознее выглядеть, хотя, по сути, ничего не изменится.

Кстати, на изображенной выше схеме уже есть еще один важный (я бы сказал, принципиальный) для стилофона узел — прерыватель. Он собран на транзисторе VT1. Функция его в том, чтобы срывать генерацию в те моменты, когда стилус не касается «клавиш», иначе наш агрегат будет «пищать» непрерывно.

В таком виде (с «клавиатурой» и прерывателем) это уже будет полноценный стилофон. Полноценный технически, но не как инструмент. Им можно пользоваться по назначению, но звучать он будет совсем простенько, даже скучно. Это и неудивительно: одноголосный синтезатор с небольшим тональным диапазоном, динамический диапазон и вовсе не радует (звук либо есть, либо его нет), аккордами не поиграешь.

↑ Все плохо? Сплошные баги и никаких фичей?

В таком виде, полагаю, да. Но ведь любая электронная схема — это своего рода кирпичик, который никто не мешает дополнить другими кирпичиками и построить из них то здание, которое нужно. Не скрою, что мы недалеко уйдем от уровня «домика дядюшки Тыквы», но это в значительной степени из желания сохранить характерные особенности стилофонного звукоизвлечения, в первую очередь, игру стилусом.
Иначе всё надо будет делать совершенно по-другому. Много сложнее, на иных принципах. Получиться может хорошо, но это уже будет не стилофон.

Забегая вперед, отмечу, что стилофон, как любой электрический или электронный инструмент есть в некотором роде полуфабрикат. В том смысле, что для обогащения его звучания нелишне использовать внешние устройства. Да-да, речь о педалях, рэковых приборах, компьютерах с плагинами и т. д. Тут стилофон ничем принципиально не отличается от, например, электрогитары.

↑ Усовершенствование схемы

↑ Расширяем диапазон

Пожалуй, первой проблемой нашего синтезатора, о которую иной раз спотыкаешься, является узкий диапазон — всего 20 нот. Частично проблему решает присутствующая уже в базовом варианте регулировка «Tuning», позволяющая как бы сдвигать «клавиатуру» вверх или вниз, сохраняя интервалы между нотами. Этой же ручкой можно создавать «плавающее» звучание, довольно похоже имитируя терменвокс (думаю, интересно было бы реализовать ее в формате педали типа wah-wah).

Очень здорово, но хотелось бы большего. Думаю, что многим пришло на ум добавить на выход стилофона отключаемый при необходимости делитель частоты, тем более, это не требует никаких ухищрений, поскольку мы имеем дело с исключительно прямоугольным сигналом стабильной амплитуды. Не мудрствуя лукаво, используем для этих целей отечественный D-триггер К561ТМ2. На основе него можно собрать делитель частоты на два, пропуская сигнал, через который, мы аккуратно сдвинем все нотки на октаву вниз.

Так выглядит ИМС К561ТМ2:


А так выглядит делитель на два, собранный на половинке К561ТМ2:


Сразу оговорюсь, что на борту этой старенькой микросхемы приютились целых два D-триггера и при желании можно сдвинуть диапазон инструмента на две октавы вниз. Я так делать не стал, поскольку практика использования стилофона показала, что сдвига на одну октаву вполне хватает.

Не стал я так же делать на основе триггера что-то вроде второго голоса, микшируя основной и поделенный сигналы (а такая мысль посещала мою скорбную голову), поскольку с подобной задачей гораздо лучше справится специализированная примочка-гармонайзер, а схему это все заметно усложнит (делитель, смеситель… тот еще огород).

Да, надеюсь, нет смысла разжевывать почему идея сдвинуть диапазон стилофона в сторону в точное количество раз подбором задающего конденсатора катастрофически плоха.

↑ Добавляем «вибрато»

Второй проблемой базовой версии является скучноватый неокрашенный тон. Но эту проблему решили еще на заре стилофоностроения (насколько мне известно, еще в первых образцах). В схему просто добавили эффект вибрато, заставляющий чуть покачиваться тон сигнала. Вроде бы очень простенькая вещь, а звучит здорово.

