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Università degli Studi di Pavia. Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni. Progetto e realizzazione di uno strumento musicale theremin. Relatore: Prof.ssa Carla VACCHI Correlatore: Dott. Daniele SCARPA.
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Università degli Studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Progetto e realizzazione di uno strumento musicale theremin Relatore: Prof.ssaCarla VACCHI Correlatore: Dott.Daniele SCARPA Elaborato di Laurea diNicola CODEGA Anno Accademico 2007-2008
Strumento musicale elettronico analogico • ideato nel 1920 dal fisico russo Lev Sergeevič Termen (Leon Theremin); • Viene suonato attraverso l’uso di due antenne. -Che cos’è un Theremin?- Regola la nota emessa Regola il volume della nota
-Principio fondamentale di funzionamento- Principio “eterdinamico”: una mano o un qualsiasi oggetto, posto in prossimità di un’antenna, rappresenta una capacità inserita tra il nodo del circuito a cui è collegata l’antenna e massa. Come viene sfruttato questo effetto in modo da variare la nota di uno strumento musicale?
-Il suono- Il suono delle note può essere rappresentato come un’oscillazione sinusoidale meccanica del mezzo che lo trasporta. Nel caso di strumenti elettronici, esso deriva necessariamente da una variabile elettrica (tensione o corrente) oscillante. Circuiti che realizzano questi segnali sono detti, appunto, oscillatori.
-Oscillatori armonici (2)- Obiettivo dell’oscillatore è quello di autosostenere il segnale che circola nell’anello, con segnale nullo all’ingresso. Quindi, quando all’interno dell’anello si genera un segnale sinusoidale… …esso deve continuare a presentarsi, anche se l’ingresso è assente. criterio di Barkhausen
-Principio di funzionamento- Come sfruttare l’effetto eterdinamico in modo che si riesca a variare la nota di uno strumento musicale? • In generale, per quanto riguarda gli oscillatori armonici: • i componenti che costituiscono la rete di feedback f • sono realizzati con capacità e induttanze; • la frequenza di oscillazione dipende da questi valori.
-Principio di funzionamento- Come sfruttare l’effetto eterdinamico in modo che si riesca a variare la nota di uno strumento musicale? OSCILLATORE OSCILLATORE Avvicinare/allontanare la mano dall’antenna equivale a presentare una capacità aggiuntiva e variabile: di conseguenza varia anche la frequenza di oscillazione dell’oscillatore armonico.
-Theremin: discussione iniziale- • la banda udibile va da circa 20 Hz a 20 kHz; • costruire oscillatori che presentano queste frequenze • vorrebbe dire utilizzare capacità/induttanze • di valore elevato; è più semplice allora costruire due oscillatori ad alta frequenza, miscelare le due sinusoidi create e filtrarle passa-basso.
-Theremin: discussione iniziale- Definiti due segnali sinusoidali (con fase iniziale nulla per semplificare) è più semplice allora costruire due oscillatori ad alta frequenza,miscelare le due sinusoidi create e filtrarle passa-basso.
-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME Nel progetto si è deciso di non utilizzare un’antenna come controllo del volume, ma si è scelta una soluzione ottica: una fotoresistenza.
-Oscillatore?- • a sfasamento; • a ponte di Wien; • Hartley; • Clapp; • Colpitts; • ……………
-Oscillatore fisso: Colpitts- • Scelto per: • forma d’onda generata priva di componenti • armoniche estranee. • alte frequenze generabili.
-Oscillatore fisso: Colpitts- • Scelto per: • forma d’onda generata priva di componenti • armoniche estranee. • alte frequenze generabili. • Blocco amplificatore 2) Condensatori di disaccoppiamento 3) Rete di feedback
-Oscillatore variabile: Colpitts- • Scelto per: • forma d’onda generata priva di componenti • armoniche estranee. • alte frequenze generabili. Viene aggiunta l’antenna in parallelo a una delle due capacità C1/2 e rappresenterà una variazione del valore di quella capacità.
-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME
-Moltiplicazione di due sinusoidi- Operazionali con slew rate limitato. Necessità di ridurre i segnali di ingresso.
-Moltiplicazione di due sinusoidi- • Integrato AD633JN della AnalogDevices: • implementa una moltiplicazione a quattro quadranti; • in particolare, esegue l’operazione
-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME
-Filtraggio passa basso- • Sallen Key • guadagno regolabile facilmente con un operazionale retroazionato; • due poli coincidenti per attenuare maggiormente le alte frequenze; • realizza la funzione di trasferimento
-Filtraggio passa basso- • Sallen Key: funzione di trasferimento Frequenza di taglio posta a 3kHz, dimensionando le C e le R.
-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME
-Controllo del volume- Soluzione ottica al posto della classica antenna orizzontale: fotoresistenza NSL-19M51 Funzione di trasferimento: • Con opportuni valori si ottiene: • Fotoresistenza oscurata ha un valore di 20 M Ohm: Vout si annulla; • Fotoresistenza illuminata ha un valore di 0 Ohm: Vout=-Vin.
-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME
-Stadio di potenza di uscita- Progetto iniziale: pilotare una cassa passiva da 8 Ohm Necessità di uno stadio che fornisca sufficiente quantità di corrente al carico di bassa impedenza. Progetto finale: si utilizzano delle casse attive che amplificano il segnale in ingresso presentando un’alta impedenza.
-Layout- - Oscillatori - Mixer - Filtro - Controllo del volume - Stadio di uscita