Progetto e realizzazione di uno strumento musicale theremin

1. 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

2. 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

3. -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?

4. -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.

5. -Oscillatori armonici-

6. -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

7. -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.

8. -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.

9. -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.

10. -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.

11. -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.

12. -Oscillatore?- • a sfasamento; • a ponte di Wien; • Hartley; • Clapp; • Colpitts; • ……………

13. -Oscillatore fisso: Colpitts- • Scelto per: • forma d’onda generata priva di componenti • armoniche estranee. • alte frequenze generabili.

14. -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

15. -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.

16. -Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME

17. -Moltiplicazione di due sinusoidi- Operazionali con slew rate limitato. Necessità di ridurre i segnali di ingresso.

18. -Moltiplicazione di due sinusoidi- • Integrato AD633JN della AnalogDevices: • implementa una moltiplicazione a quattro quadranti; • in particolare, esegue l’operazione

19. -Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME

20. -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

21. -Filtraggio passa basso- • Sallen Key: funzione di trasferimento Frequenza di taglio posta a 3kHz, dimensionando le C e le R.

22. -Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME

23. -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.

24. -Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSAACUSTICA OSCILLATORE FISSO CONTROLLO VOLUME

25. -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.

26. -Layout- - Oscillatori - Mixer - Filtro - Controllo del volume - Stadio di uscita

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