Digital Theremin: Bezdotykový hudební nástroj: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

V tomto experimentu s digitální elektronikou vám ukážu, jak pomocí oscilátorů a operačního zesilovače generovat hudbu (blízko k ní: P), aniž byste se museli dotýkat hudebního nástroje. Tento nástroj se v zásadě nazývá Theremin, původně konstruovaný pomocí analogových zařízení ruským vědcem Léon Thereminem. Ale navrhneme to pomocí integrovaných obvodů, které generují digitální signály, a později je převedeme na analogové pro hudbu. Pokusím se také vysvětlit každou fázi obvodu. Doufám, že se vám bude líbit toto praktické provedení toho, co jste studovali na své vysoké škole.

Tento obvod jsem také navrhl na www.tinkercad.com a provedl jeho simulaci součástí. Můžete to vyzkoušet a manipulovat s tím, jak chcete, protože tam není co ztratit, pouze učení a zábava!

Krok 1: Součásti

Zde je seznam všech základních komponent potřebných k sestavení tohoto obvodu:

1) MCP602 OpAmp (diferenciální zesilovač) x1

2) CD4093 IC (4 NAND Gates IC) x1

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

4) Potenciometr: 2x 10k Pot

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

6) Breadboard/PCB board

7) Teleskopická anténa (minimální požadavek: průměr 6 mm a 40 cm+ délka) NEBO je lepší použít měděnou trubici s danými rozměry pro lepší citlivost

8) Napájecí konektor DC (5,5 mm x 2,1 mm) a audio konektor (3,5 mm)

9) Další součásti, jako jsou dráty a pájecí součásti

Poznámka: Všechny tyto komponenty můžete snadno najít na Radio shacku nebo Online na amazonu/ebay. Všimněte si také, že v obvodu tinkercad jsou brány op-amp a Nand odlišné, ale budou také fungovat. Přesto, pokud narazíte na potíže při získávání jakékoli součásti, dejte mi vědět.

Krok 2: Pojďme pochopit fungování obvodu

Nahoře najdete obrázek rozvržení obvodu pro referenci.

Práce: Theremin v zásadě funguje na principu, že generujeme dva oscilační (analogové) signály ze dvou různých oscilátorů- 1) Jeden je pevný oscilátor 2) Druhý je variabilní oscilátor. A v zásadě bereme rozdíl mezi těmito dvěma frekvenčními signály, abychom získali výstupní signály v rozsahu slyšitelných frekvencí (2Hz-20kHz).

* Jak se máme?

Jak vidíte, pod obvodem brány NAND (U2B) je pevný oscilátor a výše uvedeným obvodem brány NAND (U1B) je obvod s variabilním oscilátorem, jehož celková frekvence se mírně liší pohybem ruky kolem připojené antény! (Jak ?)

* Jak pohyb ruky kolem antény mění frekvenci oscilátoru?

Vysvětlení: Ve skutečnosti je zde anténa zapojena paralelně s kondenzátorem C1. Anténa funguje jako jedna z kondenzátorových desek a naše ruka funguje jako druhá strana kondenzátorové desky (která je uzemněna naším tělem). Takže v podstatě dokončujeme přídavný (paralelní) kapacitní obvod, a proto do obvodu přidáváme celkovou kapacitu. (Protože jsou přidány kondenzátory paralelně).

* Jak se generují oscilace pomocí brány NAND?

Vysvětlení: Zpočátku je jeden ze vstupů brány NAND (například U2B) na VYSOKÉ úrovni (1) a další vstup je uzemněn přes C2 (tj. 0). A pro (1 & 0) kombinaci v NAND GATE získáme výstup VYSOKÝ (1).

Nyní, když je výstup HIGH, pak prostřednictvím zpětnovazební sítě z výstupu (prostřednictvím R3 a R10) získáme hodnotu HIGH na dříve uzemněný vstupní port. Takže tady je skutečná věc. Po signálu zpětné vazby se kondenzátor C2 nabije přes R3 a poté získáme oba vstupy brány NAND na VYSOKÉ ÚROVNI (1 a 1) a výstup pro oba logické vstupy VYSOKÉ je NÍZKÝ (0). Takže nyní se kondenzátor C2 vybíjí zpět a opět ten ze vstupu NAND Gate dostane LOW. Proto se tento cyklus opakuje a získáváme oscilace. Frekvenci oscilátoru můžeme ovládat změnou hodnoty rezistoru a kondenzátoru (C2), protože doba nabíjení kondenzátoru se bude lišit s různou kapacitou, a proto se bude měnit frekvence oscilace. Tak získáváme oscilátor.

* Jak získáme hudební (slyšitelnou) frekvenci z vysokofrekvenčních signálů?

Abychom získali slyšitelný frekvenční rozsah, odečteme od sebe dva frekvenční signály, abychom získali signály s nižší frekvencí, které jsou ve slyšitelném rozsahu. Zde používáme operační zesilovač jako ve fázi diferenciálního zesilovače. V zásadě v této fázi odečte dva vstupní signály, čímž se získá signál zesíleného rozdílu (f1 - f2). Tak získáme slyšitelnou frekvenci. K filtrování nežádoucích signálů používáme k filtrování šumu filtr LOW pass.

Poznámka: Výstupní signál, který zde dostaneme, je velmi slabý, a proto potřebujeme další zesilovač pro zesílení signálu. Můžete si navrhnout vlastní obvod zesilovače nebo jen přivést signál z tohoto obvodu do jakéhokoli zesilovače.

Doufám, že jste pochopili fungování tohoto obvodu. Stále máte pochybnosti? Klidně se ptejte kdykoli.

Krok 3: Navrhněte obvod

Nejprve nejprve navrhněte celý obvod na prkénku a zkontrolujte jej. Poté jej navrhněte pouze na DPS správným pájením.

Poznámka 1: Jedná se o vysokofrekvenční obvod, proto je vhodné mít komponenty co nejblíže.

Poznámka 2: Kvůli omezením napětí IC používejte pouze napájecí zdroj +5 V DC (ne vyšší).

Poznámka 3: Anténa je v tomto obvodu velmi důležitá, proto prosím dodržujte striktně uvedené pokyny.

Krok 4: Práce s obvodem a simulace softwaru

Podívejte se na simulaci obvodu a jeho video.

Přidal jsem Multisim Circuit File, pomocí kterého můžete obvod přímo spustit a navrhnout si vlastní a provádět manipulace.

Hej, také jsem přidal odkaz na obvod Tinkercad (www.tinkercad.com/), také tam můžete navrhnout svůj obvod NEBO manipulovat s mým obvodem a také provádět simulace obvodů. Všechno nejlepší s učením a hraním si s tím.

Odkaz na obvod Tinkercad:

Doufám, že se vám to líbilo. Pokusím se to dále vylepšit a brzy přidám jeho analogovou verzi a mikrokontrolér (využívající VCO), který bude mít lepší lineární odezvu na pohyby gesta rukou kolem antény. Do té doby si užívejte hraní s tímto thereminem.

Aktualizace: Kluci, také jsem navrhl tento další theremin pomocí LDR & 555