Музыкальный инструмент терменвокс

Терменвокс — один из самых необычных электронных музыкальных инструментов. Для управления его звучанием не нужны клавиши, струны или механические органы управления: музыкант изменяет тон обычным движением руки возле антенны. Даже эта простая самодельная схема наглядно покажет, как изменение электрической емкости превращается в изменение высоты звука.

📝 Миниатюрный вариант терменвокса на микросхемах CD4093 и TDA2822M рассчитан на питание 5 В и использует всего одну антенну (в оригинальном термене их две). Первая микросхема формирует два высокочастотных сигнала, один из которых зависит от положения руки. После их смешивания выделяется низкочастотная составляющая, воспринимаемая человеческим ухом. Затем сигнал усиливается микросхемой TDA2822M и поступает на небольшой динамик.

Главное достоинство такой конструкции — простота. Здесь одновременно демонстрируются принципы емкостного датчика, RC-генератора, частотного смешивания и маломощного аудиоусилителя.

Как движение руки превращается в звук

Обозначение	Номинал	Назначение
US1	CD4093, DIP-14	Два генератора и цифровое смешивание
US2	TDA2822M, DIP-8	Мостовой аудиоусилитель
R1	2,2 кОм	Цепь антенного генератора
R2	2,2 кОм	Цепь опорного генератора
P1	20 кОм	Настройка антенного генератора
P2	100 кОм, линейный	Настройка опорного генератора
P3	100 кОм, логарифмический	Регулировка громкости
C1, C2	150 пФ	Формирование частоты генераторов
C3	10 мкФ	Развязка аудиосигнала
C6	470 мкФ	Фильтрация питания
C7–C10	100 нФ	Высокочастотная развязка
D1	1N5819	Защита входа питания
J1	Разъем динамика	Подключение нагрузки
J2/J3	Клеммник / DC 2,1×5,5 мм	Подключение питания
PAD1	Около 25 см провода	Антенна

Антенна выступает чувствительным емкостным элементом. При приближении руки изменяется электрическая емкость относительно окружающего пространства и земли. Для обычных низкочастотных схем такое изменение было бы практически незаметным, однако в данном проекте используется конденсатор всего 150 пФ, поэтому даже небольшая дополнительная емкость заметно влияет на частоту генератора.

Рука при этом не подает в схему какой-либо управляющий сигнал напрямую. Она изменяет параметры времязадающей RC-цепи генератора. Из-за этого частота одного из высокочастотных генераторов плавно смещается.

В конструкции предусмотрены три основных регулировки:

• P1 задает исходную частоту антенного генератора;
• P2 устанавливает частоту второго, опорного генератора;
• P3 регулирует громкость готового звукового сигнала.

Таким образом, бесконтактным способом управляется прежде всего высота тона, а громкость устанавливается обычным потенциометром.

Два генератора на CD4093

Основой схемы служит CD4093 — микросхема с четырьмя логическими элементами NAND и входами с характеристикой триггера Шмитта. Такая структура хорошо подходит для построения простых RC-генераторов.

Если соединить соответствующим образом входы одного элемента, резистор и конденсатор, получается генератор прямоугольных импульсов. В данном проекте используются два таких генератора.

Антенный генератор

Первый генератор собран на элементе US1A. Его частота определяется резистором R1 2,2 кОм, потенциометром P1 на 20 кОм и конденсатором C1 на 150 пФ.

P1 нужен прежде всего для первоначальной установки рабочего диапазона. После этого основное изменение частоты происходит за счет антенны.

Когда рука находится далеко, генератор работает на исходной частоте. При приближении руки увеличивается суммарная емкость системы, вследствие чего частота изменяется. В исходном варианте схемы рабочий диапазон этого генератора находится примерно в пределах 380 кГц – 1,6 МГц.

Такие частоты непосредственно услышать невозможно. Они используются как высокочастотная основа для дальнейшего формирования звукового сигнала.

Опорный генератор

Второй генератор построен на элементе US1B. Его частоту определяют R2, P2 и C2 150 пФ. В отличие от первого генератора этот узел не связан с антенной. Потенциометр P2 позволяет вручную установить частоту опорного сигнала. В исходной схеме диапазон регулировки составляет приблизительно 105 кГц – 1,6 МГц.

Правильное соотношение частот двух генераторов имеет решающее значение. Они должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы возникающая разностная составляющая попала в слышимый диапазон.

Почему используются именно два высокочастотных сигнала

Если подать сигнал с частотой, например, 500 кГц непосредственно на динамик, человек его не услышит. Поэтому терменвокс использует принцип биений.

Допустим, один генератор работает на частоте 500 кГц, а второй — на 500,5 кГц. Разность между ними составляет: 500,5 кГц − 500 кГц = 500 Гц. Именно такая низкочастотная составляющая уже находится в звуковом диапазоне.

