Cyfrowy Theremin: bezdotykowy instrument muzyczny: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W tym eksperymencie z elektroniką cyfrową pokażę, jak generować muzykę (w pobliżu:P) bez dotykania instrumentu muzycznego, używając oscylatorów i wzmacniacza operacyjnego. Zasadniczo instrument ten nazywa się Theremin, oryginalnie skonstruowany przy użyciu urządzeń analogowych przez rosyjskiego naukowca Léona Theremina. Ale zaprojektujemy to za pomocą układów scalonych, które generują sygnały cyfrowe, a później przekonwertujemy je na analogowe dla muzyki. Postaram się również wyjaśnić każdy etap obwodu. Mam nadzieję, że spodoba Ci się ta praktyczna realizacja tego, czego nauczyłeś się na swojej uczelni.

Zaprojektowałem również ten obwód na www.tinkercad.com i przeprowadziłem jego symulację komponentów. Możesz zobaczyć, spróbować i manipulować, jak chcesz, ponieważ nie ma tam nic do stracenia, tylko Nauka i Zabawa!

Krok 1: Komponenty

Oto lista wszystkich niezbędnych elementów potrzebnych do zbudowania tego obwodu:

1) wzmacniacz operacyjny MCP602 (wzmacniacz różnicowy) x1

2) CD4093 IC (4 bramki NAND IC) x1

3) Rezystory: 6x 10k, 1x 5.1k, 1x6.8k i 1x 1,5k

4) Potencjometr: 2x 10 k Pot

5) Kondensatory: 2x 100pF, 1x 1nF i 1x 4,7µF Kondensator (elektrolityczny)

6) Płytka do krojenia chleba/płyta PCB

7) Antena teleskopowa (minimalne wymagania: średnica 6mm i długość 40cm+) LUB lepiej użyć rurki miedzianej o podanych wymiarach dla lepszej czułości

8) Gniazdo zasilania DC (5,5 mm x 2,1 mm) i gniazdo audio (3,5 mm)

9) Inne komponenty, takie jak drut i części lutownicze

Uwaga: wszystkie te komponenty można łatwo znaleźć w sklepie Radio lub w Internecie na amazon/ebay. Należy również pamiętać, że w obwodzie tinkercad bramki operacyjne i bramki Nand są różne, ale będą również działać. Nadal Jeśli napotkasz trudności z uzyskaniem jakiegokolwiek komponentu, daj mi znać.

Krok 2: Zrozummy działanie obwodu

Powyżej można znaleźć obraz układu obwodu w celach informacyjnych.

Działanie: Zasadniczo theremin działa na zasadzie, że generujemy dwa sygnały oscylacyjne (sinusoida w analogu) z dwóch różnych oscylatorów- 1) Jeden jest oscylatorem stałym 2) Drugim jest oscylator zmienny. I zasadniczo bierzemy różnicę tych dwóch sygnałów częstotliwości, aby uzyskać sygnały wyjściowe w zakresie częstotliwości słyszalnych (2 Hz-20 kHz).

* Jak nam idzie?

Jak widać, poniżej obwód bramki NAND (U2B) jest stałym oscylatorem, a powyższy obwód bramki NAND (U1B) jest obwodem zmiennego oscylatora, którego ogólna częstotliwość zmienia się nieznacznie wraz z ruchem ręki wokół podłączonej do niego anteny! (Jak ?)

* Jak ruch ręki wokół anteny zmienia częstotliwość oscylatora?

Objaśnienie: Właściwie antena jest tutaj podłączona równolegle z kondensatorem C1. Antena działa jako jedna z płyt kondensatora, a nasza ręka działa jako druga strona płyty kondensatora (która jest uziemiona przez nasze ciało). Więc w zasadzie kończymy dodatkowy (równoległy) obwód pojemnościowy, a tym samym dodajemy całkowitą pojemność do obwodu. (Ponieważ kondensatory są dodawane równolegle).

* Jak generowane są oscylacje za pomocą NAND Gate?

