Etherway – терменвокс на основе схемы Р.Муга

(Cтатья с названием «Терменвокс «Etherway»» вышла в журнале «Радио» №11, 12 за 2016г. Здесь представлен исходный вариант статьи. )

И.Мамонтов


Пусть читателя не смущает название «Etherway», которое очень близко к написанию «Etherwave» – терменвокса известной американской фирмы Moog Music Inc. Это сделано намеренно, чтобы отразить похожесть инструментов. Описание прототипа [1] появилось в журнале Electronic Musician в 1996 году (статья «Build the EM Theremin») и было сделано самим Робертом Мугом, который впоследствии наладил выпуск изделий, практически ничего не поменяв в схеме и дав им название «Etherwave». Схема оказалась настолько удачной, что и по сей день пользуется успехом как среди исполнителей, так и среди самодельщиков.

Исполнители отдают должное самому главному качеству инструмента – его «играбельности», т.е. пригодности к профессиональному исполнению музыкальных произведений. Это связано, главным образом, с улучшенной линейностью музыкальной шкалы, речь о чем пойдет ниже.

Самодельщиков же привлекает возможность не мотать своими руками катушки индуктивности и обойтись готовыми моточными изделиями известных фирм. Для особо ленивых предлагаются наборы для самостоятельной сборки, включая полностью собранную и отлаженную печатную плату.

Данная конструкция представляет собой некоторое отступление, так как катушки здесь мотались вручную. Это не так страшно, как кажется на первый взгляд, да и занимает гораздо меньше времени, чем поиск готовых изделий. Впрочем, ничто не мешает подобрать готовые катушки, что частично и было сделано. Также важно знать: для успешного повторения конструкции потребуется осциллограф!

Разберем вначале работу прототипа. По ходу изложения я буду приводить некоторые устоявшиеся термины, знание которых будет полезно при обращении к англоязычной части Интернета.

Итак, звуковой сигнал образуется с помощью гетеродинирования сигналов от двух радиочастотных генераторов (Рис.1), один из которых – опорный («Fixed Pitch Oscillator», где слово «pitch», или «высота тона», означает принадлежность к каналу формирования звуковой частоты) и работает на фиксированной частоте, а другой – перестраиваемый («Variable Pitch Oscillator»), меняет свою частоту за счет поднесения руки к антенне («Pitch Antenna»). Термин «антенна» здесь не совсем корректен, поскольку в устройстве нет приемопередающего тракта. Правильнее было бы назвать этот узел «емкостным сенсором», но из-за схожести по внешнему виду так уж исторически повелось.

Звуковой сигнал («Audio Frequency») рождается в результате смешивания сигналов двух генераторов и выделения их разностной частоты – биений. Гениальность изобретения состоит в том, что малейшие изменения частоты генераторов в такой схеме (а они очень незначительные!) приводят к ощутимым изменениям высоты тона. Лев Термен, изобретатель терменвокса, использовал этот принцип не только в своем инструменте, но и при построении охранных систем.


Рисунок 1

На рисунке значения частот показаны условно, так как точные значения зависят от номиналов элементов схем. Общее правило здесь одно: при приближении руки к антенне частота перестраиваемого генератора понижается, что должно приводить к увеличению разностной частоты, повышению тона, а значит – опорный генератор должен быть настроен выше. Пусть этот факт отложится у вас в памяти до того момента, когда вы будете настраивать плату.

Канал управления громкостью (Рис.2) построен иначе. Здесь только один генератор («Volume Oscillator»), который работает на фиксированной частоте и возбуждает резонансную цепь, в состав которой входит антенна (петля) громкости («Volume Antenna» или «Volume Loop»). В исходном состоянии (рука далеко) цепь настроена на частоту генератора, и на ней действует максимальное напряжение. Приближение руки к антенне вызывает уход от резонанса и снижение выходного напряжения. Это должно приводить к уменьшению громкости, хотя здесь возможна обратная зависимость. Я думаю, на заре становления инструмента были опробованы оба варианта, и первый посчитали лучшим.


Рисунок 2

Итак, мы видим, что концепция «Etherwave» (а прототип из журнала обычно называют «EM theremin») полностью повторяет концепцию первых терменвоксов, построенных на электронных лампах. Возможно, удачность схемы Муга как раз и обусловлена именно тем, что является, по сути, современной (на транзисторах) реинкарнацией проверенных и хорошо зарекомендовавших технических решений прошлых лет.

Теперь о схеме «Etherway» (Рис.3). Я попросил редакцию немного нарушить их внутренние стандарты и показать на электрической схеме названия вышеупомянутых блоков, как это было сделано у Р.Муга – чтобы удобнее было ориентироваться. Кроме того, из оригинала перенесены позиционные обозначения элементов, за исключением тех, которые исключены или введены вновь (нумерация последних начинается со «100»).


Рисунок 3

Все генераторы выполнены по единой дифференциальной схеме на двух транзисторах. Рассмотрим их работу на примере перестраиваемого генератора (Q1 и Q2).

Такую схему отличает то, что она начинает генерировать, выражаясь образным языком, «уже при виде индуктивности». Иными словами, ее трудно заставить НЕ генерировать, чему способствует большой суммарный коэффициент передачи пары транзисторов.

В коллекторную цепь транзистора Q1 включен частотозадающий колебательный контур, составленный из конденсатора C1 и индуктивности L5. Элементы и C3 и R3 задают положительную обратную связь, причем C3 – это просто разделительный конденсатор с некритичным номиналом, а R3 ограничивает степень связи и уменьшает нагрузку на колебательный контур. У Р.Муга индуктивность L5 составлена из двух – постоянной и регулируемой, что снижает остроту настройки (тем самым, делая регулировку более удобной), но и снижает диапазон регулирования. Последнее заставляет более строго придерживаться номиналов частотозадающих цепей и геометрии антенны. Я пожертвовал остротой настройки в пользу универсальности схемы и отказался от дополнительного компонента, которого все равно бы не нашел в своей «коллекции» (к слову сказать, основным критерием для данной конструкции была возможность «слепить из того, что есть», а не было, по большему счету, только довольно редкой микросхемы LM13600/LM13700).

