Progetto e realizzazione di uno strumento musicale theremin 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 Elaborato di Laurea di Nicola CODEGA Anno Accademico 2007-2008

-Che cos’è un Theremin?- Strumento musicale elettronico analogico ideato nel 1920 dal fisico russo Lev Sergeevič Termen (Leon Theremin); Viene suonato attraverso l’uso di due antenne. 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- Circuiti che realizzano questi segnali 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-

-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 CASSA ACUSTICA 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 CASSA ACUSTICA 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 Analog Devices: implementa una moltiplicazione a quattro quadranti; in particolare, esegue l’operazione

-Theremin: schema a blocchi- OSCILLATORE VARIABILE FILTRO PASSA BASSO MIXER CASSA ACUSTICA 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 CASSA ACUSTICA 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 CASSA ACUSTICA 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

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