Digital Theremin: Bezdotykový hudobný nástroj: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V tomto experimente s digitálnou elektronikou vám ukážem, ako pomocou oscilátorov a operačného zosilňovača generovať hudbu (blízko k nej: P) bez dotyku na hudobný nástroj. Tento nástroj sa v zásade nazýva Theremin, pôvodne skonštruovaný pomocou analógových zariadení ruským vedcom Léonom Thereminom. Ale navrhneme to pomocou integrovaných obvodov, ktoré generujú digitálne signály, a neskôr ich prevedieme na analógové pre hudbu. Pokúsim sa tiež vysvetliť každú fázu obvodu. Dúfam, že sa vám bude páčiť táto praktická implementácia toho, čo ste študovali na svojej vysokej škole.

Tento obvod som tiež navrhol na www.tinkercad.com a vykonal som jeho simuláciu komponentov. Môžete to vyskúšať a manipulovať s tým, ako sa vám páči, pretože tam nie je čo stratiť, iba vzdelávanie a zábava!

Krok 1: Komponenty

Tu je zoznam všetkých základných komponentov potrebných na stavbu tohto obvodu:

1) MCP602 OpAmp (diferenciálny zosilňovač) x1

2) CD4093 IC (4 brány NAND IC) x1

3) Rezistory: 6x 10k, 1x 5,1k, 1x6,8k & 1x 1,5k

4) Potenciometer: 2x 10k Pot

5) Kondenzátory: 2x 100pF, 1x 1nF a 1x 4,7 µF kondenzátor (elektrolytický)

6) Doska na dosky/DPS

7) Teleskopická anténa (minimálna požiadavka: priemer 6 mm a 40 cm+ dĺžka) ALEBO je lepšie použiť medenú trubicu s uvedenými rozmermi pre lepšiu citlivosť

8) Napájací konektor DC (5,5 mm x 2,1 mm) a zvukový konektor (3,5 mm)

9) Ostatné komponenty ako drôt a spájkovacie diely

Poznámka: Všetky tieto súčasti nájdete ľahko v rádiu alebo online na amazon/ebay. Všimnite si tiež, že v obvode tinkercad sú brány operačného zosilňovača a Nand odlišné, ale budú tiež fungovať. Napriek tomu, ak máte problém so získaním akéhokoľvek komponentu, dajte mi vedieť.

Krok 2: Poďme porozumieť práci na obvode

Hore nájdete referenčný obrázok rozloženia obvodu.

Práca: Theremin v zásade funguje na princípe, že generujeme dva oscilačné (sínusové vlny v analógových) signáloch z dvoch rôznych oscilátorov- 1) jeden je pevný oscilátor 2) druhý je variabilný oscilátor. A v zásade berieme rozdiel medzi týmito dvoma frekvenčnými signálmi, aby sme dostali výstupné signály v počuteľnom frekvenčnom rozsahu (2 Hz-20 kHz).

* Ako sa máme?

Ako vidíte, nižšie uvedený obvod brány NAND (U2B) je pevný oscilátor a vyššie uvedený obvod brány NAND (U1B) je obvod s premenlivým oscilátorom, ktorého celková frekvencia sa mierne líši v závislosti od pohybu ruky okolo pripojenej antény! (Ako?)

* Ako pohyb ruky okolo antény mení frekvenciu oscilátora?

Vysvetlenie: Tu je v skutočnosti anténa zapojená paralelne s kondenzátorom C1. Anténa slúži ako jedna z kondenzátorových platní a naša ruka slúži ako druhá strana kondenzátorovej dosky (ktorá je uzemnená cez naše telo). V zásade teda dokončujeme ďalší (paralelný) kapacitný obvod, a preto do obvodu pridávame celkovú kapacitu. (Pretože sú pridané kondenzátory paralelne).

* Ako sa generujú oscilácie pomocou brány NAND?