Резисторы R1, R4 задают напряжение на базах транзисторов, близкое к 0, что устанавливает потенциал эмиттеров чуть ниже нуля (-0,6В), стабилизируя тем самым рабочую точку. Резистором R2 задается суммарный ток через транзисторы на уровне 5 мА.

Основное отличие генератора от оригинала – это дополнительная развязка по питанию (с помощью резистора R101) и снятие выходного напряжения не с контура C1L5, а с коллектора транзистора Q2. Для этого туда в качестве нагрузки был установлен достаточно низкоомный резистор R102. Цель такого решения – максимально и с минимумом затрат развязать генераторы друг от друга.

Дело в том, что при сближении частот генераторы начинают всеми правдами и неправдами (взаимопроникновение через выходные цепи, цепи питания, емкость монтажа) влиять друг на друга, стремясь «подмять» партнера под себя и навязать ему свою частоту. В технике это явление называют «захватом» или «синхронизацией» («locking»). В схеме Р.Муга захват начинает проявляться при сближении частот ниже 150 Гц, приводя сначала к искажениям формы звукового сигнала, а затем – к полной синхронизации и «молчанию», делая невозможным получение звуковой частоты ниже 50…80 Гц. Во всем этом есть свои достоинства и недостатки.

Положительный момент заключается в том, что по мере захвата выходной звуковой сигнал из близкого к синусоидальному превращается в подобие пилообразного, а затем – пульсирующего, обогащаясь высшими гармониками. Иными словами, появляется зависимость звучания (тембра) от частоты, что является полезным свойством и делает исполнение более выразительным и похожим на естественный голос.

Невозможность получения низких нот делает инструмент «молчащим» в случае отсутствия музыканта: частота управляемого генератора (у должным образом настроенного терменвокса) попадает в зону синхронизации («zero beat point» – точку нулевых биений).

«Минус» изменчивости формы («waveform morphing») состоит в том, что на очень низких нотах получается не голос, а «тарахтение», теряющее, в довершение всего, свою «музыкальность» из-за того, что биения из периодических становятся случайными (возрастает чувствительность генераторов, находящихся на грани синхронизации, ко всякого рода шумам).

И, наконец, интересное свойство синхронизации, считавшееся раньше полезным, и которое усиливали с помощью специальных мер (а полностью избавиться от синхронизации очень сложно) – она «ускоряет» сближение частот генераторов, повышая чувствительность именно там, где требуется – в дальней зоне антенны, где изменения емкости малы. Это выравнивает так называемую «мензуру» инструмента, то есть равномерность нот вдоль области перемещения руки.

Посмотрите на клавиатуру фортепиано – ширина клавиш везде одинаковая. Музыканту не нужно напрягаться, чтобы сыграть, например, ту же партию октавой выше – он, руководствуясь мускульной памятью, просто повторит те же движения, немного сдвинув руку . В случае со струнными ситуация немного хуже – лады на грифе гитары расположены неравномерно («сгущаются» по направлению к центру), поэтому движения придется масштабировать. У виолончели вообще все плохо – ладов как таковых нет, и малейший промах означает фальшь. Зато барабану ничего не нужно.

Если у перечисленных выше инструментов есть какая-либо точка опоры для руки, место тактильного контакта, визуальное место, наконец, то у терменвокса и это отняли. Вот почему лозунг «каждая домохозяйка сможет играть на терумине» (так по-английски произносится название инструмента) звучит, мягко говоря, лукаво. Впрочем, если домохозяйка будет исполнять «авангардную или FX музыку» («FX» – «спецэффект»), которую никто, даже сам автор, повторить не сможет – это сойдет. Проблемы начнутся с «Вокализом» С.Рахманинова, эдаким «Hello, world!» в мире начинающих терменистов.

Я сказал: «свойство, считавшееся раньше полезным». В последнее время обнаружилось, что «Etherwave» звучит весьма неплохо даже при развязанных генераторах, как по тембру (более густой бас – и это ожидаемо), так и по линейности, давая одну лишнюю (или более) октаву. Странно, что инженеры от Moog Music Inc. до сих пор не воплотили эту возможность в серийных изделиях, дав третьим лицам шанс заработать на продажах модулей, устанавливаемых в «Etherwave». И это по цене в десятки евро за плату с двумя транзисторами!

А суть метода проста – буферирование сигналов от генераторов перед подачей их на смеситель (детектор). Ведь именно через эту точку происходит наиболее сильное влияние генераторов друг на друга.

Поначалу я собирался поступить так же, но спортивный интерес взял свое – найти более элегантное решение. Окончательный вариант отразился на схеме – это использование транзисторов Q2 и Q4 в качестве буферов и введение легко сопрягаемого с ними p-n-p транзистора (Q100) в качестве смесителя.

Чтобы ослабить связь, требуется уменьшать сопротивление резисторов R102 и R105. Но тогда сигналы оказываются очень слабыми, хотя диодный детектор, взятый из оригинала, худо-бедно, но с ними работает, просто дает меньший уровень выходного сигнала. Транзистор Q100 не только «детектирует», но и усиливает сигнал. Цепочка C23R24, как и в оригинале, отсекает высокие частоты, а вновь введенная цепь C101R23 делает то же самое, увеличивая порядок фильтра.

