Dual microcontroller direct digital synthesis system based on low-cost and off-the-shelf parts

Abstract

Direct Digital Synthesis (DDS) is a signal synthesis method designed to generate arbitrary waveform from a single, fixed reference clock coupled with a memory device and a Digital-to-Analog Converter (DAC). This method can be used to synthesize basic sounds based on their recorded waveforms. Direct Digital Synthesis can be implemented not only in hardware but in software as well. The limitations being the memory and processing power of the processor involved in running the synthesis software. Later with the use of electronic devices, these systems became smaller and more powerful, with many possibilities of configurations. Microcontrollers are small computers that contain one or more Central Processing Units (CPU), memory and many different types of peripherals, all in the same package. There are many different types of microcontrollers architectures, for different applications and price ranges. Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) designed to run a hardware DDS system are often expensive and not readily available. Microcontrollers on the other hand have become much more powerful, memory and performance wise, much more cheaper and available. This work proposes a sound synthesis system running a software DDS architecture utilizing a pair of off-the-shelf, low cost microcontrollers, in order to make the design easy to replicate, to reprogram the firmware and to change the overall interface design and functionality. Microcontroladores são pequenos computadores que contém uma ou mais unidades centrais de processamento (CPU), memória e diferentes tipos de periféri cos, tudo no mesmo package. Existem vários tipos de arquiteturas de microcontroladores, para diferentes aplicações e faixas de preço. Circuitos integrados de aplicação específica (ASIC) desenvolvidos para executar síntese por via de sistema DDS são geralmente caros e difíceis de serem obtidos. Em contraste, microcontroladores se tornaram cada vez mais potentes com o passar dos anos em relação à memória e processamento, enquanto seus preços diminuem e sua disponibilidade aumenta. Esse trabalho propõem um sistema de síntese de som através de DDS em software utilizando um par de microcontroladores de alta disponibilidade e baixo custo, tendo como objetivo tornar o sistema fácil de replicar, de reprogramar o firmware e de mudar o design e funcionalidades da interface de usuário.

Síntese Digital Direta (DDS) é um médoto de síntese de sinal criado para gerar formas de onda arbitrárias através de um único clock de referência fixo, um dispositivo de memória e um conversor digital-analógico (DAC). Esse método pode ser utilizado para sintetizar sons básicos, baseados nas gravações de suas formas de onda. DDS pode não só ser implementado em hardware mas também em software. As limitações da implementação em software são o limite de memória e o limite de poder de processamento envolvidos no processo de síntese. Mecanismos de síntese de som existem muito antes do campo da Eletrônica em si existir, começando com instrumentos musicais básicos conectados com diferentes mecanismos para no fim controlar as várias propriedades do som. Com o passar dos anos e com o uso de dispositivos eletrônicos, os vários mecanismos de geração de som se tornaram menores e mais poderosos, com várias possibilidades de configuração. Os sintetizadores dos anos 70 eram compostos por vários osciladores, filtros e amplificadores controlados por tensão (VCA), todos controlados pelas várias entradas de controle do usuário.