Схема терменвокса – Самодельный терменвокс. С. Н. Бронштейн. Журнал Радио всем, №24, 1928 год, стр. 657-660

Схема терменвокса «Моделист-конструктор» | Theremin Today

Еще не так давно музыкальные инструменты даже эстрадных оркестров — будь то саксофон, скрипка, аккордеон, пианино, контрабас и даже барабан — дарили слушателям свое естественное, «природное» звучание. Нынче же музыка стала иной — теперь в моде «электронное» звучание.

Фантазия, которую проявляют создатели разнообразной электромузыкальной техники, кажется порой безграничной. Сами инструменты и усилительная аппаратура, акустические системы, устройства синтезирования звуковых эффектов — все до предела «нашпиговано» электроникой. Сегодня музыкантов мало уже чем удивишь — ведь у них на вооружении есть такие творения инженеров, которые позволяют получать тысячи самых разнообразных оттенков звучания: струнного, духового, клавишного.

Современный электромузыкальный инструмент (сокращенно ЭМИ) — очень сложное устройство. Даже не каждый опытный радиоинженер способен изготовить его в домашних условиях. А что тогда сказать о тех, кто только делает первые шаги в освоении электроники?

Выход один — начинать, собирая пока лишь простейшие ЭМИ. О нескольких таких конструкциях мы и хотим вам рассказать.

Как вы думаете, когда началась история электронной музыки? Многие, вероятно, считают, что в конце 50-х — начале 60-х годов, когда на свет появились электрогитары и электроорганы, а вокально-инструментальные ансамбли стали возникать, как грибы после дождя. Но, оказывается, все произошло гораздо раньше.

Честь называться творцом электронной музыки принадлежит советскому ученому, инженеру-физику Л. С. Термену. Именно он изобрел первый в мире ЭМИ. Экспериментируя с прибором для измерения диэлектрической постоянной газов, он обнаружил влияние руки на распределение электрического поля. Это явление и было положено в основу действия первого электромузыкального инструмента, получившего название «волны эфира». В 1921 году изобретатель представил свое «детище» на VIII Всероссийском электротехническом съезде. Современники Л. С. Термена высоко оценили его прибор. «Изобретение электромузыкального инструмента открывает огромные перспективы… Путем электрического возбуждения можно получить такие звучания, такие интонации, которых до сих пор не знала музыка…» — так писала газета «Правда» в 1927 году.

Со временем первый электромузыкальный инструмент стал называться терменвокс — сочетание, состоящее из фамилии изобретателя Термена и слова «воке» — искаженного от английского voice, что в переводе означает «голос».

Итак, что же такое терменвокс? Принцип действия этого инструмента основан на изменении электрического поля, которое создается вокруг ЭМИ от перемещений человеческого тела. Изменяя положение туловища или отдельных его частей, например, рук, исполнитель тем самым воздействует на пространственную картину поля. ЭМИ воспринимает эти влияния и преобразует их в звуковые сигналы, тональность которых зависит от манипуляций человека и становится выше или ниже в такт с его движениями.

Чтобы понять, каким образом пространственное перемещение руки можно превратить в звук, разберемся в устройстве терменвокса. Его функциональная схема показана на рисунке 1. Инструмент состоит из двух высокочастотных генераторов, к одному из которых подключена антенна WА, смесителя, усилителя звуковой частоты и динамической головки ВА.

Рис. 1. Функциональная схема терменвокса.

Пока исполнитель находится на достаточном удалении от антенны, ВЧ генераторы вырабатывают сигналы одинаковой частоты, которые поступают на смеситель. Предположим, что частоты обоих генераторов в исходном состоянии равны 90 кГц. Что произойдет при смешении двух сигналов? Чтобы понять это, необходимо отметить одну особенность смесителя — он выделяет на своем выходе колебания с частотой, равной разности частот входных сигналов. А поскольку в исходном состоянии частоты обоих генераторов равны, следовательно, сигнал на выходе смесителя в этом случае отсутствует и звука в динамической головке нет.

 

Рис. 2. Принципиальная схема ЭМИ.

Но вот исполнитель поднес руку к антенне. Что теперь произойдет? Человеческое тело становится как бы конденсатором, включенным между антенной и электрическими цепями верхнего по схеме генератора, то есть емкость тела исполнителя начинает оказывать влияние на работу этого генератора. В результате изменяется частота вырабатываемых им колебаний. Предположим, она стала равной 91 кГц. Теперь при смешении сигналов возникают так называемые биения — колебания с частотой, равной разности частот обоих генераторов. В нашем случае эта разность составит 1 кГц. Сигнал с такой частотой и выделит на своем выходе смеситель. Затем произойдет его усиление, и в динамической головке раздастся звук.

Непрерывно изменяя расстояние между ладонью руки и антенной, исполнитель тем самым постоянно- варьирует емкостные параметры частотозадающей цепи верхнего по схеме генератора. При этом меняется частота биений, и из инструмента извлекаются звуки различной тональности. Если в результате манипуляций, производимых исполнителем, частота электрических колебаний на выходе первого ВЧ генератора меняется в пределах, скажем, от 90 до 100 кГц, то музыкальный диапазон терменвокса будет лежать в интервале от 0 до 10 000 Гц.

Итак, исполнение музыкального произведения на терменвоксе заключается в перемещении одной или обеих рук вблизи антенны инструмента. Чтобы получить более плавное изменение высоты звука, ладонь можнр держать неподвижной, а все манипуляции производить только пальцами руки. В любом случае, чтобы «почувствовать» такой музыкальный инструмент и освоить технику исполнения на нем, необходима хорошая тренировка и, конечно же, наличие слуха.

За 70 лет творческой деятельности Л. С. Термен создал множество самых разнообразных модификаций своего ЭМИ, причем не менее оригинальных. Вот, например, одно из его творений — терпситон — электромузыкальный инструмент, выполненный в виде плоской платформы. Становясь на нее и делая разнообразные движения, как бы в причудливом танце, музыкант может исполнить на таком экзотическом инструменте любое произведение.

Любопытно, что на основе терменвокса создавались и такие «немузыкальные» приборы, как охранные устройства для промышленных зданий, складов, сейфов. Такой аппарат охранял даже один из залов ленинградского Эрмитажа. Разработанные Л. С. Терменом электронные «сторожа», как и его ЭМИ, реагировали на изменение картины электрического поля вблизи охраняемого объекта и при появлении посторонних подавали сигнал тревоги.

Но вернемся к музыкальным способностям терменвокса. С принципами, заложенными в действие этого инструмента, мы уже познакомились. Теперь пора перейти и к практическому их воплощению.

Терменвокс, описание которого мы предлагаем вашему вниманию, собран всего на двух логических микросхемах, прост в налаживании и не требует дефицитных деталей. Конечно, такое устройство далеко от профессионального инструмента, но тем не менее, собрав его, вы на практике познакомитесь с конструкцией, принципом действия и техникой исполнения музыкальных произведений на терменвоксе.

Первый генератор собран на логических элементах 2И-НЕ DD1.1 и DD1.2 микросхемы DD1 (рис. 2), а второй — на элементах DD2.1 и DD2.2 ИМС DD2. Инверторы DD1.3 и DD2.3 выполняют роль развязывающих устройств, предотвращающих взаимное влияние генераторов друг на друга. В качестве смесителя используется логический элемент DD2.4. Низкочастотный усилитель собран на транзисторе VТ1 по схеме электронного ключа. Резистор R6 ограничивает ток базы транзистора, а R7 служит для регулировки громкости звучания динамической головки ВА1. Конденсаторы С4—С6 и резисторы R4, R5 образуют низкочастотные фильтры, исключающие взаимное влияние генераторов друг на друга через питающие цепи. Питается устройство от батареи GB1 напряжением 9 В.