Надо заметить, что такие цепочки встречаются по всему тракту, и в этом есть свой резон. Если мы подадим плохо отфильтрованный сигнал на динамик, то все равно не услышим высокочастотные составляющие – ну и бог с ними. Зато эти составляющие легко «слышат» дешевые звуковые карты компьютеров и различные «примочки» – генераторы спецэффектов. Дело в том, что находящиеся в них аналого-цифровые преобразователи тактирует (дискретизируют) входной сигнал, и если высокочастотные компоненты сигнала превысят половину частоты дискретизации, то появятся неприятные призвуки. А дешевизна таких устройств предполагает отсутствие качественных фильтров на их входе.

Вернемся к генераторам. Хотя сигнал на колебательном контуре имеет строго синусоидальную форму (Рис.4а), на резисторах R102 и R105 действует далеко не синусоидальные напряжения – обрывки полуволн размахом около 2В с короткими провалами на вершинах (Рис.4б). Это приводит к несколько иной, по сравнению с оригиналом, форме напряжения на смесителе. Если раньше на резисторе R24 был сигнал, состоящий из отрицательных полуволн в форме букв «UUU», то теперь – округленный треугольный, с небольшими перегибами на подъеме (Рис.5). Вдобавок, сигнал переместился в положительную область, что заставило изменить схему подключения регулировки «WAVEFORM» («Форма сигнала») – изменить полярность напряжения питания, приходящего на потенциометр P3 и поменять у него концы, а также увеличить номинал резистора R25.

Как видно по осциллограммам Рис.5, а, б, в, г, сигнал сохраняет свою форму вплоть до инфразвуковой частоты, что говорит о хорошей развязке генераторов. Изменчивость тембра предполагается создавать внешними спецэффектами. Впрочем, вы можете воспроизвести версию Р.Муга – печатная плата создавалась под оба варианта.


Рисунок 4 а, б


Рисунок 5 а, б, в, г

Теперь об отличиях генераторов друг от друга.

У перестраиваемого генератора к колебательному контуру в качестве дополнительной частотозадающей цепи подключена антенная цепь, состоящая из антенны WA1 и катушки индуктивности L1-L4, а в опорном генераторе – цепь настройки в виде электронного аналога регулируемого конденсатора.

Принцип действия электронного аналога основан на эффекте Миллера – кажущемся увеличении емкости конденсатора, включенного в цепь отрицательной обратной связи (между входом и выходом) усилительного каскада. В данном случае это конденсатор C9 (3 пФ), включенный между коллектором и базой транзистора Q5 (сюда еще плюсуется собственная емкость перехода база-коллектор, которая у BC846A составляет около 1,9 пФ). Меняя коэффициент усиления каскада (изменяя ток через эмиттер с помощью потенциометра P2), мы меняем произведение C·Kус. В исходной схеме Муга конденсатор был номиналом 33 пФ, а резистор R11 – 33 ом (плюс дополнительный резистор 470 ом в базовой цепи транзистора, который здесь исключен), что давало то же перекрытие по частоте – около 2…3 кГц (это соответствует изменению емкости контура на 50 пф). Топология печатной платы также позволяет воспроизвести вариант Муга, но если у вас есть подходящий конденсатор переменной емкости – можете смело заменить им весь этот узел (применение электронной настройки Р.Муг обосновывает отсутствием дешевых перестраиваемых конденсаторов).

На антенной цепи остановимся подробнее. Это – «изюминка» всех терменвоксов подобного рода.

Дело в том, что для получения максимальной чувствительности необходимо, чтобы емкость конденсатора колебательного контура состояла бы, по возможности, только из емкости антенны (это порядка 6…8 пФ, из которых на наведенную емкость от руки приходится 0,5 пФ и менее). Но такой контур на относительно низких частотах (сотни килогерц) и возбудить сложнее, и, самое главное, – «густота» нот вблизи антенны резко возрастает. Это сильно затрудняет игру в верхнем регистре инструмента.

Как же, спросите вы, при емкости контура 3300 пФ обеспечивается требуемая чувствительность инструмента? Все дело в том, что тот самый контур, в который входила бы только емкость антенны, образуется за счет дополнительной индуктивности L1-L4 (в схеме Муга это четыре последовательно соединенных катушки). В первом приближении можно считать, что частота контура, образованного емкостью антенны и этой индуктивностью равна резонансной частоте контура генератора C1L5. В этом режиме влияние емкости антенны на частоту генератора многократно (!) возрастает.

Трудно сказать, как Л.Термен и первые энтузиасты пришли к этому решению. Возможно, стремясь ограничить чувствительность вблизи антенны и выровнять тем самым мензуру инструмента, они начали подключать антенну не напрямую, а через индуктивность, и постепенно выяснилось, что величина этой индуктивности должна быть значительной, а наилучшее выравнивание обеспечивается при больших значениях емкости контура генератора («tank capacitance»).

Позже появилось такое объяснение (из анализа реактивных сопротивлений) – при правильно настроенной цепи антенная емкость «трансформируется» в индуктивность, подсоединенную параллельно L5. Изменения емкости антенны «управляют» этой индуктивностью по нужной для целей линеаризации зависимости. А своеобразие схемы заключается в том, что если оба контура по отдельности будут настроены на одну и ту же частоту, то соединенные вместе, они дадут целых два резонансных пика вместо одного, и поведение генератора будет сильно зависеть от соотношения номиналов.

Между тем, исчерпывающее объяснение этому явлению можно найти в учебниках по электротехнике 50-х годов, и даже в учебниках по другим дисциплинам (акустика, математика). Раздел называется «связанные колебательные цепи».