У меня от этого звука сразу возникает ассоциация с какими-то старыми научно-фантастическими фильмами (хотя там этот эффект создавался терменвоксом). Создает это дрожание некоторую окраску, легкий «нервячок».
В оригинале эффект «вибрато» достигается с помощью подачи сигнала от LFO (инфранизкочастотный генератор, блок, который есть в любом модулирующем устройстве: фленжере, хорусе, например) на все тот же управляющий вывод таймера 555 (напомню, пятая ножка).

Просто и даже безыскусно. Меня такая реализация, признаюсь, сначала ввела в заблуждение, мол, можно все это сильно улучшить, сделать интереснее. В конце концов, сколько этих LFO в свое время было понаделано для гитарных примочек. А тут еще и схема совсем простенькая, всего один транзистор с фазосдвигающей цепочкой (мне напомнило легендарное ЕА-Tremolo), значит форма модулирующего сигнала только условно синусоидальная, а в любом серьезном модулирующем приборе имеется функция выбора формы модулирующей волны.

В общем, я стал пробовать разные варианты LFO. Благо, стилофон тогда пребывал в макетном состоянии, все блоки намеренно были сделаны по отдельности и опробовать те или иные решения было несложно.
Не скажу, что я прямо-таки закопался в дебри. Нет. Предположим, пилообразный сигнал, смеси разных волн и прочую экзотику не пробовал, руководствуясь все тем же принципом, не усложнять излишне конструкцию.

На беспаечной макетной плате был собран LFO на сдвоенном ОУ, вполне типичный для гитарных примочек.
Вот примерно такой (картинка из Сети, немного корявая, но отражает суть):

Ценен он тем, что с него можно снять как прямоугольный, так и треугольный сигнал (в некотором приближении это ведь почти синус). Правда, амплитуда этих сигналов будет сильно различаться (у прямоугольника будет в разы больше), но в макетных целях можно и резистором погасить излишек амплитуды.

Если сказать кратко, я пришел к выводу, что все это ни к чему. Почему? Потому что, прямоугольный модулирующий сигнал дает странноватый эффект. Вибрато получается с каким-то резким срывом, что не удивительно, учитывая форму огибающей. Может быть, кому-то этот эффект понравится, так что, советую не полениться и поэкспериментировать, как и я на макете. Мне же, как говорится, не зашло.
Возможность менять частоту (без изменений амплитуды, то есть, глубины) вибрато с помощью переменного резистора мне так же показалась излишней. Дело в том, что при большой частоте модуляции эффект теряется, а при излишне низкой частоте получается, что звук просто «плывет» и толку в этом мало. В конце концов, если надо чтобы звук «плыл», это гораздо эффективнее можно сделать регулятором «Tuning».

В общем, удобно использовать LFO, работающий строго на одной частоте, а для этих целей совершенно нет смысла собирать такую сложную штуку (ну как сложную, на фоне самого стилофона, конечно), вполне довольно одного транзистора. Так что, стоит отдать должное мудрости автора простого, но действенного в данном контексте решения и не плодить лишних сущностей.

Если решите подправить частоту модуляции, подберите резисторы R43, R42, или конденсаторы С14-С16 (схема далее). Сильно отклоняться от указанных в схеме номиналов нет смысла. Не только по указанным выше причинам, но и потому, что в LFO может сорваться генерация (а если это все-таки случится, поколдуйте с номиналами R40, R41 или подберите конкретный экземпляр транзистора, правда, с импортными транзисторами проблем тут, как правило, не возникает).

Я добавил в устройство еще регулировку тона и громкости вместо варианта с резистором и динамиком, как в оригинальной схеме, но это будет описано в разделе, посвященном схеме. К нему и переходим.