Оба высокочастотных генератора собраны по схемам несимметричных мультивибраторов, с работой которых вы уже знакомы (см. «М-К», 1990, № 1, «Шесть самоделок на одной ИМС»). Резисторы R1, R3 и конденсатор С2 образуют частотозадающую цепь первого генератора, a R2 и C3— аналогичную цепь второго генератора. Подстроечный резистор R1 необходим для «выравнивания» рабочих частот обоих генераторов. Антенна WA1 подключена к инструменту через разделительный конденсатор С1.

Элементы терменвокса размещаются на монтажной плате размером 50X30 мм, выполненной из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1—2 мм (рис. 3).

 

Рис. 3. Монтажная плата инструмента со схемой расположения элементов.

Для электромузыкального инструмента подойдут следующие детали. Транзистор — КТ602АМ (БМ) или КТ815, КТ817, КТ819 с любым буквенным индексом. Оксидные конденсаторы С4—С6 марки К53, остальные — малогабаритные керамические, например, КМ5, КМ6. Постоянные резисторы — ВС, МЛТ, ОМЛТ, С2-23, С2-33 мощностью 0,125 Вт, подстроечный — СП3-1б, СП4-1б, переменный — типа СПО-0,25, СПО-0,5, СП1, СП2. Динамическая головка — 0.5ГДШ-2 или любая другая мощностью 0,1—0,5 Вт с сопротивлением катушки 4—8 Ом. Тумблер — малогабаритный, марки ПДМ, МТ1, МТД1. Батарея питания — «Корунд» или шесть дисковых аккумуляторов напряжением по 1,5 В (например, СЦ-30).

Детали терменвокса размещаются в металлическом корпусе подходящих размеров. Если такого не нашлось, можно использовать любую пластмассовую коробку, предварительно оклеив ее изнутри фольгой. Металлический корпус или фольгу необходимо электрически соединить с общим проводом питания инструмента. Антенна — медный или алюминиевый стержень Ø 2—4 мм и длиной 25—40 мм — устанавливается на лицевой панели корпуса на резиновом или пластмассовом изоляторе (рис. 4). Кроме того, на лицевой панели находятся тумблер включения питания, переменный резистор R7, снабженный декоративной ручкой, и динамическая головка; диффузор «динамика» закрыт тонкой цветной тканью. На боковой стенке корпуса — отверстие под движок подстроечного резистора R1. Монтажные соединения выполняются тонкими многожильными проводами в изоляции.

 

Рис. 4. Внешний вид терменвокса.

При правильном монтаже и исправных деталях инструмент начинает работать сразу после включения питания. Настройка его сводится к установке нулевой частоты биений генераторов. Если после включения питания звука в динамической головке нет, то необходимость в настройке отпадает. Если же звук появился, вращая движок подстроечного резистора, добейтесь его исчезновения. После этого терменвокс готов к работе.

Может случиться так, что звучание ЭМИ окажется неустойчивым. В таком случае исполняйте мелодию, одной рукой производя манипуляции около антенны, а второй касаясь металлических частей корпуса. Если вы использовали пластмассовую коробку, оклеенную изнутри фольгой, то на ее лицевой панели необходимо установить специальную металлическую пластину размером примерно 20X20 мм, соединив с общим проводом питания.

…Терменвокс был первым в мире электромузыкальным инструментом. За прошедшие с тех пор десятилетия создано немало новых ЭМИ, в чем нетрудно убедиться, глядя, например, на оснащение современной рок-группы. Электроорган, электрогитара, электробаян, электронная ударная установка — перечень музыкальных инструментов с приставкой «электро» можно продолжить. О некоторых из них мы расскажем в следующих выпусках.

Э. АПРЕЛЕВ

theremintimes.ru

ТЕРМЕНВОКС НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Иногда терменвоксы делают с использованием ультразвуковых датчиков или ИК LED, для того чтобы менять звучание согласно расстоянию до рук, но настоящий терменвокс — это емкостная аппаратура. Поэтому здесь мы попробуем построить термен на современной элементарной базе — контроллере ATtiny85. Такой терменвокс работает с использованием емкости антенны в цепи генератора, на очень высоких частотах, поскольку емкости рук малы. Затем они складываются с фиксированной частотой генератора, чтобы получить разницу (биения), проявляющуюся в виде звуковой частоты.

Схема терменвокса

Терменвокс, показанный на схеме выше, имеет только один компонент! Сам контроллер ATtiny85 и вспомогательные элементы — стабилизатор, конденсатор, провода и макетная плата. Красный и черный — питание, зеленый — аудио, и медные провода антенны.

Есть несколько моментов, которые стоит отметить. Во-первых, производительность лучше, когда вы носите ремешок (желтый провод). Это не очень удобно, хотя существуют коммерческие терменвоксы, где тоже нужен ремешок на запястье.

Диапазон частот программируется (т. е. можно прошить hex файл, чтобы изменить его) и с исходными данными работает примерно на 15 сантиметров от антенны. Перекрывается примерно две октавы. А когда вы касаетесь его — просто пищит.

Как это работает?

Когда рука приближается к антенне, значение АЦП идет вверх. Происходит измерением емкости, схема меняет частоту и выдаёт разницу относительно гетеродина, которая поступает как звуковой сигнал (несколько кГц) на аудио выход. Емкость измеряется с высокой скоростью, в среднем несколько сотен раз в секунду, чтобы получить подходящее значение.

Питается терменвокс от 9В батареи. Дальше напряжение проходит через линейный стабилизатор на 5В — это 78L05 в обычном К-92 пакете. Конденсатор на выходе нужен для фильтрации ВЧ.

Для подключения антенны сделаны маленькие хомуты. Была идея поставить маленькие телескопические антенны, которые используют в 433 МГц пультах беспроводных переключателей, но медные провода лучше в плане настройки конфигурации. О том как пользоваться этим прибором смотрите на видеоролике:

Видео


el-shema.ru

Схема терменвокса из «Радио» Опыт сборки | Theremin Today

Пора уже давно оправдывать наличие метки «лампы» в сём хранилище потоков сознания, тем более что результатом оного наличия уже удалось вогнать в когнитивный диссонанс одну прожорливую кошку.
На терменвокс я замахивался с очень давних времён, когда ещё в 10 классе учился, но тогда и не знал принципа его работы, и схемы собирать умел исключительно по описаниям. Для агрегата на транзисторах я собрал детали, изгототовил катушки, собрал кое-как, но настроить его и завершить так и не удалось.
С тех пор Эльронд поумнел, немного распрямил руки, разжился архивом Радио, перешёл на лампы и пообзавёлся довольно неплохой радиоизмерительной лабораторией. А тут ещё и кандидат появился на освоение прибора как музыкального инструмента, а не отпугивателя голубей от балкона — marta_tellas. Так что в сентябре я разыскал в «Радио» № 10 1964 года схему на лампах октальной серии и отмакетировал её, а потом по мере реализации и серьёзно переработал. Дело шло, как у меня водится, оочень неспеша.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Техническое описание:
Схема состоит из двух высокочастотных генераторов по транзитронной схеме на лампах 6А8, работающих с низким анодным напряжением на нелинейном участке характеристики для получения второй и третьей гармоник сигнала. Один из генераторов стабильный, второй управляемый. Связь контура управляемого генератора с антенной в источнике предлагалась индуктивная с дополнительной нагрузочной катушкой, но мною применена емкостная посредством C1. После сборки и испытания ВЧ блока в связи с малостью вносимой ёмкости и недостаточной девиацией частоты рабочая частота генераторов повышена со 110 до 395 кГц.
После разделительных конденсаторов и добавочных сопротивлений, исключающих возможность взаимозахвата частоты, сигналы смешиваются на индуктивной нагрузке L3, L4, паралельно которой включен вход квадратичного сеточного детектора на половине лампы 6Н9С. В источнике применены нагрузочные контуры, настроенные на основную частоту и первую гармонику. После повышения рабочей частоты из контуров были просто изъяты конденсаторы. Я пробовал изъять и катушки, но звучание инструмента ухудшается. Очевидно, значительную роль играют собственная ёмкость катушек и ёмкость их «на землю».
Детектор нагружен на плавный регулятор громкости и дополнительный делитель линейного 500 мВ выхода.
Оконечный каскад мощностью 4,5 Вт выполнен по обычной однотактной схеме на лучевом тетроде 6П3С в одном из справочных режимов. Ток покоя лампы 23 мА.
Манипуляция осуществляется в оконечном каскаде следующим образом. Пока ключ разомкнут, на катод лампы подаётся высокое запирающее (почти) напряжение +60 В с делителя R22-R23, заряжающее блокирующий конденсатор C17. Замыканием SB1 параллельно нижней ветви делителя подключается резистор, составляющий с оной ветвью вместе нормальное сопротивление автоматического смещения, блокирующий конденсатор быстро разряжается через это низкое сопротивление, лампа открывается. При размыкании ключа конденсатор относительно медленно заряжается через R23+R24, запирая лампу. Таким образом у инструмента получается острая атака и мягкое затухание.
Выбранная схема источника питания обусловлена большим различием анодного напряжения питания оконечной лампы и остальных ламп, а также наличием у меня подходящего трансформатора, а точнее пары — отдельных анодного и накального. Высокое напряжение +375 В получается с двуплечего выпрямителя на диодах Д226Б по два в плечо с выравнивающими сопротивлениями, низкое +200 В с мостового выпрямителя на диодах того же типа по одному в плече. Дроссель фильтров общий в минусовой цепи.
Детали:
Практически все б/у, выпаянные из советских и более современных телевизоров.
Антенна телескопическая телевизионная.
Конденсаторы сухие — в ВЧ генераторах трубчатые КТК и слюдяные КСО («шоколадки»), переменной ёмкости — от малогабаритного ДВ/СВ радиоприёмника, в НЧ части плёночные К73-17.
Конденсаторы электролитические как фирм Tesla и прочих заграничных, так и К50-6, предварительно проверенные на ток утечки и оттренированные.
Резисторы МЛТ, переменный типа ТК со снятым выключателем.
SB1 — герконная кнопка, SA1 — тумблер сетевой.
Катушки L1, L2 выполнены на пластмассовых каркасах от катушек швейных ниток. Диаметр каркаса 13 мм, длина намотки 5 мм, количество витков 230, провод ПЭЛ-0,15 (благодарность отдельная necro_448), способ намотки — внавал, индуктивность (по расчёту) порядка 950 мкГн.
Катушки L3, L4 на броневых сердечниках из карбонильного железа СБ-2а и неизвестного типа, L3 содержит 250, L4 160 витков того же провода внавал между щёчками каркаса.
Выходной трансформатор самодельный на ленточном броневом сердечнике ШЛ-16×20 с прокладкой одного слоя офисной бумаги в качестве немагнитного зазора. Первичная обмотка содержит 4500 витков всё того же ПЭЛ-0,15, вторичная (для нагрузки 4 Ом) 81 виток ПЭЛ-0,83.
Силовые трансформаторы унифицированные (на схеме показаны два как один) анодный ТА-27 и накальный ТН-3, дроссель фильтра Д22-5-0,1.
Громкоговоритель вместе с ящиком от узкоплёночной кинопередвижки завода КИНАП.

Ну а теперь много фотографий стадий процесса. Агрегат был решён в модульной схеме из трёх отдельных шасси.
Началось всё с макетирования.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Осциллограф показал вот такую кривую суммарных колебаний. Видим тут по крайней мере биения первых и вторых гармоник. Частота пока 110 кГц, ёмкость соединительного кабеля и входная ёмкость осциллографа СИ-1 влияют мало.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Далее на свет божий был извлечён КИНАПовский ящик типа квадратный гроб, но с ручкой для переноски и превосходным динамиком.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Сделано шасси ВЧ части. Здесь оно уже с катушками для частоты 395 кГц.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Монтаж выполнен на лепесках ламповых панелек и самодельных гребёнках из оргстекла.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Как мотал выходной трансформатор, не покажу, поскольку не фотографировал. Процесс этот неспешный, монотонный и медитативный. Это при хорошем настроении мотальщика. А при плохом — просто нудный.
Детектор и УНЧ, пока ещё отдельно — на испытаниях

Посмотреть на Яндекс.Фотках
И уже смонтированные и подключенные.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
Блок питания. Тоже смонтирован. Трансформаторы на верхней стороне шасси. Никакой подгонки напряжений, кстати, не понадобилось.

Посмотреть на Яндекс.Фотках
В процессе настройки. Видна и общая компоновка — ВЧ блок с антенной и манипулятор сверху, НЧ блок и блок питания для устойчивости и снижения паразитных связей снизу.

Посмотреть на Яндекс.Фотках

Так вот, о настройке:
Измерение частоты ВЧ генераторов можно производить и посредством электронносчётного частотомера Ч3-22. Подключать его из-за низкой чувствительности приходилось прямо к колебательному контуру и четвёртой сетке лампы. Входная ёмкость его таким образом оказывалась включена в ёмкость контура. Чтобы учесть её влияние, частотомер я подключал к перестраиваемому контуру и настраивал его на слух по нулевым биениям. Таким образом была измерена и частота стабильного ВЧ генератора — 397 кГц (расчётная 400 кГц), и наибольшая девиация частоты, достигаемая воздействием руки — 4 кГц.
Более никакой специфической настройки не проводилось. НЧ часть заработала сразу, а при помощи проб был исправлен поначалу хриплый тембр — понадобилось, как уже упомянуто, оставить во входе детектора пару последовательно соединённых катушек.

В итоге получился в меру транспортабельный 7-8 килограммовый звучащий чёрный ящик, кой я и передоверил Марте.
Звук у инструмента не характерный для классического терменвокса, не столь «неземной», гораздо живее. Марте интуитивно удалось обучить его мяукать, что и повергло упомянутую кошку в когнитивный диссонанс, а когда ящик стал пищать по-птичьи, разрыв шаблона у трёхшерстного зверя случился окончательный.
Настройка остра и чрезвычайно широка, можно состроиться в ноль как с первой, так и со второй гармоникой, но звук во втором случае получается гораздо тише. Гриф как прямой, так и обратный, техника исполнения требуется, в виду отсутствия мгновенной регулировки громкости, органная.

Источник — http://elrond1-2eleven.livejournal.com/143625.html

theremintimes.ru

Простая схема терменвокса из журнала «Юный техник» | Theremin Today

Автор: Рудольф Сворень.

Сделать терменвокс не очень трудно, но для игры на нем от вас потребуются долгие, упорные занятия. Впрочем, то же самое можно сказать и о любом другом музыкальном инструменте…

Посмотрите на схему.

Генератор фиксированной частоты (VI) собран по трехточечной схеме с емкостной обратной связью. В колебательный контур входят не только катушка L1 и конденсатор С3, но еще и емкостный делитель С4С5, подключенный параллельно контуру (один конец делителя соединен с контуром непосредственно, а второй — через «землю» и конденсатор С1). Транзистор подключен к контуру так, чтобы выполнялось условие фаз: эмиттер соединен со средней точкой емкостного делителя, а к крайним точкам контура присоединены коллектор (непосредственно) и база (через конденсатор С2). Остальные элементы генератора — это резисторы термостабилизации и развязывающий фильтр.

Точно по такой же схеме собран и второй генератор (V2), частота которого должна меняться. Связь контурной катушки са штырем осуществляется с помощью катушки связи LЗ.

Следующий    каскад — усилитель высокой частоты (ВЧ), на которой с обоих генераторов (с эмиттеров VI, V2) подаются два высокочастотных напряжения с частотами f1 и f2- Генераторы соединены с входом усилителя ВЧ (VЗ) через RС-цепочки (R9С12 и R10С11), которые ослабляют взаимное влияние генераторов, препятствуют «затягиванию» частоты. Это явление со стоит в том, что при небольшой разности между частотами  и f2 один генератор «навязывает» свою частоту другому, и в итоге оба они дают одну и ту же частоту. При этом разностная ча-стота становится равной нулю, то есть звук просто исчезает. «Затягивание» препятствует приближению частоты f2 к частоте f1, то есть препятствует получению достаточно низких звуков (50-80 Гц). Чтобы предотвратить «затягивание», для каждого генератора часто делают собственный, так называемый буферный усилитель ВЧ и уже с этих усилителей подают сигналы на детектор.