Оказывается, поведение таких цепей описывается биквадратным уравнением, решение которого дает четыре корня вместо двух для обычной колебательной цепи. Отсюда и расслоение на два «горба». Степень этого «расслоения» определяется коэффициентом связи, а сама связь может быть любого характера, включая паразитную магнитную и емкостную. В данном случае связь непосредственная, обусловленная способом включения и разным волновым сопротивлением контуров C1L5 и WA1(L1-L4). Конденсатор С100 не принимаем во внимание (его задача – отсечь питание +12В от антенны, что не было сделано у Р.Муга, непонятно почему), так как его емкость значительно больше емкости антенны (хотя в некоторых схемах без антенной катушки он также может использоваться для некоторого «выравнивания»).

Согласно строгой теории [2] частоты «горбов» (при равенстве частот контуров f1 = f2 = f) будут определяться:

      ,       где             – коэффициент связи.

Если k достаточно мало, то расчет «расслоения» (отстояния горбов от исходной частоты) упрощается:

Δ F1 ≈ Δ F2 ≈ f · k / 2

С появлением программ моделирования (одна из которых – LTspice – полностью бесплатная) появилась хорошая возможность «погонять» схему при разных параметрах и посмотреть, как они влияют на итоговые характеристики.


Рисунок 6

На Рис.6 показана модель связанных контуров и зависимость резонансных частот «горбов» от наведенной емкости руки (С3 – емкость антенны, С4 – наведенная емкость, задаваемая списком, С2, R2, R3 – паразитные параметры, все взято достаточно произвольно). Красная кривая соответствует позиции «рука и тело крайне далеко от антенны» и настройке, когда индивидуальные частоты контуров равны друг другу. Эта частота соответствует «провалу» между пиками. Одинаковость высоты пиков и нулевой фазовый сдвиг на этих частотах (на рисунке не показан) создают неоднозначные условия для генерации – возможен перескок с одной частоты на другую.

По мере приближения руки частота второго пика (впрочем, как и первого) понижается, но – до определенного предела. Этот крайний случай смоделирован практически совпадающими белой и серой кривыми (соответствующими наведенным емкостям 20 и 100 пФ соответственно). Таким образом, ни при каких обстоятельствах – даже при касании антенны, частота генератора не опустится ниже определенного значения (случай, соответствующий параллельному соединению L1 и L2), в результате чего шаг нот в ближней зоне антенны выровняется и даже возникнет «перегиб» в сторону понижения чувствительности.

Катушки L2 (Рис.6) и L1-L4 (Рис.1) получили название «линеаризующих» или «выравнивающих» («Linearization/Equalizing Coils»).

Надо отметить, что данное явление есть во всех терменвоксах, где явно или неявно присутствуют два колебательных контура – в [3], [4] и даже ранних моделях Л.Королева [5]. Отличительными признаками являются большая емкость контурного конденсатора (тысяча и более пикофарад) и большая индуктивность добавочных катушек. Судя по скудным описаниям, особенно в части настройки, авторы не отдавали себе отчет в принципах работы таких цепей, действовали наугад, что приводило к плохой повторяемости и породило неприязнь к подобного рода схемам.

Генератор канала громкости (снова возвращаемся к Рис.1) аналогичен генераторам канала высоты тона, за исключением цепи положительной обратной связи, состоящей из делителя на конденсаторах С14 и С15, одновременно составляющих и емкость колебательного контура.

Микросхема LM13600

Листая страницы интернета, я наткнулся на интересные факты.

По воспоминаниям Дона Сью (Don Sauer), сотрудника компании National Semiconductor, электрическая схема родилась всего за 5 минут в соавторстве с Билом Гроссом (Bill Gross) в целях тренировки их новой сотрудницы – проектировщика масок – плотной упаковке транзисторов на кристалле.

На тот момент разработчики электромузыкальных инструментов уже получили в свое распоряжение 8-выводный интегральный усилитель LM3080 (преобразователь напряжение–ток), который, однако, в большинстве случаев требовал подключения внешнего буферного выходного каскада. Также на тот момент имелся только что разработанный пластиковый корпус с 16 выводами.

Поэтому решено было зеркально повторить этот усилитель, а оставшиеся свободными ножки задействовать под эмиттерные повторители, линеаризующие диоды (разработчики жаловались на искажения при большом сигнале) и управление усилением (таково было еще одно пожелание).

После того, как топология была готова, менеджеру пришла в голову мысль не останавливаться, а запустить кристалл в серию.

Микросхема получила популярность, особенно среди разработчиков звуковых эффектов.

LM13600 в настоящее время не производится, ее сменила LM13700, а также выпускаются аналоги AU5517 и NE5517.

(фото с сайта http://www.idea2ic.com)

Делитель ослабляет влияние антенной цепи на частоту генератора. В исходном состоянии (рука далеко от антенны) частота выбрана такой, что на катушке L7-L10 действует максимальное переменное напряжение (состояние резонанса). Это напряжение, снимаемое с части катушки, складывается с гораздо меньшим по величине возбуждающим напряжением, выпрямляется диодом D1, усиливается каскадом на U3.2 и воздействует на коэффициент передачи управляемого усилителя, выполненного на другой половине этой микросхемы – U3.1.

LM13700 (LM13600) – это сдвоенный преобразователь напряжения в ток, коэффициенты преобразования которого задаются независимо друг от друга дополнительными управляющими входами (выводы 1 и 16). Втекающему току 1мА на этих входах соответствует крутизна преобразования около 10мА/В, а уменьшая ток – мы уменьшаем крутизну. Из особенностей микросхемы следует отметить двуполярное питание, дифференциальные входы, наличие линеаризующих диодов на входах и пары составных транзисторов на выходах (для построения буферных каскадов и согласования с нагрузкой).