Objaśnienie: Początkowo jedno z wejść bramki NAND (weźmy na przykład U2B) jest na poziomie WYSOKI (1), a drugie wejście jest uziemione przez C2 (tj. 0). A dla kombinacji (1 i 0) w NAND GATE otrzymujemy wyjście HIGH (1).

Teraz gdy wyjście stanie się HIGH, to poprzez sieć sprzężenia zwrotnego z wyjścia (poprzez R3 i R10) otrzymamy wartość HIGH do wcześniej uziemionego portu wejściowego. Więc tutaj jest rzeczywista rzecz. Po sygnale zwrotnym kondensator C2 jest ładowany przez R3, a następnie otrzymujemy oba wejścia bramki NAND na WYSOKIM POZIOMIE (1 i 1), a wyjście dla obu wejść logicznych WYSOKI jest NISKI (0). Tak więc teraz kondensator C2 rozładowuje się z powrotem i ponownie, jedno z wejść bramki NAND staje się LOW. Stąd ten cykl się powtarza i otrzymujemy Oscylacje. Możemy kontrolować częstotliwość oscylatora, zmieniając wartość rezystora i kondensatora (C2), ponieważ czas ładowania kondensatora będzie się zmieniał wraz z inną pojemnością, a tym samym częstotliwość oscylacji będzie się zmieniać. W ten sposób otrzymujemy oscylator.

* W jaki sposób uzyskujemy częstotliwość muzyczną (słyszalną) z sygnałów o wysokiej częstotliwości?

Aby uzyskać słyszalny zakres częstotliwości, odejmujemy od siebie dwa sygnały częstotliwości, aby uzyskać sygnały o niższej częstotliwości, które mieszczą się w słyszalnym zakresie. Tutaj używamy wzmacniacza operacyjnego jak w stopniu wzmacniacza różnicowego. Zasadniczo na tym etapie odejmuje dwa sygnały wejściowe, aby uzyskać sygnał wzmocnionej różnicy (f1 - f2). W ten sposób uzyskujemy słyszalną częstotliwość. Nadal do filtrowania niechcianych sygnałów używamy filtru LOW pass do filtrowania szumów.

Uwaga: Otrzymany tutaj sygnał wyjściowy jest bardzo słaby, dlatego potrzebujemy dodatkowego wzmacniacza do wzmocnienia sygnału. Możesz zaprojektować własny obwód wzmacniacza lub po prostu podać sygnał tego obwodu do dowolnego wzmacniacza.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś działanie tego obwodu. Wciąż masz wątpliwości? Zapraszam do zapytania w każdej chwili.

Krok 3: Zaprojektuj obwód

Najpierw zaprojektuj cały obwód na płytce stykowej i sprawdź go. Następnie zaprojektuj go tylko na płytce drukowanej z odpowiednim lutowaniem.

Uwaga 1: Jest to obwód o wysokiej częstotliwości, dlatego zaleca się trzymanie komponentów tak blisko, jak to możliwe.

Uwaga 2: Proszę używać tylko zasilacza +5 V DC (nie wyższego), ze względu na ograniczenia napięcia układu scalonego.

Uwaga 3: Antena jest bardzo ważna w tym obwodzie, dlatego należy ściśle przestrzegać wszystkich podanych instrukcji.

Krok 4: Praca z obwodami i symulacja oprogramowania

Zobacz symulację obwodu i jego wideo.

Dodałem plik obwodu Multisim, możesz bezpośrednio uruchomić obwód za pomocą tego i zaprojektować własny i wykonać manipulacje.

Hej, dodałem również łącze obwodu Tinkercad (www.tinkercad.com/), tam możesz zaprojektować swój obwód LUB manipulować również moim obwodem i wykonywać symulacje obwodów. Wszystkiego najlepszego w nauce i zabawie.

Łącze obwodu Tinkercad:

Mam nadzieję, że Ci się podobało. Postaram się go dalej ulepszyć i wkrótce dodać jego wersję analogową i mikrokontroler (przy użyciu VCO), który będzie miał lepszą reakcję liniową na ruchy rąk wokół anteny. Do tego czasu, ciesz się zabawą z tym thereminem.

Aktualizacja: Chłopaki, zaprojektowałem również ten kolejny theremin za pomocą LDR i 555