В данной схеме оба сигнала с общего усилителя ВЧ также подаются на триодный детектор (V4), где в результате одновременного искажения этих сигналов и появляется разностная частота fразн. =f2 — f1. Детектор термен-вокса называют так потому, что он работает с отсечкой тока во входной цепи. Отрицательное смещение, поступающее через R15, почти полностью компенсируется положительным смещением, возникающим на R17, и таким образом каскад оказывается почти без смещения. Однако этот детектор все же правильнее было бы назвать преобразователем частоты, так как именно этот процесс лежит в основе получения звука.

 

Сигнал разностной частоты выделяется на нагрузке детектора-преобразователя (R16), в то время как высокочастотные составляющие с частотами f1 и f2 и их гармоники замыкаются накоротко через конденсатор С18. Потенциометр R21 служит для регулировки громкости. На его оси можно закрепить длинный тонкий стержень и во время исполнения мелодий менять уровень громкости, слегка перемещая этот стержень свободной рукой.

Данные деталей: катушки L1 и L2 одинаковы и содержат по 240 витков провода ЛЭШО 5 х 0,05 (ПЭ 0,1). Они намотаны на стандартных четырехсекцион-ных каркасах с небольшими фер-ритовыми сердечниками. Непосредственно к катушке L2 примыкает катушка связи L3 которая намотана на трехсекционном каркасе и содержит три тысячи витков провода ПЭ 0,06. Катушки L2 и L3 могут размещаться на одной оси или на небольшом расстоянии друг от друга закрепляться на общей монтажной плате.

При изготовлении катушек главное — сделать одинаковыми L1 и L2, обеспечить достаточно сильную связь между L2 и L3 а  также предусмотреть возможность подгонки частоты с помощью сердечников.

Такая подгонка необходима для того, чтобы установить минимально возможную разностную частоту при наибольшем приближении руки к штырю. При удалении руки на большое расстояние разностная частота должна быть настолько большой, чтобы звука совсем не было слышно.

Если нет возможности изготовить катушки с сердечниками, то для подгонки частоты генераторов можно подключить параллельно СЗ и С8 подстроечные конденсаторы. В качестве штыря удобно использовать телескопическую антенну.

Низкочастотный сигнал с выхода терменвокса можно подать на любой усилитель НЧ и, в частности, на вход «звукосниматель» любого приемника.

Налаживание терменвокса нужно начинать с проверки генераторов. Прежде всего следует убедиться, что генераторы дают незатухающие колебания. А для этого нужно включить вольтметр постоянного напряжения параллельно конденсатору С1, а затем С6 и периодически замыкать контур накоротко. Если генерация была, то при замыкании контура она прекратится, и постоянное-напряжение на коллекторе (а именно его, по сути дела, измеряет вольтметр) несколько понизится.

Если окажется, что генератор не работает, то нужно повысить напряжение положительной обратной связи. Для этого следует увеличить емкостное сопротивление той части емкостного делителя, с которой это напряжение снимается. Практически нужно несколько уменьшить емкость конденсатора С5 (или С10, имея, конечно, в виду, что подобная мера приведет к некоторому увеличению генерируемой частоты. Усилить обратную связь можно и иначе — уменьшая емкостное сопротивление верхней части делителя, то есть увеличивая емкость С14 (С9).
Если оба генератора работают, то дальнейшая наладка сводится к подгонке частот f1 и f2 и в случае необходимости к подбору режимов усилителя ВЧ и детектора.

Р. СВОРЕНЬ, инженер. Журнал Юный техник.

Рудольф Анатольевич Сворень — радиоинженер, журналист и писатель, кандидат педагогических наук. Популяризатор в области электроники, работал в журналах «Радио», «Наука и жизнь». Издано 13 его книг, общий тираж которых превысил 8 миллионов. Среди них — энциклопедия юного радиолюбителя «Электроника шаг за шагом».


Присылайте свои схемы и фото-видео терменвоксов на thereminmsc@ya.ru!


theremintimes.ru

Терменвокс часть 1 — RadioRadar

Разное

Главная  Радиолюбителю  Разное


Пусть читателей не смущает название «Etherway». Оно созвучно с «Etherwave» — названием терменвокса известной американской фирмы Moog Music Inc. — и выбрано намеренно, чтобы отразить схожесть инструментов. Описание прототипа [1] было сделано самим Р. Мугом, который впоследствии наладил выпуск изделий, практически ничего не изменив в схеме и дав им название «Etherwave». Инструмент оказался настолько удачным, что и по сей день пользуется успехом как среди исполнителей, так и среди радиолюбителей, повторяющих его.

Исполнители отдают должное самому главному качеству инструмента — его пригодности к профессиональному исполнению музыкальных произведений. Это связано, главным образом, с улучшенной линейностью музыкальной шкалы, о чём речь пойдёт ниже. Радиолюбителей же привлекает возможность не мотать катушки индуктивности самостоятельно, а обойтись готовыми намоточными изделиями известных фирм. Предлагаются даже наборы для самостоятельной сборки, включающие полностью собранную и отлаженную печатную плату.

Предлагаемая конструкция представляет собой некоторое отступление от этой идеологии, поскольку в ней использованы катушки, намотанные вручную. Это не так сложно, как кажется на первый взгляд, да и занимает гораздо меньше времени, чем поиск готовых изделий. Впрочем, ничто не мешает подобрать готовые катушки. Также важно знать: для успешного повторения конструкции потребуется осциллограф!

Звуковой сигнал в терменвоксе получают смешиванием высокочастотных сигналов двух генераторов (рис. 1), один из которых (образцовый) работает на фиксированной частоте, а частота другого (перестраиваемого) меняется при приближении к его антенне руки исполнителя. В результате образуются и выделяются биения с разностной частотой, лежащей в звуковом диапазоне. Гениальность изобретения Л. С. Термена состоит в том, что очень незначительные изменения частоты генераторов приводят к ощутимым изменениям высоты тона. Он использовал этот принцип не только в своём музыкальном инструменте — терменвоксе, но и при построении охранных систем.

Рис. 1. Конструкция инструмента

Значения частот на рис. 1 показаны условно. Общее правило здесь одно: с приближением руки к антенне частота перестраиваемого генератора понижается, что должно приводить к увеличению разностной частоты (повышению тона), а значит, образцовый генератор должен быть настроен выше. Пусть этот факт отложится в памяти до того момента, когда придётся налаживать изготовленное устройство.

Канал управления громкостью (рис. 2) построен иначе. Здесь только один генератор, который работает на фиксированной частоте и возбуждает резонансную цепь, в которую входит ещё одна антенна. В исходном состоянии (рука далеко) цепь настроена на частоту генератора, а напряжение на ней максимально. Приближение руки к антенне вызывает расстройку резонансной цепи и снижение напряжения на ней. Это должно приводить к уменьшению громкости, хотя возможна и обратная зависимость. Я думаю, на заре становления инструмента были опробованы оба варианта, и первый вариант сочли лучшим.

Рис. 2. Конструкция инструмента

Концепция «Etherwave» полностью повторяет концепцию первых терменвоксов, построенных на электронных лампах. Возможно, удачность конструкции, описанной в [1], как раз и обусловлена именно тем, что представляет собой, по сути, современную (на транзисторах) реинкарнацию проверенных и хорошо себя зарекомендовавших технических решений прошлых лет.

Теперь — об изображённой на рис. 3 схеме терменвокса «Etherway», который я разработал на основе «Etherwave». Все генераторы в нём выполнены по единой дифференциальной двухтранзисторной схеме. Достоинство такого генератора в том, что его трудно заставить не генерировать, чему способствует большой суммарный коэффициент усиления пары транзисторов. Рассмотрим его работу на примере перестраиваемого генератора (транзисторы VT1 и VT2).