По мере приближения руки контур, состоящий из антенны WA2 и катушки L7-L10, расстраивается, и выпрямленное диодом D1 отрицательное напряжение снижается по абсолютной величине, вызывая снижение напряжения на выходе 12 микросхемы от крайних +12В до крайних –12В, что полностью запирает управляемый усилитель. Цепочка отрицательной обратной связи D5R37 определяет ход зависимости в ближней (рабочей) зоне антенны.

Встроенные в микросхему линеаризующие диоды использованы в управляемом усилителе для изменения формы сигнала, для чего на вход 2 микросхемы подается небольшой ток смещения (с потенциометра P4). Элементы P3 и R25 задают положение «средней линии» усилителя, что приводит к несимметричному искажению сигнала и его обогащению четными гармониками, более приятными на слух.

Эмиттерный повторитель U3.3 умощняет выходной сигнал, а делитель R33R34 приводит его амплитуду к стандартному уровню линейного выхода. Переключателем SA100 «MUTE» можно заглушить инструмент, когда музыканту надо отойти (в «Etherwave» для этого была придумана хитрость – на антенну громкости просто набрасывался звуковой кабель).

Стабилизатор питания оставлен без изменений, за исключением того, что к диодам D2 и D3 подведены индивидуальные линии питания – для обеспечения возможности работы от двуполярного источника ±15…20В, включая аккумуляторные батареи. При питании от дешевых «AC/AC адаптеров» (представляющих собой трансформатор со вторичным напряжением ~13…15В, как это было задумано в оригинале) контакты «1» и «4» со стороны ответной фишки XS1 необходимо соединить вместе. Также на этот разъем выведен звуковой сигнал – для соединения единым кабелем с усилителем мощности и одновременной запитки от блока питания последнего (обратите внимание на иное, по сравнению с «Etherwave», назначение контактов разъема). Еще в стабилизатор добавлены дополнительные конденсаторы C102 и C103, снижающие мультипликативные помехи от проводов питания (из-за изменения проводимости диодов D2 и D3 с частотой 50 Гц в случае питания схемы переменным напряжением). Выключатель питания исключен за ненадобностью – стабильность инструмента обеспечивается только тогда, когда тот постоянно находится «под парами».

Для защиты от разрядов статического электричества («ESD Protection») введены разрядники NE100 и NE101, представляющие собой неоновые лампочки с напряжением зажигания 50…90 В. Из общего опыта эксплуатации выяснилось, что самый чувствительный элемент, который чаще других выходит из строя – это диод D1. Может быть, поэтому емкость конденсатора C12 у Р.Муга была впоследствии уменьшена с 1000 до 100 пФ. Более эффективно работают разрядники, подключаемые непосредственно к антеннам (учтите, что при работе там действуют высокие переменные напряжения), но они вносят дополнительную емкость. Еще более эффективную защиту дают обычные трубки из изоляционных материалов, надетые на антенны.

Конструкция и элементы

Все мелкие компоненты расположены на печатной плате 84 x 40 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, топология которой показана на Рис.7 и 8.


Рисунок 7


Рисунок 8a


Рисунок 8б

Использованы резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206, остальные компоненты монтируются в отверстия. Микросхему U3 целесообразно установить на панельку. Конденсаторы С104, С105 и С106, расположенные в ряд, образуют естественный экран между генераторами. Размещение элементов для варианта Р.Муга (детектор и цепи настройки) показаны на Рис.9.


Рисунок 9

У меня все соединения с платой (антенные катушки и панель управления) выполнены посредством одиночных, двойных и четверных пар штырь-гнездо. Для многовыводных соединений использован шлейф.

В качестве контурных были использованы современные миниатюрные катушки, ферритовый сердечник которых имеет форму гантели, а снаружи наворачивается регулировочная чашечка. Такие катушки могут быть сняты с платы ненужного AM приемника. В моем случае по диапазону изменения индуктивности подошла только одна катушка, остальные были разобраны и перемотаны вручную (около 50 витков тонкого провода). Для контроля диапазона регулирования (50…100 мкГ) используйте любой измеритель RLC. Имейте в виду, что в корпусе катушки может располагаться контурный конденсатор, который следует аккуратно удалить. Также обратите внимание, что более крупные катушки и иная цоколевка потребуют корректировки печатной платы.

Катушки L1-L4 и L7-L10 – самодельные, без сердечника («air core coils»). Не пугайтесь, при наличии даже самого простого намоточного станка их изготовление не так уж трудоемко – намотка самой большой из них у меня заняла 36 минут (засекал специально). Тонкий провод (диаметром около 0,1 мм) можно взять, разобрав какой-нибудь маломощный сетевой трансформатор или реле.

В самом простом случае надо найти жесткую трубку (стержень) из изоляционного материала с наружным диаметром 11…12 мм и на заданной длине намотать требуемое количество витков. Область намотки должна плавно перемещаться от одного конца к другому (допускается делать небольшие возвратно-поступательные движения для лучшего закрепления витков). Но ни в коем случае не надо мотать обмотку слоями или «внавал» сразу по всей длине катушки!

Более продвинутый вариант подразумевает использование секционированного каркаса, который можно подобрать готовый или склеить (выточить) самому. Секционирование позволяет гарантированно равномерно распределить обмотку по длине и, тем самым, улучшить такой паразитный параметр, как собственная резонансная частота катушки. Эта частота должна, как минимум, превышать рабочую частоту схемы, а лучше – в несколько раз, чтобы не принимать ее во внимание при расчетах. В нашем же случае мы очень близко подходим к этому пределу, поэтому для компенсации ее влияния потребовалось немного уменьшить индуктивность (что, впрочем, нам на пользу, так как приходится мотать катушки с меньшим количеством витков). Низкая собственная резонансная частота приводит к деградации чувствительности инструмента, а очень низкая – вообще к невозможности правильной работы схемы.