↑ Полная схема стилофона и детали

Давайте теперь нарисуем все, что мы только что обсудили целиком и полностью:


Вот та штука, похожая на сиреневую ракету на веревочке, как несложно догадаться, и есть стилус. Технически это просто провод. Де-факто я использовал щуп от мультиметра с достаточно гибким шнуром (дешевый щуп с тоненьким и потому очень гибким проводком), сточив ему острие до полукруглого состояния и залудив конец (гусары, молчать). Это не оптимальное, но простое и удобное решение.
Лучше сделать щуп из чего-то имеющего нормальный полукруглый наконечник с радиусом скругления 2- 3 мм, так будет меньше износ «клавиатуры» (но «целиться» в контактную площадку будет сложнее). В оригинальном стилофоне щуп намертво соединен с платой проводком. Я предпочел сделать разъемное соединение на «бананах» (XS1), потому что так удобнее на мой взгляд. Ведь, в крайнем случае, щуп несложно будет заменить, если он окажется поврежден, и не надо для этого разбирать корпус и привлекать к мероприятию паяльник.


О реализации прерывателя, делителя частоты и LFO мы уже говорили. Уточню лишь про переключатели.
Эффект вибрато активируется при замыкании SA2. То есть, LFO работает все время. Но можно включать/выключать эффект и как в схеме приведенной в начале статьи, замыкая тумблером участок К-Э VT2, тогда эффект будет активироваться, понятное дело, при размыкании тумблера. Тут для пользователя разницы нет, да и в плане потребления ничего принципиально не изменится.

Тумблер SA1 либо пропускает сигнал с выхода ГУНа через делитель и снимает с его же выхода, либо — напрямую с выхода ГУНа на последний блок, регулятор тона и громкости (в общем, этот тумблер — это знакомый многим байпас, только без светодиода).

И так, долго ли, коротко ли, через делитель ли частоты, или прямиком, сигнал поступает на вход блока регулировок тона и громкости, реализованный на ОУ DA1. В схеме я не стал указывать конкретный тип ОУ, потому что здесь подойдет абсолютно любой сдвоенный, даже самый ширпотреб.
Прекрасно справляются с задачей 4558, TL062 (072), NE5532 и многие им подобные. Что удобно, они еще и по цоколевке совпадают.
На первой половинке ОУ собран инвертирующий повторитель.

Почему инвертирующий? В сущности, дело привычки, просто мне нравится это включение за то, что можно точно установить входное сопротивление, точно настроить коэффициент передачи (например, 0,9 или 1,1 — редко, но бывает нужно), поэтому я использую, как правило, именно инвертирующее включение. В данном случае это не принципиально и на неинвертирующем включении можно даже сэкономить два резистора, но мы же не китайский производитель, чтобы резисторы экономить (шучу). Так же мне встречалось мнение, что в инвертирующем включении ОУ работают немножко лучше (не вдаваясь в подробности, связано с компенсацией всяких паразитных эффектов), но я не думаю, что для современных ОУ это имеет смысл.

Вообще, сам повторитель тут нужен для перестраховки, чтобы лучше согласовать предыдущие блоки (особенно выход ИМС-таймера) с регулятором тембра. Регулятор тембра сделан по классической схеме, которая применялась во многих устройствах, не требующих глубокой и доскональной регулировки окраски звучания. Применял его и я в своих конструкциях не раз (особенно в гитарных перегрузах). Он состоит из двух фильтров и регулятора баланса между ними (смесителя, если угодно), то есть является перестраиваемым полосовым фильтром. ФНЧ настроен на частоту около 400 Гц, а ФВЧ — около 860 Гц, соответственно, в одном положении напрочь срезаются верхние частоты и часть средних, в другом — низкие и часть средних. Что дает, учитывая, что мы имеем дело с прямоугольным сигналом, широкий диапазон изменения окраски звука, поскольку прямоугольный сигнал содержит в себе много гармоник, количественное соотношение между которыми мы можем регулировать.

На второй половинке ОУ собран усилитель с коэффициентом передачи равным 10. Единственная его функция — компенсировать падение сигнала на фильтрах регулятора тембра (а значит, его коэффициент передачи можно не подгонять точно). С его выхода сигнал подается на регулятор громкости (R39).