Рис. 3. Схема терменвокса «Etherway

В коллекторную цепь транзистора VT1 включён колебательный контур, состоящий из конденсатора C5 и катушки индуктивности L3. Элементы C9, R11 и R12 образуют цепь положительной обратной связи, причём C9 — просто разделительный конденсатор, ёмкость которого некритична, а делитель напряжения R11R12 задаёт коэффициент обратной связи, кроме того, резистор R11 большого сопротивления уменьшает нагрузку на колебательный контур.

В [1] катушка индуктивности, эквивалентная L3, составлена из двух — постоянной и регулируемой, что снижает остроту настройки (тем самым делая её более удобной), но и уменьшает её пределы. Последнее заставляет более строго придерживаться номиналов элементов частотозадающих цепей и геометрии антенны. Я пожертвовал остротой настройки в пользу универсальности и отказался от дополнительного компонента, которого всё равно бы не нашёл в своих «закромах».

Резисторы R5 и R12 задают постоянное напряжение на базах транзисторов VT1 и VT2, близкое к нулю. Резистором R7 задан суммарный ток через транзисторы (около 5 мА).

Основные отличия генератора от оригинала — дополнительная развязка по питанию с помощью фильтра C4R6 и снятие выходного напряжения не с контура C5L3, а с коллектора транзистора VT2. Для этого в коллекторную цепь этого транзистора в качестве нагрузки установлен сравнительно низкоомный резистор R10. Цель такого решения — максимально и с минимумом затрат развязать генераторы.

Дело в том, что при сближении частот генераторов возрастает их взаимное влияние вследствие взаимопроникновения сигналов через выходные цепи, цепи питания, ёмкость монтажа. Каждый стремится навязать партнёру свою частоту. Это явление называют «затягиванием частоты». В схеме из [1] затягивание начинает проявляться при разности частот менее 150 Гц, приводя сначала к искажениям формы звукового сигнала, а затем к полной синхронизации генераторов (захвату частоты) и «молчанию» инструмента. Это делает невозможным получение звуковых частот ниже 50…80 Гц. Но здесь есть свои достоинства и недостатки.

Положительный момент заключается в том, что по мере затягивания частоты звуковой сигнал из близкого к синусоидальному превращается в подобие пилообразного, а затем — пульсирующего, обогащаясь высшими гармониками. Иными словами, появляется зависимость тембра от частоты, что делает исполнение более выразительным и похожим на естественный голос. Невозможность получения низких нот делает инструмент молчащим в отсутствие исполнителя, поскольку частота управляемого генератора должным образом настроенного терменвокса в этом случае попадает в полосу захвата.

Но изменчивость формы сигнала плоха тем, что на очень низких нотах получается не голос, а «тарахтение», теряющее музыкальность из-за того, что биения из периодических становятся случайными — возрастает чувствительность генераторов, находящихся на грани захвата, ко всякого рода помехам.

И наконец, интересное следствие затягивания частоты, считавшееся раньше полезным, которое усиливали с помощью специальных мер, — оно ускоряет сближение частот генераторов, повышая чувствительность инструмента к манипуляциям исполнителя именно там, где требуется, — на удалении от антенны, где изменения вносимой рукой ёмкости малы. Это делает более равномерным распределение нот в области перемещения руки.

Посмотрите на клавиатуру фортепиано — ширина клавиш везде одинакова. Музыканту не нужно напрягаться, чтобы сыграть, например, ту же мелодию октавой выше. Он, руководствуясь мускульной памятью, просто повторит те же движения, немного сдвинув руку. Со струнными инструментами ситуация немного хуже. Лады на грифе гитары расположены неравномерно, поэтому движения приходится масштабировать. У виолончели вообще все плохо. Ладов, как таковых, нет, и малейший промах означает фальшь.

Если у перечисленных выше инструментов есть какая-либо точка опоры для руки, место тактильного контакта, визуальное место, наконец, то у терменвокса нет и этого. Вот почему лозунг «каждый сможет играть на терменвоксе» звучит, мягко говоря, лукаво. Впрочем, если исполнять «авангардную» музыку, которую никто, даже сам автор, повторить не в силах, — это сойдёт. Проблемы начнутся с «Вокализом» С. В. Рахманинова, эдаким «Hello, world!» в мире начинающих терменистов.

Я сказал: «следствие, считавшееся раньше полезным». В последнее время обнаружилось, что «Etherwave» звучит весьма неплохо даже при полностью развязанных генераторах, давая более густой бас (и это ожидаемо) и одну или более лишнюю октаву. Странно, что инженеры Moog Music Inc. до сих пор не воплотили эту возможность в серийных изделиях, дав другим шанс заработать на продажах дополнительных модулей, устанавливаемых в «Etherwave», по цене в десятки евро за плату с двумя транзисторами! А суть метода проста — буферирование сигналов генераторов перед подачей их на смеситель. Ведь именно здесь происходит наиболее сильное взаимное влияние генераторов.

Поначалу я собирался поступить так же, но «спортивный» интерес взял своё — решил найти более элегантное решение. Окончательный вариант — использование транзисторов VT2 и VT6 в качестве буферов и введение смесителя на легко сопрягаемом с ними p-n-p транзисторе VT3.

Чтобы ослабить паразитную связь, требуется уменьшать сопротивление резисторов R10 и R32. Но тогда смешиваемые сигналы оказываются очень слабыми. Хотя диодный смеситель, взятый из оригинала, работает и с ними, но он даёт меньший уровень выходного сигнала. Транзистор VT3 не только смешивает входные сигналы, но и усиливает выходной. Цепь C14R14, как и в оригинале, отсекает высокие частоты, вновь введённая цепь C13R13 делает то же самое, улучшая фильтрацию.

Нужно заметить, что такие цепи встречаются по всему тракту, и в этом есть свой резон. Если подать плохо отфильтрованный сигнал на громкоговоритель, то его высокочастотные составляющие всё равно не будут слышны.

Зато дешёвые звуковые карты компьютеров и различные генераторы спецэффектов легко «слышат» эти составляющие. Дело в том, что находящиеся в них аналого-цифровые преобразователи квантуют входной сигнал по времени. Если он имеет высокочастотные компоненты с частотами выше половины частоты квантования, появляются неприятные призвуки. А дешевизна таких устройств предполагает отсутствие высококачественных фильтров на их входе.

Вернёмся к генераторам. Хотя сигнал на колебательном контуре имеет синусоидальную форму (верхняя осциллограмма на рис. 4), с резисторов R10 и R32 снимают далеко не синусоидальные напряжения — «обрывки» полуволн размахом около 2 В с короткими провалами на вершинах (нижняя осциллограмма на том же рисунке). Это приводит к несколько иной, по сравнению с оригиналом, форме напряжения на выходе смесителя. Если раньше на резисторе R14 выделялся сигнал, состоящий из отрицательных полуволн в форме букв U, то теперь — скруглённый треугольный с небольшими перегибами на подъёме.

Рис. 4. Осциллограммы сигналов

Вдобавок, сигнал переместился в область положительного напряжения, что заставило изменить полярность напряжения питания, приходящего на переменный резистор R15, и поменять местами его неподвижные выводы, чтобы сохранить направление регулировки, а также увеличить номинал резистора R24.

Как видно по осциллограммам сигналов разной частоты на выходе смесителя, изображённым на рис. 5, они сохраняют свою форму вплоть до инфразвуковой частоты, что говорит о хорошей развязке генераторов. Изменчивость тембра предполагается создавать внешними средствами.

Рис. 5. Осциллограммы сигналов разной частоты на выходе смесителя

Теперь об отличиях генераторов. У перестраиваемого генератора к колебательному контуру подключена цепь, состоящая из антенны WA1 и катушки индуктивности L1, а в образцовом генераторе — цепь настройки в виде «реактивного транзистора» (электронного аналога переменного конденсатора).