Увеличение количества секций и снижение толщины перегородок (что крайне желательно) не критичны – на воспроизводимость индуктивности влияет, в основном, длина намотки (расстояние между крайними витками). Для антенн с меньшими размерами (и соответственно – с меньшими статическими емкостями) при сохранении тех же рабочих частот индуктивности потребуется увеличить.

У меня получились такие катушки (каркас был выточен из оргстекла):

  «L1-L4» «L7-L10»
Диаметр каркаса (внутр. диаметр намотки) 11,5 мм
Диаметр провода 0,1 мм
Длина намотки 44 мм 29 мм
Суммарное число витков 3204 1680 (отвод от 340-го витка)
Количество секций 12 8
Получившаяся толщина намотки ≈ 1,5 мм
Получившаяся индуктивность 26,3 мГн 10,7 мГн
Сопротивление постоянному току 340 ом 180 ом
Собственная резонансная частота
(эквивалентная параллельная емкость)
740 кГц
(1,8 пФ)
980 кГц
(2,5 пФ)

Типы остальных компонентов не критичны. Подойдут практически любые современные транзисторы общего применения соответствующей структуры, желательно – с малыми емкостями коллектор-база и рабочими напряжениями не ниже 30 В. Интегральные стабилизаторы U1 и U2 – любые маломощные на 12 В соответствующей полярности, желательно – с малыми допустимыми падениями напряжения. На цоколевку обратите особое внимание, так как возможны варианты. Контурные конденсаторы C1, C5, C14, C15 – с минимальными температурными коэффициентами, а диод D1 – маломощный быстродействующий для поверхностного монтажа, с б?льшим запасом по обратному напряжению. Для потенциометров желательна линейная зависимость сопротивления от угла поворота. На схеме левым положениям движков потенциометров соответствует положение «вывернуто».

Конструкция терменвокса (вид сверху со снятой верхней крышкой), а также размеры антенн показаны на Рис.10. Корпус инструмента должен быть выполнен из диэлектрика, допускается использование дерева (фанеры) и небольших металлических частей (например – панели с органами управления), удаленных от обеих антенн. Антенны могут быть изготовлены из любого проводника, но при сборке (если они съемные) они должны воспроизводить свои первоначальные размеры и положения – из-за привязанности настройки к геометрии. В связи с этим антенну высоты тона не следует делать телескопической.


Рисунок 10

Катушки L1-L4 и L7-L10 желательно установить в непосредственной близости от антенн, чтобы уменьшить долю емкости соединяющих проводников в общей емкости антенны. У Муга было сделано наоборот – емкость проводника искусственно увеличивалась подкладыванием под него заземленного куска фольги. Этим самым снижалась чувствительность, а путем отодвигания или приближения проводника можно было производить дополнительную настройку.

Ось катушки L7-L10 должна быть направлена в центр катушки L1-L4 – для минимизации влияния магнитных полей катушек друг на друга. Провода и прочие металлические части располагайте подальше от антенн и катушек – чтобы уменьшить их влияние на настройку и для большего охвата музыканта электрическим полем. Гибкие провода лучше зафиксировать каплями клея, который не даст им менять свое положение в процессе эксплуатации – из-за этого может «поплыть» настройка.

На нижней стенке (дне) расположены разъем XS1 и узел крепления стойки (треноги). В верхней стенке корпуса (крышке) напротив катушек L5, L6 и L11 просверлите три небольших отверстия под регулировочный инструмент – для финальной настройки с уже установленной верхней крышкой. Способы крепления элементов целиком зависят от ваших возможностей. Для платы и катушек (последние прижимаются планками, вырезанными из нефольгированного стеклотекстолита) я использовал металлические винты М3, которые вворачиваются в текстолитовые стойки, предварительно вклеенные в корпус.


Рисунок 11

На Рис.11 приведено фото инструмента со снятой верхней крышкой. Угол наклона плоскости составляет около 30о. Для антенн использовалась медная трубка диаметром 8 мм. Антенна громкости сделана раскладной (установлена на шарнирах), а антенна высоты тона – съемной. Это удобно для транспортировки. Металлические части антенн, проходящие сквозь деревянные стенки, закреплены с помощью эпоксидной смолы, выполняющей также роль дополнительного изолятора (толщина шва составляет около 1 мм). Внутрь инструмента у меня дополнительно установлена плата выходного усилителя для головных телефонов (здесь не рассматривается и может быть выполнен по любой схеме), а на переднюю стенку выведен ее регулятор громкости и соответствующее гнездо. Пользу этого оценят, в первую очередь, окружающие и соседи.

Настройка.

Настройка состоит из двух стадий – проверки работоспособности узлов (включая контроль пределов регулирования частот генераторов), и точной настройки. Потребуется осциллограф и (по возможности) – щуп с малой входной емкостью (например – делитель 1:10, который можно сделать самостоятельно).

Проверка работоспособности проводится без антенн и антенных катушек.

Сначала подайте питание ±15…20В на плату – на выходе стабилизаторов U1 и U2 должны появиться напряжения +12В и –12В соответственно (первое включение производите без микросхемы U3).

Поочередно подключая щуп осциллографа к катушкам L5, L6 и L11 («земля» осциллографа – на «0» питания), проверьте на них наличие синусоидального напряжения размахом не ниже 24В и «средней линией» на уровне напряжения питания (чуть ниже +12В). Меняя положения подстроечников, убедитесь, что частоты генераторов (опорного и перестраиваемого) меняются в диапазоне 280…380 кГц, а частота генератора громкости – в диапазоне 430…580 кГц. Также убедитесь, что «цепи настройки», если вы их уже подключили, дают перестройку более чем на 2 кГц (на осциллографе, если он не оборудован функцией измерения частоты, это будет едва заметно).

