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CMOSフリップフロップを使ったオクターバーOC-2 MOD 自作レポート

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【目次】

●回路と主要部品
●動作原理（波形観察）
●オリジナルで2層プリント基板を設計
●部品の入手
●基板の実装
●ケースへ組み込み
●動作確認とノイズ対策
●サウンドサンプル
●オクターバーを作ってみて感じたこと

自作マニアの血が騒ぎ フルアナログオクターバーを自作することにしました

オークターバーとは、原音の１、２オクターブ下の音を発生させ、ウイスモンゴメリーの様なオクターブ奏法を簡単に再現するエフェクターです。現在のBOSS最新モデルOC-3は、処理がデジタル化されており、複数音の混じったコードでも使えるようになっています。これは、DSP処理されているもので、自作は不可能です。OC-3は持っているのですが、自作マニアの血が騒ぎ、アナログ版を作ってみたくなりました。

今回自作するのは、１世代前の1982年発売のOC-2モディファイです。単音にしか使えないオクターバーですが、フルアナログ回路で出来ており、自作可能です。

回路と主要部品

BOSS OC-2の回路図は、修理のためのサービスマニュアルに掲載されています。特殊な部品は使われていないのですが、1982年発売のためか、現在は入手できない部品（IC）が含まれています。

CMOSのフリップフロップが２個使われています。１つはCD4013でどこでも手に入りますが、もう１つがローム製のBA634と言うチップです。これは普通のフリップフロップが１回路入ったICですが、一般には入手できません。そこで、このフリップフロップを別のCMOS ICに変える必要があります。

海外のサイトを眺めていると、OC-2を実験的に自作した人がいました。回路図も掲載されていたので、参照し、回路図に書き起こしてみました。BA634の代替えには、同じCD4013でよいのですが、なぜかJKフリップフロップCD4027が使われています。今回はそのままCD4027を使いました。

回路の間違い

基板を作り、動作をチェックしている時に判明したのですが、参照した海外の自作例で載っている回路は、そのままでは動かず、間違いが２点ありました。１点は入力の電解コンデンサC2の極性が逆であること、もう１点は、代替えしたCD4027の７番ピン（Set、「L=GND」である必要がある）がVDD(+9V)につながっていました。この２点は、基板上でパターンをカットし再結線することで修正しました。

1つ目のC2の極性間違いは、動作確認中に回路図を眺めていて気づきました。また、CD4027については、入力された信号の1/2分周が出力されず、しばらく悩みましたが、CD4027の仕様書の入力設定を確認した時に気づきました。

※メルカリで販売中のプリント基板は、これらを修正したRev.2です。ご安心ください。

■書き起こした修正済み回路図（OC2モディファイ、PDF）

動作原理（波形観察）

オクターバーの動作原理は、最初に入力音の高域をオーパスフィルタでをカットし、原音のピッチ（周波数）の矩形波を作ります。この時、実際の回路では、ピークホールドの回路を応用して、安定したピッチ波形（方形波）が得られるように工夫されています。これを、CMOSのフリップフロップを用いて、1/2、1/4に分周し、１、２オクターブ下のピッチ信号を作ります。
次に、差動増幅回路の接地抵抗（R49）にFETスイッチをつけて、このスイッチのON/OFFにより、オペアンプが反転/非反転に切り替え可能にします。 上で作ったピッチ信号をFETのスイッチに接続し、入力された信号の１周期ごとに、出力の極性を逆に切り替えます。その結果、波長の周期が２倍になり、１オクターブ低い信号に変換されます。このように、入力音のピッチがすり替わる様な巧みな回路が作られています。

下の図（PDF）は、完成後の基板を使って測定したものです。

　■（参考）入力に400Hz正弦波を入れたときの動作状態オシロで観察

オリジナルで2層プリント基板を設計

今回も前回のアナログコーラスの自作（CE-3 MOD）と同様に、プリント基板を自分で設計し、$5で10枚制作してくれる中国深センの「FusionPCB」に発注しました。基板設計はすべての工程をフリーウエアの「KiCAD」を使って行いました。
製造料金はなんとたったの$5ですが、DHLによる配送料が$20かかるため、トータルで$25です。それでも十分に安い価格です。

FusionPCBでの基板製造の際には、レジストの色（緑、赤、青、など）を選択できるのですが、この色の選択は納期に影響があるようです。そのときの他の基板の製造状況にもよると思いますが、「緑」が最も一般的な色で案件が多く納期が早いようです。アナログコーラスの時は「赤」を選びましたが、案の定納期が長くなり、発注から製造完了までで12営業日かかりました。今回は「緑」を選択したため、発注から製造完了までで5営業日でした。DHLの配送に、さらに5営業日程度かかります。