Принцип действия реактивного транзистора основан на эффекте Миллера — кажущемся увеличении ёмкости конденсатора, включённого в цепь отрицательной обратной связи усилителя. В данном случае — это конденсатор C26 ёмкостью 3 пФ, включённый между коллектором и базой транзистора VT8. В общую ёмкость обратной связи входит также ёмкость перехода база-коллектор этого транзистора, которая у BC846A — около 1,9 пФ. При изменении регулировкой тока его эмиттера с помощью переменного резистора R49 коэффициента усиления Ку транзистора происходит изменение произведения (С26+Сбк)-Ку.

В [1] конденсатор, эквивалентный C26, был номиналом 33 пФ, а эквивалентный R36 резистор — 33 Ом (плюс дополнительный резистор 470 Ом в базовой цепи транзистора, который здесь исключён), что давало такое же перекрытие по частоте — около 2…3 кГц. Это соответствует изменению ёмкости колебательного контура на 50 пФ. Если имеется подходящий конденсатор переменной ёмкости, можно смело заменить им весь узел электронной перестройки, применение которого Р. Муг обосновал отсутствием дешёвых переменных конденсаторов.

На антенной цепи остановимся подробнее. Это — «изюминка» всех терменвоксов подобного рода. Дело в том, что для максимальной чувствительности необходимо, чтобы ёмкость конденсатора колебательного контура состояла, по возможности, только из ёмкости антенны. Это примерно 6…8 пФ, из которых на наведённую от руки ёмкость приходится 0,5 пФ и менее. Но такой контур на частоте в сотни килогерц возбудить сложнее, и, самое главное, «густота» нот с приближением руки к антенне резко возрастает. Это сильно затрудняет игру в верхнем регистре инструмента.

Как же при ёмкости контура 3300 пФ обеспечивают требуемую чувствительность инструмента к манипуляциям рукой? Всё дело в том, что контур, в который входит ёмкость антенны, в рассматриваемом случае образован дополнительной катушкой индуктивности L1 (в [1] это четыре катушки, соединённые последовательно). В первом приближении можно считать, что резонансная частота этого контура равна резонансной частоте контура генератора C5L3. В этом случае влияние ёмкости антенны на генерируемую частоту многократно возрастает.

Трудно сказать, как Л. С. Термен и первые энтузиасты терменвокса пришли к этому решению. Возможно, они стали подключать антенну не напрямую, а через катушку индуктивности, стремясь ограничить чувствительность вблизи антенны и выровнять тем самым мензуру инструмента. Постепенно выяснилось, что её индуктивность должна быть значительной, а наилучшее выравнивание мензуры достигается при большой ёмкости контура генератора.

Позже появилось такое объяснение: при правильной настройке цепи антенны её ёмкость трансформируется в индуктивность, присоединённую параллельно катушке L3. Изменения ёмкости антенны управляют этой индуктивностью по нужному для линеаризации закону. А своеобразие схемы заключается в том, что если оба контура по отдельности настроены на одну и ту же частоту, то соединённые вместе они дают два резонансных пика вместо одного. Поведение генератора при этом сильно зависит от соотношения параметров элементов контуров.

Исчерпывающее объяснение этому явлению можно найти в разделах «Связанные колебательные цепи» в учебниках по теории электрических цепей и даже в учебниках по другим дисциплинам (акустике, математике). Поведение таких цепей описывают биквадратные уравнения, решение которых даёт четыре корня вместо двух для одиночной колебательной цепи. Отсюда и двухгорбая амплитудно-частотная характеристика. Степень её двухгорбости зависит от коэффициента связи между колебательными контурами, а сама связь может быть как магнитной, так и ёмкостной. В данном случае связь — непосредственная, обусловленная способом включения и разным волновым сопротивлением контуров C5L3 и WA1L1.

Продолжение следует…

Литература

1. Moog R. Build the EM Theremin. — Electronic Musician, 1996, February, рр. 86- 100. URL: — http://www.cs.nmsu.edu/~rth/ EMTheremin.pdf (07.07.16).

Автор: И. Мамонтов, г. Электросталь Московской обл.

Дата публикации: 01.12.2016

Рекомендуем к данному материалу …

Мнения читателей
  • Сергей Васильевич / 09.11.2018 — 15:07
    Здравствуйте.Возникли вопросы при наладке терменвокса.Возможно ли связаться с автором публикации? doktorsergeev@yandex.ru
  • Дмитрий / 07.03.2018 — 20:40
    Чем можно заменить транзистор MMBT3640?
  • Вячеслав / 06.05.2017 — 13:48
    Здравствуйте, хочу повторить вашу конструкцию. Как с Вами связаться? Моя почта: vagis2000@mail.ru

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:

www.radioradar.net

Терменвокс своими руками


В статье рассказывается о необычное музыкальное устройство, которое можно собрать буквально за один вечер. Этот электромузыкальный инструмент является неким аналогом оригинального Терменвокса изобретенного в 1920 году русским ученым и музыкантом Львом Терменом, собственно от его имени устройство и получило свое название.

Детали и элементы необходимые для создания устройства:
-микросхема 555
-динамик
-аудиовыход
-фотоэлемент
-реле для регулировки громкости звука
-макетная печатная плата

Описание принципа работы и создания устройства:

В оригинальной модели терменвокса изменение звука происходит за счет изменения емкости колебательного контура. То есть в нем имеется две антенны, которые позволяют музыканту за счет изменения расстояния от антенн до своих рук управлять частотой и громкостью звука, получая, таким образом, различные мелодии. Поэтому для игры на оригинальной модели терменвокса необходимо обладать хорошим музыкальным слухом, так как музыкант не касается инструмента и не может опираться на какие-либо фиксированные позиции, а полагается только на слух.


По сути терменвокс можно назвать первым электромузыкальным инструментом. Он очень универсален, подходит не только для исполнения различных музыкальных произведений, но так же может быть использован для создания звуковых эффектов вроде свиста, пения птиц и другие.

Модель терменвокса, о которой будет рассказано в этой статье, имеет упрощённый вид. В этой модели отсутствуют антенны, а вместо них в схему устройства установлен фотоэлемент. Таким образом, регулируя освещенность фотоэлемента, можно управлять изменять звучание устройства.
Сложно назвать данное устройство настоящим терменвоксом, так как оно сильно упрощено, но все же довольно интересное. К тому же собрать такую музыкальную игрушку на фоторезисторе гораздо проще.

Для начала нужно достать все необходимые элементы для сборки подобного устройства. Этот терменвокс состоит из простейших элементов, которые можно купить в любом радиотехническом магазине, или даже достать из ненужных старых приборов вроде китайских магнитофонов и тому подобного. Хотя проще купить, так как все используемые элементы стоят достаточно дёшево.

Чтобы сборка устройства, а именно пайка была гораздо проще и удобнее, автор приобрел так же макетную печатную плату.


Таким образом, можно избежать самого длительного и нудного процесса в сборке этого устройства: рисовании и протравливании дорожек. К тому же это довольно длительный процесс и готовая макетная плата заметно ускорит возможность сборки терменвокса.

При создании данного устройства автор опирался на приведенную ниже схему, попутно внося небольшие модернизации для улучшения работы и вида устройства.


В процессе этой модификации в устройство были добавлены такие элементы как аудиовыход, регулятор громкости динамика, а так же кнопка выключения устройства.

В качестве базового элемента устройства была использована 555-ая микросхема.

Таким образом, громкость устройства изменяется за чет установленного регулятора, а высота тона издаваемых звуков моделируется фоторезистором за счет изменения освещенности. То есть движением руки, закрывая или открывая свету доступ к фотоэлементу, происходит регуляция тона и подбор музыкальных мелодий.



Все устройство питается за счет стандартной батарейки типа крона.

Источник

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

usamodelkina.ru

Терменвокс без «антенн» — Меандр — занимательная электроника

Читать все новости

Предлагаемым электромузыкальным инструментом исполни­тель управляет движениями рук подобно известной конструкции Л. Термена. Однако по принципу действия он не имеет с настоя­щим терменвоксом ничего общего — вместо взаимодействия рук исполнителя с электромагнитным полем антенн инструмента и биений сигналов двух генераторов использованы измерение расстояний до рук с помощью ИК-дальномеров и цифровое фор­мирование сигналов нужной частоты и громкости. Однако инструмент получился простым и пригодным для повторения. При дальнейшем совершенствовании он может найти примене­ние в музыкальной практике.

Журнал «Радио» не раз публиковал описания конструкций терменвок-сов, построенных по традиционному принципу [1, 2]. Поскольку этот музы­кальный инструмент своим необычным звучанием всегда привлекает внима­ние, он был изготовлен и автором пред­лагаемой статьи для демонстрации в музее науки «Ньютон-парк» в Краснояр­ском музейном центре.

Однако его демонстрация при сво­бодном доступе посетителей музея к экспонатам (а посетители эти — в ос­новном школьники младших классов) выявила специфический недостаток. Когда вокруг инструмента, имеющего довольно объёмную зону чувствитель­ности, собираются несколько посетите­лей и пытаются управлять им одновре­менно, результат бывает непредсказуе­мым.

В предлагаемой конструкции этот недостаток устранён. Вместо антенн и генераторов с колебательными конту­рами использованы триангуляционные инфракрасные датчики расстояния (дальномеры) GP2Y0A41SK и GP2Y0A21.

Первый измеряет расстояние от 4 до 30 см, а второй — от 10 до 80 см. Их зоны чувствительности имеют вид конусов с углами при вершине около 17°. Ладонь исполнителя в рабочем интервале расстояний полностью пере­крывает такую зону. Выходное напря­жение датчиков изменяется в указан­ных интервалах приблизительно на 2 В. Размеры датчиков — 29x12x18 мм, напряжение питания — 5 В, потребляе­мый ток — 30 мА. Описание таких дат­чиков и принципа их работы можно найти в [3, 4].

Инструмент воспроизводит ноты нескольких октав. Как и в классическом терменвоксе, один датчик (с большим максимальным измеряемым расстоя­нием) задаёт высоту тона формируемо­го звука, второй — его громкость. Сиг­налы датчиков обрабатывает и пре­образует в звуковой сигнал микроконт­роллер.

Схема терменвокса изображена на рис. 1. Он выполнен на микроконтроллере ATmega16-16PU, тактовая частота которого (16 МГц) стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Поэтому частоты нот имеют высокую стабиль­ность. Блок питания и выходной усили­тель на схеме не показаны.

Рис. 1

Датчики В1 и В2 подключают к разъ­ёмам Х1 и Х2 двумя трёхпроводными гибкими кабелями длиной около 0,5 м из провода МГТФ. Их сигналы посту­пают соответственно на входы ADC6 и ADC7 микроконтроллера (это входы ка­налов его АЦП). Форма выходного сиг­нала задана в программе массивом, содержащим 64 константы — отсчёты мгновенных значений сигнала в одном его периоде. Частоту выборки отсчётов из массива (в 64 раза большую задан­ной частоты выходного сигнала) задаёт шестнадцатиразрядный таймер Т1. Он работает в режиме СТС и генерирует запросы прерывания с периодом, за­данным числом, загруженным в его регистр OCR1A.

В зависимости от измеренного дат­чиком В2 расстояния до руки исполни­теля программа вычисляет индекс эле­мента массива aChastota, содержащего нужное для загрузки в регистр OCR1A число. По прерываниям от таймера про­грамма выводит в порт С очередные мгновенные значения формируемого сигнала.

Зависимость выходного напряжения датчика Uд от расстояния D (на рабочем участке) описывает функция вида

Методика определения её коэффи­циентов А и В приведена в статье на сай­те [3]. Но более удобно, на мой взгляд, использовать для этого электронную таблицу Excel.

Сначала измерьте напряжение на выходе датчика при различном расстоя­нии от его панели, на которой располо­жены окна ИК-излучателя и фотоприём­ника, до преграды. Ею может служить любой плоский предмет — книга, короб­ка и даже собственная ладонь. Напря­жение измеряют любым точным вольт­метром постоянного тока. Замеры до­статочно делать через каждые 10 см расстояния. Результаты заносите в таб­лицу. На рис. 2 показана эта таблица, готовая к расчёту. В электронном виде она находится в файле tables.xls на Листе 1.

Рис. 2

В ячейках В7—В13 указаны расстоя­ния D в сантиметрах. В ячейках С7— С13 — соответствующие им измерен­ные значения напряжения на выходе датчика Uизм в милливольтах. В ячейках D7—D13 выведены рассчитанные про­граммой Excel по приведённой выше формуле значения этого напряжения Uд. Коэффициенты А и В помещены со­ответственно в ячейки D2 и D3. Их на­чальные значения А=20000 и В=150 заданы произвольно. Графики изме­ренной (красный) и расчётной (синий) зависимостей напряжения от расстоя­ния расположены в колонках J—N.

В столбец Е выведены значения раз­ностей измеренного и расчётного на­пряжения, а в столбец F — квадраты этих разностей. Подсчитанная програм­мой Excel сумма квадратов разностей, характеризующая точность совпадения экспериментальной и расчётной зави­симостей, выведена в ячейку F15.

Процедура подборки коэффициен­тов занимает не более 10 мин. Изменяя их, наблюдайте, как графики сближают­ся, а сумма в ячейке F15 уменьшается. В рассматриваемом случае минимальное значение в этой ячейке, равное 848, достигается при А=23910 и В=173. При этом графики практически сливаются. Следовательно, для использованного автором экземпляра датчика зависи­мость выходного напряжения в милли­вольтах от расстояния в сантиметрах аппроксимирует формула

Выходной код К канала ADC7 АЦП микроконтроллера, оцифровывающего это напряжение, равен

где Uобр — образцовое напряжение АЦП; N — число двоичных разрядов АЦП. В рассматриваемом случае Uобр = 5090 мВ (точное значение напряжения питания микроконтроллера), N=8 (два младших разряда десятиразрядного АЦП не используются).

После подстановки значений Uд, Uобр, N и несложных преобразований полу­чим

По этой формуле микроконтроллер и должен рассчитывать расстояние в сан­тиметрах, но потребуется использовать 32-разрядную арифметику. Можно уп­ростить расчёты, если пропорционально уменьшить и округлить коэффициенты. В результате, приняв образцовое напря­жение АЦП равным 5120 мВ, получим

Эта приближённая формула и использована в программе микроконт­роллера. Погрешность вычисления по ней на расстоянии 74 см не превышает 1,5 см, а на расстоянии меньше 60 см она уже меньше сантиметра. Такой погрешностью можно пренебречь, тем более что гриф создаваемого инстру­мента — виртуальный.

При расстоянии до преграды от 10 до 60 см напряжение Uд изменяется в пределах 2550…770 мВ. Значения кодов АЦП при этом изменяются от 127 до 28. Если в зоне чувствительности датчика ничего нет, напряжение Uд будет около 200 мВ, при этом АЦП выдаёт код 10. На расстояниях менее 10 см характер зависимости напряже­ния от расстояния резко меняется — оно быстро падает [3], что связано с конструктивными особенностями дат­чика. Чтобы не учитывать этот эффект, на удалении около 10 см от датчика ус­тановлено искусственное препятствие, мешающее приблизить руку к датчику на меньшее расстояние.

Индекс элемента массива aChastota, содержащего константы для загрузки в регистр OCR1A таймера 1, получается уменьшением значения D на 10. Чтобы заполнить этот массив, была создана электронная таблица Excel, находящая­ся в файле tables.xls на Листе 2. Её стол­бец В заполнен получаемыми от АЦП значениями К от 127 до 23 с шагом 1. В столбце С — вычисленные по приведён­ной выше упрощённой формуле целые части значений D. Дело в том, что про­грамма микроконтроллера при вычис­лениях с фиксированной запятой отбра­сывает дробные части чисел.

В столбец D помещены значения ин­дексов массива aChastota. Цветом вы­делены строки нижней части таблицы, где индекс становится больше 63 и вы­ходит за границу массива. Это происхо­дит на больших расстояниях руки от датчика, когда выходной код АЦП стано­вится меньше 25. В этом случае про­грамма выключает звуковой сигнал, ус­танавливая его амплитуду равной нулю.

Зависимость получилась крайне не­равномерной. В её начальной части при изменении расстояния на сантиметр код АЦП проходит несколько последо­вательных значений. Например, в ин­тервал от 10 до 11 см укладываются коды от 122 до 113. В интервале при­близительно от 25 до 35 см каждому сантиметру расстояния соответствует изменение кода на единицу. А в конце грифа код изменяется на единицу лишь при изменении расстояния на несколь­ко сантиметров. Например, К=31 соот­ветствует расстоянию 53 см, а К=32 — уже 56 см. Следовательно, при пере­мещении руки от 53 до 55 см включи­тельно программа будет обращаться к одному и тому же элементу массива aChastota[43] и генерировать звук од­ной и той же тональности. К элементам aChastota[44] и aChastota[45] обраще­ний не будет никогда, поэтому их значе­ния можно сделать любыми, например, равными aChastota[43].

Массив aChastota заполнен с помо­щью ещё одной электронной таблицы (Лист 3 в файле tables.xls). В её столб­це В, начиная с ячейки В10, находятся значения индекса от 0 до 63. Цветной заливкой выделены строки с индекса­ми, не встречающимися в предыдущей таблице. Всего их 18. Это значит, что ин­струмент сможет воспроизвести 46 нот (почти четыре октавы). Пусть это будут малая, первая, вторая октавы и часть третьей до ноты ля включительно.

Столбец С заполним значениями частот нот. Для этого в ячейку СЮ поместим частоту ноты ля третьей октавы 1760 Гц. Значение в следующей ячейке получим делением предыдуще­го значения на 1,0595 [5]. Тем же спо­собом заполняем все последующие ячейки столбца С, пропуская выделен­ные заливкой. В пропущенные ячейки поместим значения, взятые из преды­дущих.

В столбец D программа Excel поме­стит значения, загружаемые в регистр OCR 1А таймера Т1, вычислив их по взя­той из [6] формуле

где Fclk= 16000000 Гц — тактовая частота микроконтроллера; F — частота выход­ного сигнала; PS=8 — коэффициент де­ления частоты предварительным дели­телем таймера; S=64 — число отсчётов сигнала за период.

Можно было бы поручить вычислять эти значения программе микроконтрол­лера, однако экономнее с точки зрения расхода машинного времени вычислить их заранее, занести в массив и выби­рать оттуда по необходимости. Памяти для хранения таблиц у микроконтролле­ра достаточно.

Предварительно заполнив столбец F символами запятой, можно скопиро­вать столбцы Е и F в буфер обмена Windows, а затем выгрузить из буфера прямо в текст программы.

С полученным массивом гриф раз­рабатываемого терменвокса похож на классический — частота выходного сигнала тем выше, чем ближе рука к датчику.

Выходной аналоговый сигнал фор­мируют умножающий десятиразряд­ный ЦАП 572ПА1А (DA3) и операцион­ный усилитель КР140УД8А (DA4), вклю­чённые по типовой схеме. Из порта С на ЦАП поступают восьмиразрядные коды, два младших разряда ЦАП не используются.

Образцовое напряжение Uref для ЦАП, которому пропорциональна амплитуда выходного сигнала, программа форми­рует с помощью работающего в режиме FastPWM таймера ТО микроконтролле­ра. Оцифрованный каналом 6 АЦП сиг­нал датчика В1 задаёт коэффициент заполнения импульсов, генерируемых таймером 0 на выходе ОСО. Выделенная фильтром R5C6 постоянная составляю­щая этих импульсов через повторитель напряжения на ОУ DA2 поступает на вход Uref, ЦАП.

Сформированный звуковой сигнал с выхода ОУ DA4 поступает на разъём ХЗ. Это гнездо для стандартного аудио­штекера диаметром 3,5 мм. Резистор R6 нужен, если предполагается про­слушивать звук через головные теле­фоны.

Питают инструмент от любого источ­ника постоянного напряжения 5 В. На­пряжения +9 В и -9 В для питания ОУ DA2 и DA4 получают от преобразователя напряжения, входящего в состав микро­схемы адаптера последовательного ин­терфейса МАХ232СРЕ (DA1).

Как уже было сказано, форма выход­ного сигнала задана массивами его мгновенных значений. Всего их четыре по числу реализуемых форм сигналов, показанных на рис. 3. Каждый массив содержит 64 отсчёта одного периода сигнала. При работе инструмента мас­сивы, из которых выбираются отсчёты, перебираются программно, сменяясь каждые несколько минут. Смена сопро­вождается изменением тембра звуча­ния.

Рис. 3

Управляют инструментом двумя ру­ками. Правой рукой задают тон звука, левой — его громкость. Ось зоны чувст­вительности датчика В1 должна быть направлена влево-вверх от исполните­ля, а ось зоны чувствительности датчи­ка В2 — вправо-вверх. Наклоны осей особого значения не имеют, нужно лишь проследить, чтобы при движении руки не попадали в зоны чувствительности «чужих» датчиков. Для удобства обе оси должны быть наклонены одина­ково относительно горизонтальной плоскости.

Электронный блок инструмента со­бран на макетной плате проводным монтажом и встроен в один из экспона­тов музея (макет робота). В нём приме­нены резисторы ОМЛТ-0,125, конден­саторы КМ5. Вместо микроконтролле­ра, указанного на схеме, можно ис­пользовать ATmega8535 или ATmega32 без изменения схемы, но для этого нужно перетранслировать программу под применённый микроконтроллер. ОУ КР140УД8А можно заменить дру­гим, например, К544УД2 или импорт­ным с предельной скоростью нараста­ния выходного напряжения не менее 2 В/мкс. Усилители с меньшим быстро­действием искажают высокочастотные сигналы.

Вместо К140УД14А можно приме­нить другой ОУ с низким потреблением. Амплитуда выходного сигнала меняется медленно, в такт движениям руки, и быстродействие усилителя здесь не­критично. Если применить ОУ с боль­шим потреблением, напряжение их пи­тания может «просесть». Например, при использовании двух ОУ КР140УД8А с общим потреблением 10 мА от микро­схемы MAX232CPE будут получены на­пряжения +7,5 В и -6 В [7].

Программа для микроконтроллера написана на языке С в среде WinAVR (AVR Toolchain), входящей в состав IDE AVR Studio v4.19.

Прибор имеет ряд недостатков — искажение формы сигнала из-за малого числа отсчётов на период, недостаточ­ный диапазон воспроизводимых нот, пропуски в таблице частот. Чтобы устра­нить их, нужно применить более произ­водительный микроконтроллер и АЦП большей разрядности. Всё это имеет смысл при разработке инструмента для серьёзного применения.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Королёв Л. Терменвокс. — Радио, 2005, № 8, с.49-51; № 9, с. 48-51.
  2. Суров С. Терменнот или терменвокс на микроконтроллере. — Радио, 2013, № 12, с. 21-24
  3. ИК-дальномеры SHARP. — URL: http://roboforum.ru/wiki/MK-AaabHOMepbiSHARP
  4. ИК-Дальномеры Sharp GP2D12 и GP2Y0A — URL: http://roboforum.ru/wiki/GP2D12 (30.08.15).
  5. Ноты и частота. — URL: http://gtwiki.su/index.php?title=HoTbi и частота
  6. Прокопенко В. С. Программирование микроконтроллеров ATMEL на языке С. — Киев: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2012.
  7. МАХ232СРЕ: 5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers. — URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/73108/MAXIM/MAX232CPE.html

Архив к проекту (электронные таблицы и программа микроконтроллера)

Автор: С. СВЕЧИХИН, г. Красноярск
Источник: журнал Радио №12, 2015

Возможно, Вам это будет интересно:

meandr.org