Установив частоты опорного и перестраиваемого генераторов близкими друг другу, проверьте в контрольной точке «TP6» форму звукового сигнала, близкую к показанной на Рис.5. Попытки получить нулевые биения будут затруднены из-за высокой чувствительности генераторов к малейшим движениям подстроечников.

Установив произвольно частоту биений (100Гц…5кГц), переходим к тестированию канала громкости (т.е. проверяем работоспособность микросхемы U3).

Подавая на клемму «TP4» отрицательное напряжение от 0 до –12В (например, с движка потенциометра P1, который временно используем для этой цели), наблюдаем за ростом напряжения в контрольной точке «TP5» (или на контакте 5 разъема XS1) от –11,5В до 0 В и выше. Рост должен начинаться не сразу, а только после того, как тестовое напряжение достигнет отметки –4В (или около того). Если напряжение начнет расти слишком поздно и не дойдет до положительной области, то можно попробовать немного увеличить номинал резистора R36 (с 1М до 1,5…2М). Этим самым проверяется работоспособность усилителя U3.2.

Вторая «половинка» микросхемы, U3.1, должна обеспечивать прохождение звукового сигнала с ножки 2 на ножку 8 микросхемы или его ослабление в зависимости от того, какой ток втекает на ножку 1. Если напряжение на контрольной точке «TP5» близко к –11,5В, то управляющий ток нулевой, и микросхема должна быть полностью закрыта. По мере роста напряжения до 0 и выше (смотри предыдущий шаг), микросхема открывается, и на ее выходе должен появиться звуковой сигнал (потенциометры P3 и P4 для этого теста должны быть в левых, по схеме, положениях).

Для быстрой проверки работоспособности (а также для принудительного открытия управляемого усилителя, что удобно для последующей настройки) можно соединять точку «TP5» с общим проводом («токовый» выход микросхемы позволяет это делать безболезненно).

И напоследок, проверяем действие регулировок «WAVEFORM» и «BRIGHTNESS». При исходных (левых) положениях потенциометров P3 и P4 сигнал со смесителя должен почти в первозданном виде передаваться на выход инструмента. Перевод потенциометра P3 в правое положение должен приводить к округлению верхней части сигнала («приплюснутости» вершин), а перевод P4 – к приближению сигнала к прямоугольной форме. Если P4 установлен в правое положение, то скважность этого псевдопрямоугольного сигнала будет регулироваться потенциометром P3 (от меандра до очень узких импульсов).

К точной настройке отнеситесь внимательно – она задает все игровые качества инструмента. Ее цель – подогнать частоты генераторов под получившиеся характеристики антенн и антенных катушек. Ведь наверняка у вас что-то будет отличаться – вот здесь-то и понадобится широкий диапазон перестройки генераторов.

В схеме всего три регулировки – подстроечники катушек L5, L6 и L11. Вращая шлицы по часовой стрелке, мы надвигаем ферритовые чашечки на катушки, увеличиваем индуктивности и понижаем частоту генераторов. Использовать отвертку с пластмассовым жалом особого смысла нет – на частоту генераторов все равно будут влиять ваши руки. Настраивать ли канал громкости первым – значения не имеет.

Подключите антенные цепи, полностью соберите инструмент (включая верхнюю крышку), установите его в рабочее положение (на микрофонную стойку или треножник), освободите пространство вблизи антенн в районе около метра. Также установите регуляторы «Volume» и «Pitch» в среднее положение.

Целью настройки генератора канала громкости является установка его частоты на частоту резонанса антенной цепи. Грубую настройку можно произвести осциллографом (на максимуме чувствительности), приблизив и зафиксировав щуп недалеко от антенны громкости, и добиваясь подстроечником катушки максимума наведенного напряжения. Если «поймать» резонанс не удается, то это означает, что параметры антенной цепи лежат за пределами области регулирования (исправляется изменением геометрических размеров антенны, либо изменением индуктивности антенной катушки – введением внутрь небольшого ферритового сердечника или отмоткой витков).

Далее за резонансом следят, контролируя напряжение на контакте 5 разъема XS1 (сюда выведено контрольное напряжение). По мере приближения к резонансу, потенциал в этой точке будет расти от –11,5В до нуля и выше. Одновременно (если подключен звуковой усилитель) послышится усиливающийся по громкости тон. Если теперь поднести руку к антенне, то громкость должна уменьшиться, а напряжение в контрольной точке – вернуться к –11,5В. Сделав несколько пробных попыток, рекомендуется немного не дойти до резонанса со стороны высоких частот и остановиться, когда контрольное напряжение пересечет нулевую отметку. В этом случае приближение руки на расстояние 5..7 см к антенне должно вызывать полное заглушение инструмента, а зона регулирования будет иметь комфортную протяженность.

В канале высоты тона первым настраивают перестраиваемый генератор. Цель та же – «поймать» резонанс антенной цепи. Именно при такой настройке обеспечивается получение максимальной чувствительности инструмента и его линейности. Частоту генератора следует затем установить немного выше – для большей стабильности (вспомните про «двухгорбость» и «перескоки» частоты).

Трудностей тут две – как дистанционно контролировать наступление резонанса и определить, на «правильном» ли пике генерирует схема?

Один из предлагавшихся способов заключается во временном ослаблении связи антенной цепи с генератором посредством высокоомного резистора 100…200к (связь ослабляется – горбы «совмещаются») и дальнейшем поиске резонанса по минимуму (!) напряжения в этой точке (т.е. на входе антенной цепи). Для этого на плате предусмотрен резистор R100 и джампер J100, который снимается при настройке. Освободившийся штырек джампера – тот, что расположен ближе к клемме «PA» – используется для контроля напряжения. Старт настройки со стороны высоких частот (подстроечник вывернут) гарантирует начальную генерацию на «правильном» пике. После нахождения резонанса следует отойти в сторону высокой частоты (вывернуть подстроечник), что, по идее, должно обеспечивать корректную работы схемы во всем диапазоне инструмента (отсутствие скачков частоты при работе). Недостатком способа является влияние емкости кабеля и прибора на настройку, а также неопределенность при выборе величины этого «отхода».