Межкаскадные конденсаторы С8, С11, С12 выбраны с запасом, чтобы все частоты сигнала прошли через них без потерь. Так, С12 вкупе с регулятором громкости образует ФВЧ с частотой среза в районе 6Hz — явно за пределами возможностей стилофона.

Резисторы R29 и R30 образуют делитель напряжения для создания искусственной средней точки для ОУ, поэтому они должны быть равных номиналов (впрочем, разброс в 5-10% не катастрофичен). Средняя точка обозначена на схеме как точка «А», к ней подключаются неинвертирующие входы ОУ, конденсатор С4 сглаживает возможные пульсации напряжения.

Резистор R31 и конденсатор С17 образуют фильтр питания для ОУ. Это тоже своего рода перестраховка, необходимая для устранения потенциально возможного просачивания сигнала LFO на выход устройства. Вообще, без фильтра все должно работать ничуть не хуже, но лучше перестраховаться.

Единственный в схеме светодиод — индикатор включения. Два кремниевых диода N4148 могут быть заменены на практически любые другие (в том числе, отечественные аналоги), потому что никаких особых требований к ним не предъявляется. VD2 вообще защитный и его функция одна — спасти стилофон от ваших или чужих неразумных действий (переполюсовки питания).

Все то же самое можно сказать и о транзисторах. На роль VT1 выбран легендарный КТ315 просто по принципу «чего не жалко», поскольку этих транзисторов у всех много, а с поставленной задачей справится любой транзистор соответствующей структуры. Подойдут, разумеется, и импортные, так С945 совпадает даже по цоколевке с КТ315. VT2, так же, может быть любой, тут единственный препон — надежный запуск генерации LFO, поэтому размениваться на КТ315 я все-таки не стал (бывают у них проблемы по этой части).

Электролитические и все прочие конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 16V. В качестве С1 лучше применить пленочный конденсатор, поскольку у них лучше обстоят дела с ТКЕ, керамика может изрядно дрейфовать, впрочем, на практике схема в заметном дрейфе частоты не замечена (даже с керамикой). Остальные конденсаторы могут быть любого типа, хоть бумажные.

Резисторы подойдут любого типа. Мне греют душу МЛТ, но тип в данном случае не имеет значения, все работает и с теми легендарными алиэкспрессовскими резисторами, у которых магнитятся ножки и которым посвящено немало сломанных копий на форумах. Переменные резисторы так же не критичны по типу, важно лишь соблюдение группы («В» для R25 и «A» для R39, R36).

Что-либо сломать тут трудно, но, если опасаетесь испортить микросхемы, установите их в панельки. Лучше, в цанговые, потому что обычные грешат пропаданием контакта со временем.
Питается стилофон от внешнего источника питания на напряжение 9V, по току самого маломощного из известных мне блоков питания, выдающего 100mA, хватит с лихвой.

↑ Пара слов о настройке

Единственным критичным моментом в настройке прибора станет тягомотный подбор резисторов «клавиатуры». Это надо просто пережить, как говорится. Больше никаких сложностей возникнуть не должно и при правильной сборке (как обычно пишут в таких случаях) все заработает сразу после включения.

↑ Минутка оправданий

Да, я не привожу в статье свою реализацию стилофона (только внешний вид и звучание на видео), потому что, как обычно, я обошелся размещением в корпусе полу-макетного варианта, так что, хвастаться нечем. Не будьте, как я! Паяйте на нормальных платах и не усложняйте себе жизнь макетками. А ещё, если у вас нет принтера для изготовления плат методом ЛУТ, обязательно обзаведитесь им, опять же, не будьте, как я!

↑ Видео

Больше тут, пожалуй, и добавить нечего, кроме, видео работы стилофона:

↑ Файлы

🎁Печатки, схема в архиве stilofon.7z  651.2 Kb ⇣ 49

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации