Терменвокс по-русски

Мы постоянно добавляем новые материалы на сайт и мы постоянно нуждаемся в вашей помощи.

Пожалуйста, помогите нам с переводом материалов на русский язык.

Переведите пару абзацев >>

Терменнот, или Терменвокс на микроконтроллере

С. Суров. Журнал: «Радиолюбитель», №4, 2014 год, стр. 18-21

Похожая статья выходила в журнале Радио, №12, 2013 год, стр. 21-24.

Нас с дочкой заинтересовал музыкальный инструмент терменвокс. Мы изготовили такой инструмент по схеме Льва Дмитриевича Королева из [1]. Но так как из терменвокса очень тяжело извлечь приятные звуки, было решено разработать прибор, похожий по принципу действия на терменвокс и воспроизводящий звуки в виде отдельных нот (рис. 1, рис. 2).


Рис. 1. Внешний вид терменнота.


Рис. 2. Компоновка терменнота.

Как видно на рис. 3, основой прибора является микроконтроллер ATmega88-20PU, частота тактового сигнала которого стабилизирована кварцевым резонатором 20 МГц. Вывод 14 микроконтроллера установкой бита конфигурации CKOUT (рис. 4) подключен к выходному буферу системного тактового сигнала микроконтроллера и на нем присутствует переменное напряжение частотой 20 МГц, которое через конденсатор С24 емкостью 2,4 пФ подается в контур, образованный индуктивностью L4, конденсатором С25 и варикапом VD3. Переменный резистор R9 и компоненты VD3, R7, R8, С27 служат для точной настройки контура в резонанс с частотой 20 МГц. К контуру подключена антенна WA2 в виде стержня (сложенная телескопическая антенна с шарниром, см. рис. 5).


Рис. 3. Принципиальная схема терменнота.
(Скачать схему в формате PDF)

Пока исполнитель не поднес к антенне руку, контур настроен в резонанс, и напряжение на нем, выпрямленное высокочастотным диодом VD2, максимально возможное, и терменнот не издает звуков. Постоянное напряжение через фильтр L6, С32 и подстроечный резистор R12 подается на вывод 27 микроконтроллера, настроенный как вход аналого-цифрового преобразователя. Когда исполнитель подносит к антенне руку на расстояние, достаточное, чтобы емкость руки оказала ощутимое влияние на настройку контура, его резонансная частота уменьшается, и вследствие этого напряжение на контуре также уменьшается пропорционально расстоянию от руки до антенны. В программе, управляющей микроконтроллером, определенным оцифрованным значениям этого напряжения сопоставлены частоты нот.


Рис. 4. Конфигурация микроконтроллера.

При плавном приближении руки к антенне терменнот последовательно воспроизводит 48 нот четырех октав - малой, первой, второй и третьей (7 основных нот плюс 5 производных на одну октаву). При обратном движении руки ноты воспроизводятся в обратном порядке. Частота самой низкой ноты – 130,81 Гц, самой высокой – 1975,5 Гц. Синусоидальный сигнал нот формируется управляющей программой по принципу прямого цифрового синтеза DDS (Direct Digital Synthesis). Описание этого принципа выходит за рамки данной статьи. В разработке терменнота автору помогла публикация Леонида Ридико [2, 3], к которой отсылаю желающих ознакомится с DDS подробнее.


Рис. 5. Штыревая антенна.

Сформированные программой 9-ти разрядные цифровые значения для создания синусоиды подаются с частотой дискретизации 250 кГц на выводы портов PD 0…7 и РВ1 в прерывании встроенного в микроконтроллер таймера Т1. Выше перечисленные выводы портов соединены с входами цифро-аналогового преобразователя D1 КР572ПА1, на выходе которого формируется синусоидальный сигнал заданных в программе частот. Чтобы не использовать для питания ЦАП источник отрицательного напряжения, применена нетиповая схема его подключения. Питание ЦАП +9 В берется от отдельного стабилизатора DA1 через фильтр С4, С7, L1, С11, С14 для обеспечения необходимой линейности преобразования. В качестве опорного используется напряжение +3,3 В с выхода интегрального стабилизатора DA3, для фильтрации использованы компоненты С6, С9, L2, С12, С15.