К точке разделения можно и не подключаться, а поднести щуп осциллографа к антенне на такое расстояние, чтобы на фоне шумов и прочих наводок стал бы виден сигнал генератора (антенну громкости следует временно снять или закоротить на общий провод – чтобы не давала дополнительную наводку). Поиск в этом случае ведется по максимуму напряжения. Джампер после настройки не забудьте вернуть на прежнее место!

И, наконец, третий вариант настройки (без манипуляций на антенных цепях) – аналогичен варианту с поднесением щупа, но сначала надо произвести грубую настройку (по росту напряжения), а затем точную – по скачку частоты. Скачок на экрне осциллографа проявляется в виде небольшого, но резкого изменения амплитуды сигнала на фоне плавного прохождения через область резонанса. Скачок можно контролировать и на слух, если подстраивать второй (опорный) генератор так, чтобы частота биений всегда была бы в звуковом диапазоне (канал громкости принудительно включается перемычкой между контактами 2 и 5 разъема XS1, о чем говорилось выше).

Если максимум напряжения не находится, то это означает (как и в случае с каналом громкости), что параметры антенной цепи лежат за пределами диапазона перестройки генератора. В области максимума будут фиксироваться два скачка частоты – один при движении со стороны высоких частот, т.е. когда сердечник вворачивается (это соответствует переходу на «неправильный» пик), а другой – при возврате (переход на «правильный» пик). На возвратном движении и надо остановиться, пройдя даже немного далее – для создания запаса по устойчивости. Но это не означает, что мы получили идеальную настройку – на практике можно еще сильнее вывернуть подстроечник, в результате чего диапазона инструмента сузится, а музыкальная шкала получится более растянутой. Все это определяется предпочтениями музыканта.

Последним настраивается опорный генератор – при среднем положении регулятора «Pitch» нужно установить биения, близкие к нулевым. Из-за остроты настройки сделать это не особо-то и получится, поэтому остановитесь на десятках герц – остальное «вытянет» регулятор.

Поупражнявшись в настройке, вы быстро обнаружите, что она «уезжает», стоит только убрать руки из зоны регулирования. Ручками «Volume» и «Pitch» иногда можно поправить ситуацию, но, скорее всего, потребуется сделать несколько попыток.

В последующем, при изменении температуры, окружающей обстановки, начального положения музыканта, регулировка должна осуществляться только ручками «Volume» (установка максимальной громкости при отведенной руке) и «Pitch» (установка зоны нулевых биений при отведенной руке).

Итак, мы убедились, что создание идеального терменвокса – задача не такая тривиальная, как это кажется на первый взгляд. При изучении работы, казалось бы, простейших узлов можно залезть в глубокие дебри. В частности, при изучении вопроса «о собственной емкости катушек» вскрывается целый пласт заблуждений, в которых пребывает 95% технически подкованных людей, включая даже авторов солидных монографий. Также до сих пор не проработан вопрос о модели взаимодействия рук и тела музыканта с антенной, а вывод функциональных зависимостей находится на уровне фразы «представим, что человек – это сфера…».

Для себя я сделал такие выводы:
1. Все это полезно, т.к. помогает развиваться.
2. Ферритовые сердечники (в области, где счет идет на единицы герц) – зло. Самое слабое звено в температурной нестабильности, которому слабо помогает даже «коррелированный температурный дрейф» двух генераторов. Производители катушек замалчивают их температурные коэффициенты.
3. Ферритовые сердечники – еще большее зло, так как их магнитная проницаемость зависит от внешних магнитных полей. Например, магнит поднесенного громкоговорителя сбивает настройку, а близкорасположенный сетевой трансформатор модулирует индуктивность.
4. Ферритовые сердечники в стальном экране – вообще зло в кубе, поскольку «хранят» историю намагничиваний, а возврат к первоначальной магнитной «обстановке» не гарантирует сохранения настройки (например, магнит поднес и удалил, а настройка «уехала» навсегда).
5. Схема Муга (по своей сути), пожалуй, – лучшее, что придумано на сегодняшний день, хотя она и сложнее в настройке. Из-за п.п.2–4 нуждается в катушках без сердечника («air core coils») , если не будут придуманы сверхстабильные ферриты.
6. Терменвокс достойно пополняет ряд классических музыкальных инструментов, поскольку на нем, как это ни странно, все-таки надо уметь играть, а также – периодически настраивать и даже «лечить» от таких виолончельных болезней, как «волчий тон» (имеющий аналогичную природу возникновения).

Литература:

[1] R.Moog. Build the EM Theremin. – Electronic Musician February 1996 .
[2] Асеев П.Б. Колебательные цепи – М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1955
[3] И. Симонов, А. Шиванов. Терменвокс. – Радио, 1964, №10, c.36.
[4] Е. Бондаренко. Терменвокс на транзисторах. – Радио, 1965, №10, c.33
[5] Л. Королёв. И снова терменвокс. – Радио, 1972, №9, c.17.

Дополнительные материалы:

PCB.zip (43 кБ) – топология печатной платы в формате Sprint Layout 4.0.


Галерея


Общий вид


Печатная плата со стороны катушек


Печатная плата со стороны SMD компонентов

antiradio.narod.ru/theremin/etherway
Дата создания документа: 12.01.2017. Последнее обновление: 12.01.2017.