При движении руки меняется частота антенного генератора. Разность между двумя высокочастотными сигналами также изменяется, поэтому изменяется и слышимый тон.

✍ Важная особенность схемы заключается в том, что US1C выполняет функцию цифрового смешивания. Это не специализированный аналоговый умножитель, а логический элемент, на выходе которого формируется сложный набор частотных составляющих. Среди них присутствуют компоненты, связанные с исходными генераторами и их гармониками. Низкочастотная составляющая затем используется как полезный аудиосигнал.

Именно этот принцип делает возможным бесконтактное управление высотой звука одной антенной.

Сигнал после микшера

На выходе US1C присутствует не только полезная аудиосоставляющая. Там остаются высокочастотные компоненты и постоянная составляющая, поэтому сигнал перед подачей на усилитель необходимо обработать.

Конденсатор C3 10 мкФ отделяет постоянную составляющую. После него сигнал поступает на потенциометр P3 100 кОм, который выполняет регулировку громкости.

Для этой функции используется логарифмический потенциометр. Такой вариант удобнее для управления громкостью, поскольку субъективное восприятие звука человеком не является линейным.

Элемент	Номинал	Назначение
P1	20 кОм	Настройка частоты антенного генератора
P2	100 кОм, линейный	Настройка опорной частоты
P3	100 кОм, логарифмический	Регулировка громкости
C1	150 пФ	Времязадающий конденсатор антенного генератора
C2	150 пФ	Времязадающий конденсатор опорного генератора
C3	10 мкФ	Развязка сигнала по постоянному току

Усилитель на TDA2822M

Полученный звуковой сигнал имеет небольшую амплитуду и не способен непосредственно раскачать динамик. Для этого используется TDA2822M.

В рассматриваемой конструкции микросхема работает в мостовом режиме. Динамик подключается между двумя выходами усилителя, поэтому оба вывода нагрузки активно управляются усилителем.

Питание всего устройства составляет всего 5 В, поэтому мостовая схема особенно удобна для компактного проекта. Для практической сборки рекомендуется небольшой динамик сопротивлением 8 Ом или выше и мощностью не менее 1 Вт.

На выходах TDA2822M предусмотрены RC-цепи R3-C8 и R4-C9. Они выполняют функцию цепей Цобеля и помогают стабилизировать работу усилителя на высоких частотах.

Это особенно актуально для терменвокса: исходная схема оперирует высокочастотными сигналами, поэтому нежелательные ВЧ-компоненты могут проникать в усилительный каскад. Правильная развязка и короткие соединения помогают уменьшить вероятность нестабильной работы.

Питание мини-терменвокса

Для проекта используется источник 5 В постоянного тока. Это может быть подходящий сетевой адаптер, USB-источник или другой стабилизированный источник с достаточным током.

Потребление зависит от уровня громкости и режима работы и в исходной конструкции может находиться примерно в диапазоне 10–200 мА.

На входе питания установлен диод Шоттки 1N5819. Он обеспечивает защиту от неправильной полярности. Конденсатор C10 100 нФ предназначен для подавления высокочастотных помех, а C6 470 мкФ обеспечивает дополнительную фильтрацию и запас энергии.

Развязывающие конденсаторы 100 нФ желательно располагать максимально близко к выводам питания микросхем. Длинные провода между источником и платой могут увеличить количество помех и сделать работу генераторов менее стабильной.

Особенно нежелательно питать терменвокс от источника с большим уровнем импульсных помех. Шум по цепи питания может попадать в чувствительный генератор и проявляться как паразитная модуляция звука.

Антенна и ее влияние на чувствительность

Антенна в рассматриваемом варианте представляет собой примерно 25 см изолированного медного провода сечением около 1,5 мм². Толстый провод выбран не столько ради электрических характеристик, сколько ради механической жесткости.

На работу антенного генератора влияет не только длина провода. Значение имеют практически все близлежащие проводящие предметы:

• металлические детали корпуса;
• печатная плата и ее земля;
• кабели питания;
• корпус динамика;
• поверхность стола;
• положение самого пользователя.

Поэтому окончательную настройку P1 следует выполнять уже после установки устройства в предполагаемый рабочий корпус.

Если антенну изменить по длине или форме, чувствительность и диапазон управления также изменятся. Это не обязательно является недостатком: экспериментируя с антенной, можно подобрать удобную дистанцию управления. Но слишком большое количество металла рядом с антенной может сделать настройку нестабильной. Особенно нежелательно помещать чувствительный участок в металлический корпус без учета расположения антенны.

Первоначальная настройка

Настройка мини-терменвокса не требует сложного измерительного оборудования. Основная задача заключается в том, чтобы сначала правильно установить частоты обоих генераторов, а затем проверить реакцию схемы на движение руки.