С выхода 15 ЦАП звуковой сигнал через фильтр С30, R10, СЗЗ, R13, предназначенный для ослабления сигнала с частотой дискретизации 250 кГц, и регулятор начальной громкости подается на вход микросхемы усилителя низкой частоты DA4 TDA2003. включенной по типовой схеме. Микросхема УНЧ снабжена небольшим радиатором (рис. 6). Нагрузкой усилителя служит широкополосный громкоговоритель ВА1 8 Ом 5 Вт.


Рис. 6. Терменнот на макетной плате.

В процессе игры на терменноте громкость изменяется левой рукой исполнителя, поднесенной к антенне WA1, представляющей собой петлю из металлической трубки (рис. 7). Управление громкостью происходит по принципу, использованному при выборе нот. Контур L3, С26, к которому подключена антенна WA1, также настроен сердечником из ферромагнитного материала в резонанс с сигналом частотой 20 МГц, подаваемом в контур через конденсатор С23. Выпрямленное диодом VD2 напряжение через фильтр L5. С31 и подстроечный резистор R11 подается на вывод 28 микроконтроллера, настроенный как вход аналого-цифрового преобразователя. Пока исполнитель не поднес к петле руку, постоянное напряжение на катоде диода VD1 максимально возможное, при этом громкость звучания терменнота также максимальна. Поднося руку к петле, исполнитель может ступенчато уменьшать громкость. Отводя руку от петли, также ступенчато можно увеличить громкость до максимальной. Всего реализовано пять ступеней регулировки громкости. В программе для каждой ступени громкость регулируется сдвигом цифрового значения, предназначенного для вывода в ЦАП, вправо на один разряд с заполнением нулем старшего разряда, что равнозначно делению на два. При уменьшении громкости до самой низкой ступени происходит четыре таких последовательных сдвига цифрового значения, что равносильно делению на 16.

Для индикации состояний терменнота предназначены пять светодиодов. HL1 светится при подключении питающего терменнот напряжения 12 В. Светодиод HL2 зажжен, когда возможен максимальный уровень громкости. Когда терменнот не издает звуков, светится HL5. HL4 зажигается, когда терменнот воспроизводит звуки нот. HL3 горит, когда воспроизводится нота самой высокой частоты – 1975,5 Гц.

Печатная плата для прибора не разрабатывалась. Терменнот собран на макетной плате, расположение компонентов можно увидеть на рис. 6.

Поскольку антенны в виде стержня и петли вносят в колебательный контур дополнительную емкость, их размеры имеют значение.

Телескопическая антенна (рис. 5) используется в сложенном виде, ее длина при этом вместе с шарниром составляет 170 мм, диаметр 7 мм. Она закреплена винтом на согнутой П-образно полоске общей длиной 60 мм и шириной 10 мм из металла толщиной 0,5 мм, которая, в свою очередь, крепится к металлическим стойкам длиной 45 мм. Под винт, крепящий шарнир антенны к П-образной полоске, подложен контактный лепесток, к которому припаян проводник длиной 50 мм, соединяющий антенну с контуром.


Рис. 7. Антенна в виде петли.

Антенна в виде петли (рис. 7) изготовлена из латунной трубки диаметром 9 мм. В торцы трубки впаяны гайки М4 для крепления петли к корпусу терменнота, под один из крепежных винтов подложен контактный лепесток, к которому припаян экранированный проводник длиной 260 мм, соединяющий антенну с контуром. Экран проводника изолирован термоусадочной трубкой и соединен с общим проводом терменнота только в одной точке, вблизи колебательного контура, предназначенного для управления громкостью звука. Размеры петли указаны на рис. 8.


Рис. 8. Размеры антенны.

Переменные резисторы точной настройки контура выбора ноты и установки начальной громкости звука установлены на передней панели корпуса терменнота и соединены каждый со схемой тремя свитыми проводниками, помещенными в экран. Экраны изолированы термоусадочной трубкой и соединены с общим проводом терменнота только в одной точке.

Вид собранного в корпусе терменнота изображен на рис. 2. Автор использовал пластмассовый корпус ВОХ-22 размерами 250×190×79 мм. Корпус крепился на штативе для фото-видеокамер BENRO Т-600ЕХ. Для уменьшения влияния алюминиевой треноги центральный стержень штатива был полностью поднят.

В качестве подстроечных резисторов R11 и R12 использованы импортные многооборотные резисторы.