Vysvetlenie: Spočiatku je jeden zo vstupov brány NAND (napríklad U2B) na úrovni HIGH (1) a ďalší vstup je uzemnený cez C2 (t.j. 0). A pre (1 & 0) kombináciu v NAND GATE dostaneme výstup VYSOKÝ (1).

Teraz, keď je výstup HIGH, potom prostredníctvom siete spätnej väzby z výstupu (prostredníctvom R3 a R10) dostaneme HIGH hodnotu na predtým uzemnený vstupný port. Takže tu je skutočná vec. Po signáli spätnej väzby sa kondenzátor C2 nabije cez R3 a potom dostaneme oba vstupy brány NAND na VYSOKEJ ÚROVNI (1 a 1) a výstup pre oba logické vstupy VYSOKÝ je NÍZKY (0). Takže teraz sa kondenzátor C2 vybíja späť a ten, ktorý je na vstupe brány NAND, je opäť NÍZKY. Preto sa tento cyklus opakuje a dostávame oscilácie. Frekvenciu oscilátora môžeme ovládať zmenou hodnoty odporu a kondenzátora (C2), pretože čas nabíjania kondenzátora sa bude líšiť s rôznou kapacitou, a preto sa bude meniť aj frekvencia oscilácie. Takto získame oscilátor.

* Ako získame hudobnú (zvukovú) frekvenciu z vysokofrekvenčných signálov?

Aby sme získali počuteľný frekvenčný rozsah, odčítame dva frekvenčné signály jeden od druhého, aby sme získali signály s nižšou frekvenciou, ktoré sú v počuteľnom rozsahu. Tu používame operačný zosilňovač ako v štádiu diferenciálneho zosilňovača. V zásade v tejto fáze odpočíta dva vstupné signály a poskytne signál zosilneného rozdielu (f1 - f2). Tak získame počuteľnú frekvenciu. Napriek tomu na filtrovanie nechcených signálov používame na filtrovanie šumu LOW pass filter.

Poznámka: Výstupný signál, ktorý tu dostaneme, je veľmi slabý, a preto na zosilnenie signálu potrebujeme ďalší zosilňovač. Môžete si navrhnúť vlastný obvod zosilňovača alebo len privádzať signál z tohto obvodu do akéhokoľvek zosilňovača.

Dúfam, že ste pochopili fungovanie tohto obvodu. Stále máte pochybnosti? Neváhajte sa kedykoľvek opýtať.

Krok 3: Navrhnite obvod

Najprv najskôr navrhnite celý obvod na doske a skontrolujte ho. Potom ho len navrhnite na DPS správnym spájkovaním.

Poznámka 1: Jedná sa o vysokofrekvenčný obvod, preto je vhodné udržiavať komponenty čo najbližšie.

Poznámka 2: Používajte iba napájanie +5 V DC (nie vyššie) kvôli obmedzeniam napätia IC.

Poznámka 3: Anténa je v tomto obvode veľmi dôležitá, preto dôsledne dodržiavajte všetky uvedené pokyny.

Krok 4: Obvodová práca a simulácia softvéru

Pozrite si simuláciu obvodu a jeho video.

Pridal som súbor obvodov Multisim, pomocou ktorého môžete obvod priamo spustiť a navrhnúť si vlastný a vykonávať manipulácie.

Hej, tiež som pridal odkaz na obvod Tinkercad (www.tinkercad.com/), tiež tam môžete navrhnúť svoj obvod ALEBO manipulovať s mojím obvodom a vykonávať aj simulácie obvodov. Všetko najlepšie s učením a hraním.

Odkaz na obvod Tinkercad:

Dúfam, že sa vám to páčilo Pokúsim sa to ďalej vylepšiť a čoskoro pridám jeho analógovú verziu a mikrokontrolér (pomocou VCO), ktoré budú mať lepšiu lineárnu odozvu na pohyby gestami antény. Do tej doby si užívajte hranie s týmto thereminom.

Aktualizácia: Chlapci, tiež som navrhol tento ďalší teremin pomocou LDR & 555