手元に届いた10枚の「緑」のオリジナルプリント基板

KiCADを使った基板の設計

プリント基板は、フリーウエアの「KiCAD」で全て行えます。KiCAD Ver.5.19を使いましたが、標準で用意されている（インストールすると最初から入っている）部品ライブラリだけで作ることが出来ます。２層の両面基板ですので裏表にパターンを引けるため、パターン設計は結構簡単です。GNDを除くラインをすべてパターンで結び、残った部分をすべてベタアース（パターン以外の部分をGNDがで塗りつぶす）にしています。

基板サイズは、組み込みたいケース「HAMMOND 1590N1」に合わせて、60mmの幅で作っています。長さは部品を収まりを見ながら短くし、最終的には90mmになりました。

基板の設計は、それなりの経験が必要（私は、25年ほど前に電機メーカーに務めていた）なのですが、CADや基板の設計方法に関する書籍が多数ありますので、挑戦してみても良いかもしれません。

基板設計フリーソフト「KiCAD」　ー　回路図作画機能、基板設計機能、3D表示まであります

KiCad基板設計データ

「KiCad (Windows 64-bit) Version: (6.0.4), release build」を使用して作成したKiCADデータです。回路図と基板デザインデータ、自分で追加した部品データが入っています。このデータの利用規約については、添付の「readme.pdf」を御覧ください。

■KiCad基板設計データ（zip）

部品の入手

今回の部品は全て、いつもお世話になっているGarrettAudioさんで調達しました。主要部品のCD4013、CD4027は共にに扱っています。小信号用のトランジスタについては、オリジナルのOC-2には「2SC732」が使われていますが入手困難だったため、代替品の「2N3904」を使うことにしました。「2SC1815」でも良いです。音のキャラが多少違うかもしれませんが、どれが良いとは言えないと思います。

またFETには「2SK30A-Y」が使われています。これも製造されておらず入手困難ですが、GarretAudioさんに在庫がありましたので、購入しました。もしも入手できない場合は、イサハヤ電子が作っている「2SK2880」が使えるそうです。これは、秋月電子通商で売っています。

その他は普通の汎用電子部品で十分です。抵抗はカーボン1/4W 5%でOKです。金属皮膜抵抗にしても音には影響はなく、高価ですので必要ありません。コンデンサはボックス型かセラミックの安価なもの、電解コンデンサも最も安いもので問題ありません。オーディオ用の高い電解コンデンサにしても、音には影響はなく、必要ありません。

主要部品CMOS CD4013、CD4027、あまり使わないオペアンプ LM324

基板の実装

設計発注したプリント基板に、秋月さんとGarrettoAudioさんで買った部品を乗せてゆきました。自作マニアの私としては、部品のハンダ付けはこの上なく楽しい作業です。この楽しい作業も2時間ほどで完了しました。

基板へ部品を実装完了

間違ってハンダ付けした部品を外すには・・

両面スルーホールの基板は、ハンダが穴を通じて両面に流れるため、一度取り付けた部品を外すのが一苦労です。無理に外そうとすると、パターンを剥がしてしまうこともあります。

そこで活躍するのが、ヒーター付きの加熱式ハンダ吸取機です。ハンダコテとハンダ吸取機を合体させたものです。電動ポンプ式もあるのですが、高価なため、5000円以下で変えるスッポン式のヒーター付きハンダ吸取機をおすすめします。これがないと、両面スルーホール基板の部品を外すのは難しいと思います。gootの「TP-30」がおすすめです。

ケースへ組み込み

ケースの加工

今回のアナログコーラスは、HAMONND社のケース「1590N1」をゴールドに焼付け塗装したケースに収めました。「ゴールドオクターバー」にします。

ケースの穴あけは、ハンドドリルを使って行いました。いつものように位置決めをした後で、1.5mmドリル→3mmドリル→6mmドリルの様に穴を広げて行き、その後はテーパーリーマーを使って、各部品の穴経まで広げます。

ケース内の配置イメージ

基板が大きいため、フォーンジャックやフットスイッチが基板と干渉しないように、また、電池のスペースを確保できる様に考えました。ケース「1590N1」でギリギリにできています。この下のスペースに、フォーンジャック、DCジャックが収まるようにします。フォーンジャックは、サイズの小さいSwitchcraftのボックス型（#112BX）でなければ入りません。下図をイメージして穴位置を決めました。

LEDは、3mmの穴を開け、内側から押し込んで瞬間接着剤で固めています。LEDホルダは、如何にも自作感が出てダサいので使っていません。もしも、同じ様に作ってみようという方は、下断面図を参考にどうぞ。

ケースへの組み込み

基板は、出来上がりの見栄えにこだわり、部品を外向きに収めました。そのため、フォーンジャックなどの部品ろ基板ハンダ面の干渉を避けるために、ケースの内側側面に厚さ2mm、高さ20mmの厚紙スペーサー（高級和菓子の箱を再利用）を両面テープで貼り、基板を支えています。