Последовательность можно выполнить следующим образом:

1. Подключить динамик с сопротивлением 8 Ом или выше.
2. Подать стабилизированные 5 В.
3. Установить небольшую громкость потенциометром P3.
4. Убрать руку на максимальное расстояние от антенны.
5. Потенциометром P1 установить исходную частоту антенного генератора.
6. Медленно регулировать P2 до появления устойчивого слышимого тона.
7. Перемещать руку к антенне и от нее, контролируя изменение высоты звука.
8. После настройки частот установить необходимую громкость P3.

Лучше изменять настройки последовательно, не вращая сразу несколько органов управления. Вначале устанавливается рабочая точка антенного генератора, затем подбирается опорная частота. После этого уже можно настраивать громкость.

Если P2 установлен слишком далеко от подходящего диапазона, схема может быть полностью исправна, но полезный звук при этом отсутствует.

Что делать, если движения руки не меняют тон

Наличие звука еще не означает, что антенный генератор работает правильно. Если динамик воспроизводит постоянный тон, но приближение руки никак на него не влияет, особое внимание следует уделить участку вокруг US1A, C1 и антенны.

Симптом	Что проверить в первую очередь
Полное отсутствие звука	Питание 5 В, CD4093, TDA2822M, диод D1 и подключение динамика
Есть постоянный тон, но рука не влияет	Антенну, PAD1, C1 150 пФ, R1 и P1
Тон изменяется, но диапазон очень небольшой	Положение и длину антенны, C1 и настройку P1
Звук появляется только в некоторых положениях P2	Соотношение частот двух генераторов
Звук нестабилен или искажен	Развязку питания, RC-цепи на выходах TDA2822M и монтаж
Слишком тихое звучание	P3, сопротивление динамика и просадку напряжения питания

При наличии осциллографа можно отдельно проверить выходы генераторов CD4093. Однако измерять сигналы в диапазоне сотен килогерц и мегагерц следует коротким щупом с минимальной длиной соединения с землей, поскольку сама измерительная проводка способна добавить паразитную емкость.

Как изменение C1 и C2 меняет работу схемы

Конденсаторы C1 и C2 непосредственно участвуют в формировании частот генераторов. Изменение их емкости позволяет экспериментировать с рабочим диапазоном.

Увеличение емкости обычно приводит к снижению частоты соответствующего RC-генератора. Но для антенного генератора слишком большое значение C1 нежелательно.

Основная причина проста: если времязадающий конденсатор имеет очень большую емкость, небольшое изменение емкости, вызванное рукой, становится относительно малой частью общей емкости. Чувствительность к движению при этом снижается.

Поэтому C1 в 150 пФ является важной частью идеи конструкции. Небольшая паразитная емкость руки на фоне такого номинала уже способна заметно изменить параметры генератора.

C2 имеет несколько другую задачу: он вместе с P2 формирует диапазон опорного генератора. Поэтому изменение C1 и C2 не следует рассматривать как полностью одинаковую модификацию.

Монтаж чувствительной части

Несмотря на небольшое количество деталей, эта схема не слишком хорошо переносит небрежный монтаж вокруг антенного генератора. На высоких частотах несколько сантиметров проводника уже могут стать заметным элементом схемы.

Особое внимание следует уделить соединениям C1, C2, CD4093 и антенного вывода. Желательно делать их короткими и не прокладывать рядом с силовыми проводами динамика.

Печатная плата или макетная конструкция должна обеспечивать предсказуемое расположение антенного участка. Если компоненты расположены слишком далеко друг от друга, паразитные емкости и наводки могут существенно изменить результат.

При использовании DIP-корпусов для CD4093 и TDA2822M удобнее установить микросхемы в панельки. Это упрощает замену неисправного элемента и снижает риск повреждения микросхемы при пайке.

Перед первым включением стоит проверить полярность электролитических конденсаторов и правильность установки D1. Также необходимо убедиться, что динамик подключен именно к мостовому выходу TDA2822M, а не к общей точке питания.

Несколько практических рекомендаций

Для стабильной работы готового устройства полезно придерживаться нескольких простых правил:

• не размещать антенну вплотную к металлическим предметам;
• не прокладывать провода динамика рядом с антенной;
• использовать стабильный источник 5 В с достаточным запасом по току;
• располагать развязывающие конденсаторы близко к микросхемам;
• после изменения положения антенны заново выполнять настройку P1 и P2.

Особенно важно помнить, что характеристики такой конструкции определяются не только номиналами резисторов и конденсаторов. Даже замена корпуса или перемещение антенны на несколько сантиметров способно изменить паразитную емкость и, следовательно, рабочую точку генератора.