L1, L2, L5, L6 – выводные радиальные катушки индуктивности.

L3, L4 намотаны на каркасах с внешним диаметром 5 мм виток к витку проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,35 мм. Обе катушки содержат по 8,5 витков. В каркасах предусмотрена внутренняя резьба для подстроечного стержня из ферромагнитного материала. После намотки катушек витки провода следует залить расплавленным парафином.

В качестве выпрямительных применены диоды с барьером Шоттки 1N5711. Автор не может предложить замену этим диодам, поскольку другие варианты не проверялись. Предполагается, что могут быть использованы и другие малосигнальные высокочастотные кремниевые диоды.

Электролитические конденсаторы С8, С9, С10, С15, С20 – танталовые для поверхностного монтажа, корпус типа А. остальные электролитические конденсаторы алюминиевые, выводные. Керамические конденсаторы и постоянные резисторы также для поверхностного монтажа, размер 0805.

Для питания терменнота пригоден стабилизированный источник питания с выходным напряжением 12 В. рассчитанный на максимальный ток 1 А. Автор проверял работу терменнота с импульсным источником питания.

При программировании микроконтроллера использовалась программа PonyProg2000, ее окно CommandConfiguration and Security bits должно выглядеть, как показано на рис. 4, имя файла прошивки – Termennot_volume.hex. Программирование производится через разъем ХР2.

Настройку терменнота производят, когда он полностью собран в корпусе, подключены обе антенны и в микроконтроллер прошита программа, а корпус установлен на штативе.

Вначале настраивают подстроечным сердечником индуктивность L4 контура выбора ноты. Предварительно ручка настройки переменного резистора R9 должна быть выставлена в среднее положение, а средний вывод подстроечного резистора R12 выведен в верхнее по схеме положение. Вращением подстроечного сердечника L4 добиваются максимально возможного напряжения на катоде диода VD2 относительно общего провода (у автора оно составляло около 3 В). При этом надо стараться держать руки и измерительный прибор по возможности дальше от штыревой антенны. По окончании этой настройки светодиод HL5 должен гореть. Затем регулировкой подстроечного резистора R12 находят такое положение, при котором светодиод HL5 погасает, и загорается светодиод HL4 и терменнот начинает издавать звуки. После этого подкручивают ось подстроечного резистора на пол оборота в обратном направлении, добиваясь погасания HL4 и свечения HL5.

Теперь приступают к настройке подстроечным сердечником индуктивности L3 контура регулировки громкости. Перед этой настройкой средний вывод подстроечного резистора R11 должен быть выведен в верхнее по схеме положение. Вращением подстроечного сердечника L3 добиваются максимально возможного напряжения на катоде диода VD1 относительно общего провода (в авторском варианте терменнота около 2 В). По окончании этой настройки светодиод HL2 должен гореть. Затем регулировкой подстроечного резистора R11 находят такое положение, при котором светодиод HL2 погасает. После этого подкручивают ось подстроечного резистора на пол оборота в обратном направлении, добиваясь свечения HL2.

Возможно, придется еще раз повторить вышеописанные настройки в той же последовательности, добиваясь максимального напряжения на контурах. От этого напряжения зависит расстояние, на котором рука оказывает заметное влияние на настройку контура.

По окончании настройки подстроечные сердечники индуктивностей фиксируют каплей расплавленного парафина.

Перед началом игры на терменноте производят точную настройку контура выбора ноты переменным резистором R9. добиваясь горения светодиода HL5 и отсутствия звуков, когда рука исполнителя не поднесена к антенне WA2.

Прошивку, пример звучания (файл Termennot.zip) вы можете загрузить с сайта нашего журнала: http://www.radioliga.com (раздел "Программы")

Литература

  1. Л. Королев. Терменвокс. – Радио. 2005, №8. с. 49-51, № 9, с. 48-51.
  2. Леонид Ридико. Низкочастотный генератор синусоидального сигнала с шагом сетки 0,01 Гц. – Схемотехника. 2001, №2. с. 10-13.
  3. Леонид Ридико. Низкочастотный синусоидальный генератор. – Радиолюбитель. 2006. №2. с. 32-34; №3, с. 21-25.
Сергей Суров
г. Нижний Новгород
E-mail: surovsv@yandex.ru