回路図の間違い修正は、基板の裏側をパターンカットして、GNDとの接続は、レジストをカッターで削り、半田ブリッジを作って接続しています。

美しく仕上がったゴールドオクターバー内部（電池スナップは外しています）

動作確認とノイズ対策

ダイレクト音にノイズ発生

この基板には調整箇所はありません。一通り動作を確認し、ギターをつないで試奏してみました。オクターブ音は期待通りに出るのですが、ダイレクト音（原音）にジリジリ言うノイズがのってしまいます。どうも、CMOSで分周されたピッチ信号（矩形波）が、ダイレクト音に乗ってしまうようです。

ピッチ信号を作る分周回路周辺

入力のオペアンプ（TL074）の電源をワイヤーで電源入力につないでみたり、パスコンを増やしてみましたが、効果はありませんでした。また、CMOSから出たピッチ信号に330p程度のコンデンサを追加して、波形を鈍らせて見たところ、若干効果がありますが、大きくは変わりませんでした。

お手上げ状態だったのですが、ふと、基板をケースに立てた状態で試奏するとノイズが乗らないことに気が付きました。どうも、ケースに基板を入れた状態では、基板上のCMOSの周辺から、ケース内のポットやジャック付近にノイズの飛びつきが起こっているようです。

基板を立てて試奏するとノイズは乗らなかった

シールドシートでノイズ対策

そこで、アルミ箔テープを使ったシールド板作り、CMOSチップと、波形を作るオペアンプLM324の下に貼って、シールドして見ることにしました。透明のクリアファイル（書類フォルダ）を基板の形に切り、そこに、ストラトのピックガードのシールドに使用したアルミ箔テープ（両面導電性）を貼って作っています。効果テキメンで、基板をケースに収めてもノイズは乗らなくなりました。

だだし、このシールドシートは、ケースの大きさや基板の実装方法によっては不要な場合もあります。一度ケースに収めてから、ノイズの状態を確認して、シールドシートの追加を決めても良いと思います。

もう１つの対策としては、フットスイッチから基板入力（IN）までのワイヤーを細いシールド（家庭用オーディオのピンコードで代用可能）にすると、ノイズをさらに低減できます。入力ラインはインピーダンスが高く、ノイズが飛びつきやすいためです。

クリアファイルに両面導電性アルミシートを貼り、シールドシートを自作

基板の裏側にシールドシートを貼った（紙テープで絶縁処理済み）

サウンドサンプル

オリジナル曲「Mico's Dance」のフレーズです。オクターブ奏法の様に聞こえますが、実際は単音弾きに本機を通して、オクターブ奏法っぽくしています。

 

完成したゴールドオクターバー、美しい！

「Primal Octaver」と命名しオリジナルラベルを作成

上の状態でしばらく使っていましたが、ステッカー用紙にインクジェットプリンタで印刷したオリジナルラベルを貼ってみました。
■自作エフェクター オリジナルラベルの作り方

オクターバーを作ってみて感じたこと

そもそも、1オクターブ下の音を足したいだけなら、デジタルで音程を変えるピッチシフターの方が安定していると思います。しばらく使っていたBOSS OC-3は、デジタル処理でポリフォニックのコードにも対応していました。ですが、これらは本来のエレキギターとは、何かが混じり合わない（オクターブ音が浮いている？ディレイのせいかな？）と感じていました。

今回、OC-2の回路を知り、実際に作ってみましたが、この回路を考えた最初の人は、多分アナログの職人なのではないかと思います。自分で回路の動きを解析して見ましたが、安定した1オクターブ下の音を、アナログ回路だけで作り出す巧妙さは、感動モノでした。

単音でメロディーを引いた時、オクターブ音が同じタイミングで鳴り、実際に下の太い弦でオクターブ奏法をしているように聞こえるのは、ピッチシフタとは明らかに違います。

実際のオクターブ奏法では、ダウンストロークで弾くのが普通の奏法だと思いますが、この場合、太い弦（１オクターブ低い音）の方が先に音が出て、その後細い弦の音が出ます。デジタルのピッチシフタを使った場合は、ピッチを変えるためにディレイが必ず発生し、細い弦で単音を弾くとピッチを１オクターブ低くした音の方が後から出る結果になります。そのため、実際のオクターブ奏法の音には絶対にならないと思います。

アナログオクターバーには１オクターブ低くした音のディレイは発生せず、波形レベルで同時に音が生成されます。このため、オクターブ奏法に近くなるのだと思います。

アナログオクターバーの原理は、例えて言うなら、歯車（トーンホイールと言う）を回して音を出すハモンドオルガンのような、古き良き匂いをプンプンと感じます。原始的で強引な仕組みですが、それでいてスマートで完成されている感じです。

これから自作して見ようという方向けに、自作のためのツール選びのページ を作りました。参考にしていただければ、幸いです。　:-)

最新のエフェクターボードはこちら。最新版では、面実装部品でエフェクタ筐体をミニサイズ化し、フットボリューム、スイッチャーもビルトインしました。

 

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