Theremin digitale: strumento musicale touchless: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

In questo esperimento con l'elettronica digitale, ti mostrerò come generare musica (vicino ad essa:P) senza toccare lo strumento musicale, utilizzando oscillatori e amplificatore operazionale. Fondamentalmente questo strumento si chiama Theremin, originariamente costruito utilizzando dispositivi analogici da uno scienziato russo Léon Theremin. Ma lo progetteremo utilizzando circuiti integrati che generano segnali digitali e in seguito li convertiremo in analogico per la musica. Cercherò di spiegare anche ogni fase del circuito. Spero che ti piacerà questa implementazione pratica di ciò che hai studiato al tuo college.

Ho anche progettato questo circuito su www.tinkercad.com e ho eseguito la sua simulazione dei componenti. Puoi vedere provarlo e manipolarlo come preferisci, perché non c'è niente da perdere lì, solo apprendimento e divertimento!

Passaggio 1: componenti

Ecco l'elenco di tutti i componenti essenziali necessari per costruire questo circuito:

1) MCP602 OpAmp (amplificatore differenziale) x1

2) CI CD4093 (4 porte NAND CI) x1

3) Resistori: 6x 10k, 1x 5.1k, 1x6.8k e 1x 1.5k

4) Potenziometro: 2x Pot 10k

5) Condensatori: 2x 100pF, 1x 1nF e 1x 4.7µF condensatore (elettrolitico)

6) Tagliere/scheda PCB

7) Antenna telescopica (richiesto minimo: 6 mm di diametro e 40 cm di lunghezza) OPPURE è meglio usare un tubo di rame con le dimensioni indicate per una migliore sensibilità

8) Jack di alimentazione CC (5,5 mm x 2,1 mm) e jack audio (3,5 mm)

9) Altri componenti come fili e parti di saldatura

Nota: puoi trovare facilmente tutti questi componenti su una baracca radio o online su amazon/ebay. Si noti inoltre che nel circuito tinkercad, l'amplificatore operazionale e le porte Nand sono diversi, ma funzioneranno anche. Comunque, se trovi qualche difficoltà nell'ottenere qualsiasi componente, fammi sapere.

Passaggio 2: comprendiamo il funzionamento del circuito

Sopra puoi trovare l'immagine del layout del circuito per riferimento.

Funzionamento: Fondamentalmente il theremin funziona sul principio che generiamo due segnali oscillatori (onda sinusoidale in analogico) da due diversi oscillatori: 1) Uno è un oscillatore fisso 2) Il secondo è un oscillatore variabile. E fondamentalmente prendiamo la differenza di questi due segnali di frequenza per ottenere i segnali di uscita nella gamma di frequenze Audible (2Hz-20kHz).

* Come stiamo?

Come puoi vedere, sotto il circuito NAND gate (U2B) c'è un oscillatore fisso e il circuito NAND gate sopra (U1B) è un circuito oscillatore variabile, la cui frequenza complessiva varia leggermente con il movimento della mano attorno all'antenna collegata ad esso! (Come ?)

* In che modo il movimento della mano attorno all'antenna cambia la frequenza dell'oscillatore?

Spiegazione: In realtà, l'antenna è collegata in parallelo con il condensatore C1 qui. L'antenna agisce come una delle piastre del condensatore e la nostra mano agisce come l'altro lato della piastra del condensatore (che è collegata a terra attraverso il nostro corpo). Quindi fondamentalmente stiamo completando il circuito capacitivo aggiuntivo (parallelo) e quindi aggiungendo capacità complessiva al circuito. (Perché si aggiungono condensatori in parallelo).

* Come vengono generate le oscillazioni utilizzando NAND Gate?

Spiegazione: inizialmente, uno degli ingressi della porta NAND (prendi U2B per esempio) è a livello ALTO (1) e l'altro ingresso è messo a terra tramite C2 (cioè 0). E per la combinazione (1 e 0) in NAND GATE, otteniamo l'output HIGH (1).

Ora, quando l'uscita diventa ALTA, attraverso la rete di feedback dall'uscita (tramite R3 e R10) otteniamo il valore ALTO alla porta di ingresso precedentemente messa a terra. Quindi, ecco la cosa reale. Dopo il segnale di feedback, il condensatore C2 viene caricato tramite R3 e successivamente riceviamo entrambi gli ingressi di NAND Gate a LIVELLO ALTO (1 e 1) e l'uscita per entrambi gli ingressi logici ALTO è BASSO (0). Quindi, ora il condensatore C2 si scarica indietro e di nuovo quello dell'ingresso di NAND Gate diventa LOW. Quindi questo ciclo si ripete e otteniamo le Oscillazioni. Possiamo controllare la frequenza dell'oscillatore modificando il valore del resistore e del condensatore (C2) perché il tempo di carica del condensatore varierà con capacità diverse e quindi la frequenza di oscillazione varierà. Questo è il modo in cui otteniamo l'oscillatore.

* Come otteniamo la frequenza musicale (udibile) dai segnali ad alta frequenza?

Per ottenere un intervallo di frequenza udibile, sottraiamo i due segnali di frequenza l'uno dall'altro per ottenere segnali di frequenza più bassi che rientrano nell'intervallo udibile. Qui stiamo usando l'amplificatore operazionale come nello stadio dell'amplificatore differenziale. Sostanzialmente in questa fase sottrae i due segnali in ingresso per dare il segnale Differenza Amplificata (f1 - f2). Questo è il modo in cui otteniamo la frequenza udibile. Sempre per filtrare i segnali indesiderati, utilizziamo il filtro passa BASSO per filtrare il rumore.

Nota: il segnale di uscita che otteniamo qui è molto debole, quindi abbiamo bisogno di un amplificatore aggiuntivo per amplificare il segnale. Puoi progettare il tuo circuito amplificatore o semplicemente inviare il segnale di questo circuito a qualsiasi amplificatore.

Spero che tu abbia capito il funzionamento di questo circuito. Ancora qualche dubbio? Sentiti libero di chiedere in qualsiasi momento.

Passaggio 3: progettare il circuito

Si prega di progettare prima l'intero circuito su breadboard e controllarlo. Quindi progettalo solo su PCB con una saldatura adeguata.

Nota 1: questo è un circuito ad alta frequenza, quindi è consigliabile mantenere i componenti il più vicino possibile.

Nota 2: utilizzare solo alimentazione +5 V CC (non superiore), a causa delle limitazioni di tensione del circuito integrato.

Nota 3: l'antenna è molto importante in questo circuito, quindi si prega di seguire rigorosamente tutte le istruzioni fornite.

Passaggio 4: funzionamento del circuito e simulazione del software

Si prega di vedere la simulazione del circuito e il suo video.

Ho aggiunto il Multisim Circuit File, puoi eseguire direttamente il circuito usando quello e progettarne uno tuo e fare manipolazioni.

Ehi, ho anche aggiunto il collegamento al circuito Tinkercad (www.tinkercad.com/), lì puoi progettare il tuo circuito O manipolare anche il mio circuito ed eseguire anche simulazioni di circuiti. Tutto il meglio con l'apprendimento e il gioco con esso.

Link del circuito Tinkercad:

Spero che ti sia piaciuto. Cercherò di migliorarlo ulteriormente e aggiungere presto la sua versione analogica e basata su microcontrollore (usando VCO) che avrà una migliore risposta lineare ai movimenti dei gesti della mano sull'antenna. Fino ad allora, divertiti a giocare con questo theremin.

Aggiornamento: ragazzi, ho anche progettato questo altro theremin usando LDR e 555