Цифровой терменвокс: бесконтактный музыкальный инструмент: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

В этом эксперименте с цифровой электроникой я покажу вам, как генерировать музыку (близко к ней: P), не касаясь музыкального инструмента, используя генераторы и операционный усилитель. В основном этот инструмент называется Терменвокс, изначально созданный с использованием аналоговых устройств русским ученым Леоном Терменом. Но мы спроектируем это, используя микросхемы, которые генерируют цифровые сигналы, а позже мы преобразуем их в аналоговые для музыки. Я также попытаюсь объяснить каждый этап схемы. Надеюсь, вам понравится это практическое воплощение того, что вы изучали в своем колледже.

Я также разработал эту схему на сайте www.tinkercad.com и выполнил ее моделирование компонентов. Вы можете увидеть, попробовать и манипулировать им, как вам нравится, потому что здесь нечего терять, только обучение и развлечения!

Шаг 1: Компоненты

Вот список всех основных компонентов, необходимых для построения этой схемы:

1) Операционный усилитель MCP602 (дифференциальный усилитель) x1

2) CD4093 IC (4 микросхемы NAND Gates) x1

3) Резисторы: 6x 10кОм, 1x5,1кОм, 1x6,8кОм и 1x1,5кОм

4) Потенциометр: 2 х 10 кОм

5) Конденсаторы: 2x 100 пФ, 1x 1 нФ и 1x 4,7 мкФ конденсатор (электролитический)

6) Макетная плата / печатная плата

7) Телескопическая антенна (минимальное требование: диаметр 6 мм и длина 40 см) ИЛИ для большей чувствительности лучше использовать медную трубку заданных размеров.

8) Разъем питания постоянного тока (5,5 мм x 2,1 мм) и аудиоразъем (3,5 мм)

9) Другие компоненты, такие как провода и детали для пайки

Примечание: вы можете легко найти все эти компоненты в Radio Shack или в Интернете на amazon / ebay. Также обратите внимание, что в схеме tinkercad вентили операционного усилителя и Nand разные, но они также будут работать. Тем не менее, если у вас возникнут трудности с получением какого-либо компонента, дайте мне знать.

Шаг 2: давайте разберемся в работе схемы

Выше для справки вы можете найти изображение макета схемы.

Работа: В основном терменвокс работает по принципу, что мы генерируем два колебательных (синусоидальных в аналоговом) сигналах от двух разных осцилляторов: 1) Один - фиксированный осциллятор 2) Второй - переменный осциллятор. И мы в основном берем разницу этих двух частотных сигналов, чтобы получить выходные сигналы в звуковом диапазоне частот (2 Гц-20 кГц).

* Как у нас дела?

Как вы можете видеть, ниже схема затвора И-НЕ (U2B) представляет собой фиксированный осциллятор, а приведенная выше схема затвора И-НЕ (U1B) представляет собой схему переменного генератора, общая частота которой незначительно меняется в зависимости от движения руки вокруг подключенной к ней антенны! (Как ?)

* Как движение руки вокруг антенны изменяет частоту генератора?

Пояснение: На самом деле здесь антенна подключена параллельно конденсатору C1. Антенна действует как одна из пластин конденсатора, а наша рука действует как другая сторона пластины конденсатора (которая заземлена через наше тело). Таким образом, в основном мы завершаем дополнительную (параллельную) емкостную цепь и, следовательно, добавляем к ней общую емкость. (Т.к. параллельно добавляются конденсаторы).

* Как генерируются колебания с помощью NAND Gate?

Объяснение: Изначально один из входов логического элемента И-НЕ (например, U2B) находится на ВЫСОКОМ уровне (1), а другой вход заземлен через C2 (т. Е. 0). И для комбинации (1 и 0) в NAND GATE мы получаем вывод HIGH (1).

Теперь, когда выход становится ВЫСОКИМ, то через сеть обратной связи с выхода (через R3 и R10) мы получаем ВЫСОКОЕ значение для ранее заземленного входного порта. Итак, вот реальная вещь. После сигнала обратной связи конденсатор C2 заряжается через R3, и после этого мы получаем оба входа логического элемента И-НЕ на ВЫСОКОМ УРОВНЕ (1 и 1), а выход для обоих логических входов ВЫСОКИЙ - НИЗКИЙ (0). Итак, теперь конденсатор C2 разряжается обратно, и снова один из входов NAND Gate становится НИЗКОМ. Следовательно, этот цикл повторяется, и мы получаем Колебания. Мы можем контролировать частоту генератора, изменяя значение резистора и конденсатора (C2), потому что время зарядки конденсатора будет варьироваться в зависимости от разной емкости и, следовательно, частота колебаний будет изменяться. Вот так мы получаем осциллятор.

* Как получить музыкальную (звуковую) частоту из высокочастотных сигналов?

Чтобы получить слышимый частотный диапазон, мы вычитаем два частотных сигнала друг из друга, чтобы получить более низкочастотные сигналы, которые находятся в пределах слышимого диапазона. Здесь мы используем операционный усилитель как в ступени дифференциального усилителя. В основном на этом этапе он вычитает два входных сигнала, чтобы получить сигнал усиленной разности (f1 - f2). Так мы получаем слышимую частоту. Тем не менее, чтобы отфильтровать нежелательные сигналы, мы используем фильтр LOW для фильтрации шума.

Примечание: выходной сигнал, который мы получаем здесь, очень слаб, поэтому нам нужен дополнительный усилитель для усиления сигнала. Вы можете разработать свою собственную схему усилителя или просто подать сигнал этой схемы на любой усилитель.

Надеюсь, вы поняли, как работает эта схема. Все еще есть сомнения? Не стесняйтесь спрашивать в любое время.

Шаг 3: спроектируйте схему

Сначала спроектируйте всю схему на макетной плате и проверьте ее. Тогда только спроектируйте его на печатной плате с правильной пайкой.

Примечание 1: это высокочастотная цепь, поэтому рекомендуется размещать компоненты как можно ближе друг к другу.

Примечание 2: используйте только источник питания +5 В постоянного тока (не выше) из-за ограничений напряжения IC.

Примечание 3: Антенна очень важна в этой цепи, поэтому, пожалуйста, строго следуйте всем приведенным инструкциям.

Шаг 4: Схема работы и программное моделирование

См. Схему моделирования и ее видео.

Я добавил файл схемы Multisim, вы можете напрямую запускать схему, используя его, создавать свои собственные и выполнять манипуляции.

Привет, я также добавил ссылку на схему Tinkercad (www.tinkercad.com/), там вы можете спроектировать свою схему ИЛИ также управлять моей схемой и также выполнять моделирование схемы. Всего наилучшего в обучении и игре с ним.

Ссылка на схему Tinkercad:

Надеюсь, вам понравилось это. Я постараюсь улучшить его и в ближайшее время добавить его аналоговую версию и основанную на микроконтроллере (с использованием VCO), которая будет иметь лучший линейный отклик на движения жестов руки относительно антенны. А пока наслаждайтесь игрой с этим терменвоксом.

Обновление: ребята, я также разработал этот еще один терменвокс, используя LDR & 555