11 第十一章 控制信号
晚来天欲雪，能饮一杯无？
11.1 低频振荡器
我们已经知道了压控振荡器和压控放大器，既然是“压控”，那电压总得从某个地方来吧，所以接下来我们将会了解到一些常见的电压产生方法。
低频振荡器也叫 LFO，“低频”一般指它的振荡频率小于 \(20\,\text{Hz}\)，这种频率普通人已经听不到了，但还是有可能听到“砰砰”声或“扑通”声，那是电流变化带给人的感觉。
LFO 通常可以产生方波、矩形波和锯齿波，用于调节 VCO 发出的声音，其中三角波可以产生颤音的效果，改变方波的占空比就能获得矩形波。考虑下面这个三角波和矩形波发生器：
因为后一个运放是处于正反馈下的，输出要么到 \(V_{\text{CC}}\)，要么到 \(V_{\text{EE}}\)，输出电压通过 \(R_3\) 对电容充放电，当充放电到一定程度后，\(R_1\) 和 \(R_2\) 分压使同相端电压越过 0 伏，方波输出翻转，三角波变化方向也发生翻转。
为了得到锯齿波，我们可以想办法让电容 \(C\) 充电和放电时电流大小不同，这样就得到了一个 LFO：
\(R_3\) 和 \(R_4\) 都能调整电流大小，但 \(R_4\) 更侧重于调整三角波上升和下降时的速度快慢，使三角波变为锯齿波或倒锯齿波，同时电容 \(C\) 处也可以用一个机械开关来选择不同大小的电容，调整振荡频率。
11.2 包络发生器
包络发生器也就是常说的 ADSR，每个字母分别代表攻击（attack）、衰减（decay）、保持（sustain）和释放（release），它们分别表示电压变化的 4 个阶段以及持续时间。
例如电压从 0 伏开始，逐渐上升到 10 伏，然后下降到 8 伏，之后在 8 伏保持不变，最后再降低到 0 伏：
这样的电压信号常用在 VCA 上，一个好处是可以模拟乐器自然发声的过程，特别是带有延音踏板的键盘乐器。我见过的模拟电路上的 ADSR 很多都是用 555 定时器制作的（555 定时器确实很强大）。
下面这个 ADSR 来自 René Schmitz 的网站：
它是怎么工作的呢？\(M_1\)、\(M_2\)、\(M_3\) 是开关（CD4066），在门信号没有到来时（Gate 端电压为 0），\(M_1\) 截止，\(M_1\) 漏极高电平，使 \(M_2\) 和 \(M_3\) 导通，\(M_2\) 导通使 4 号引脚处于低电平，4 号引脚是 555 定时器的复位引脚，低电平下 555 定时器不会工作，3 号引脚电压为 0。
当门信号由低变高，\(M_2\) 和 \(M_3\) 会被关闭，555 定时器开始正常工作，\(M_3\) 处电容会从 0 伏开始充电，因为这个电容连接到 2 号引脚，又是从 0 伏开始（\(< \frac{1}{3}V_{\text{CC}}\)），所以 555 定时器的 3 号引脚会输出到正电压，通过电阻和二极管对 \(2.2\,\mu\text{F}\) 电容充电，充电直到电容电压到达 \(\frac{2}{3}V_{\text{CC}}\)，经过 6 号引脚比较后，3 号引脚输出到 0 停止充电（Attack 阶段），同时 7 号引脚导通。7 号引脚导通后电源电压会通过 3 个电阻产生分压（“S”标记处），如果“S”处电压低于 \(\frac{2}{3}V_{\text{CC}}\)，电容将通过右侧二极管和电阻放电至“S”处电压（Decay 阶段），并保持长期停留（Sustain 阶段）。
直到门信号由高电平重新变为低电平，\(M_2\) 被重新打开，555 定时器再次被重置，电容通过左侧二极管连接到 \(M_2\) 完成放电（Release 阶段）。
调整电容充放电路径上的滑动变阻器就能改变充放电的电流大小，从而改变每个阶段的时间，ADSR 的周期和门信号的周期保持一致，最多可以到几十秒。
René Schmitz 在他的网站上还给出了另外两种实现 ADSR 的电路，其中一种是对 图 11.4 的改进，他在“S”端多加了一个跟随器，可以让那里的电压更稳定。
11.3 采样与保持电路
如果考虑用一个噪声信号来代替 LFO，这样可以吗？很显然这是不行的，或者用一个振荡频率很高的信号作为控制电压，最好别这样做，因为它们的变化都太快了，即使电路不会出问题，但我们也听不到什么有意义的东西了。
想办法把变化很快的信号速度降下来，我们可以对它进行采样，采样就是检测某个时刻信号的电压值，并把这个电压值保存一段时间，因为采样过程很快，所以最后输出的频率和信号保持时间直接相关：
一个采样与保持模块如下：
\(M_1\) 是采样开关，高电平到来时导通，电容被充电到此时的 \(V_{\text{in}}\)，之后低电平使 \(M_1\) 关断，电容左侧断路，电容右侧是运放输入端，有很高的输入电阻，相当于也是断开的，这样电容电压维持不变，直到下一个采样周期到来，电容又被重新充电或放电到 \(V_{\text{in}}\)。基本上可以把它看成是一个独立的测量电压的东西，所以左侧接在哪里都可以，常见的是左侧接入噪声电路，以获得随机的噪声输出。
11.4 混合器
如果有多个信号来源，那应该怎么把它们混合成一个信号的输出呢？要知道电路里电压是很难进行加法运算的，一般都会先转换成电流，电流相加后再转成电压。
前面章节提到过用运放实现多个信号源混合，下面这个电路同样也是利用负反馈下运放同相端和反相端电压相同，把电压转换成电流相加，最后电流通过电阻再变成电压：
\(V_{\text{out}1}\) 和 \(V_{\text{out}2}\) 可以分别看成是输出的左右声道，输出幅度分别由 \(10\,\text{k}\Omega\) 和 \(5\,\text{k}\Omega\) 的滑动变阻器调整，对于某个 \(V_{\text{in}}\) 而言，\(5\,\text{k}\Omega\) 滑动变阻器越往上，\(V_{\text{in}}\) 对 \(V_{\text{out}1}\) 的影响越小，对 \(V_{\text{out}2}\) 影响越大（负反馈下运放同相端和反相端电压相等，两个 \(24\,\text{k}\Omega\) 电阻左侧电压为 0，意识到这一点就很容易看出来了）。