Терменвокс «Paradox»

(исходный вариант статьи «Радио», 2018, №№ 06, 07, с.47–50. Обратите внимание на другие позиционные обозначения элементов!)

И.Мамонтов

В этом терменвоксе используется классический (гетеродинный) принцип звукообразования. В инструменте только два высокочастотных генератора, а канал громкости работает на частоте, кратной частоте канала высоты тона. Это позволяет упростить схему и избавиться от посторонних призвуков. Трудоемкость изготовления катушек снижена за счет меньшего числа витков (используются более высокие рабочие частоты).


Название «Paradox» этот терменвокс получил из-за использования нетрадиционных технических решений, которые в силу различных причин считались нежизнеспособными. Также в данной конструкции оценивалась возможность применения микросхемы телевизионного усилителя мощности AN5265 в качестве управляемого усилителя – вместо популярной микросхемы LM13600/ LM13700, используемой в Etherwave и его клонах. Это позволило не только отказаться от внешнего усилителя мощности и отдельного усилителя для головных телефонов, но и обойтись однополярным питанием +12В.

Теперь о принципах, не прижившихся в терменостроении. Сразу подчеркну, что сказанное относится к аналоговым терменвоксам с классическим принципом звукообразования – гетеродинированием в канале высоты тона и возбуждением резонансного контура в канале громкости (начало которым положил, а впоследствии и следовал Л.С.Термен).

1. Использование частот мегагерцового диапазона.

Почти все терменвоксы использует рабочие частоты до нескольких сотен килогерц. Казалось бы [1], более высокая частота способствует повышению чувствительности инструмента к перемещению руки (особенно необходимой в дальней зоне антенны). Вдобавок, на таких частотах требуются катушки с меньшей индуктивностью (числом витков), что благоприятно сказывается на цене, расширяет возможность выбора готовых изделий и снижает трудоемкость при их ручном изготовлении.

Но на практике такие терменвоксы получаются менее стабильными (с большим дрейфом «виртуального грифа»), а их музыкальная шкала – менее линейной.

2. Общий опорный генератор для каналов высоты тона и громкости.

Это не только упрощает электрическую схему, но и снижает риск появления посторонних призвуков. Призвуки образуются из-за проникновения сигнала от третьего генератора (канала громкости) в основной канал, что приводит к появлению новых разностных (комбинационных) частот. Основной путь проникновения – через связь антенна-антенна, от которой никуда не деться.

На тему общего генератора есть даже патент [2], который, по сути, является мертворожденным, поскольку автор не учел того факта, что антенны, работая на одной частоте, становятся чувствительными к положению «противоположной» руки. Это приводит к непредсказуемым эффектам изменения высоты тона и громкости, что осложняет музыкантам жизнь. Не случайно в терменвоксах делается разнос частот – это вынужденная мера, призванная заставить каждую антенну реагировать только на «свою» руку».

С единым опорным генератором общая настройка инструмента может усложниться, особенно если терменвокс имеет так называемую «линеаризующую катушку».

3. «Нижнее» положение канала громкости.

Считается, что если частота канала громкости будет ниже частоты канала разностного тона, то увеличивается вероятность взаимодействия ее гармоник с каналом разностного тона, что приведет к нежелательным разностным (комбинационным) частотам. Также «нижнее» положение означает использование многовитковой (т.е. более дорогой) катушки.

В связи с этим канал громкости принято делать более высокочастотным. Но здесь может проявиться такой нежелательный эффект. Если касание антенны высоты тона – это редкость (просто в этом нет необходимости), то касание антенны громкости – обычное явление. Чтобы держать паузу, нужно приблизить руку к антенне, а чтобы сделать это наверняка – музыкант фактически кладет на нее кисть. Дополнительно это дает отдых руке. В процессе касания емкость антенны увеличивается настолько, что в какой-то момент резонансная цепь оказывается настроенной на частоту другой антенны, и в ней наводится ощутимое напряжение. Схема детектора, не делая различий, приоткрывает в этот момент аудио тракт, и на выход инструмента поступает звуковой сигнал. Сделав частоту канала громкости ниже, мы могли бы исключить это явление. Использование же высоких частот (согласно п.1) решает проблему многовитковости.

Как же без ущерба реализовать все положительные качества этих вариантов? Узкие рамки статьи не позволяют дать подробный анализ, поэтому приведу здесь ключевые моменты.

Важную роль играет знание закона зависимости наведенной емкости от расстояния руки до антенны. До сих пор этот вопрос теоретически не проработан, поэтому для исследования реальных зависимостей я сделал роботизированный комплекс на базе упрощенной модели руки и ее движения по дуге. Полученные экспериментальные данные (см. Рис.1) дали интересную картину – при удалении руки от антенны все графики, независимо от длины и диаметра антенны (а также – формы кисти руки), переходят в прямые линии, имеющие одинаковый наклон. Меняется только смещение графиков и характер зоны перегиба – плавный или резкий. Обратите внимание, что наведенная емкость Сруки (вклад руки в емкость антенны) отложена в логарифмическом масштабе.

Можно показать математически, что такая линейная зависимость (логарифма емкости от расстояния) будет означать линейную зависимость высоты разностного тона при условии, что точка нулевых биений будет выбрана на бесконечно большом удалении от антенны. Сама природа как бы постаралась дать нам в руки «идеальную шкалу». Но – ценой расположения басовых нот на значительном удалении от антенны. Музыкантам же надо иметь басовые ноты в пределах доступности (выставлять точку нулевых биений при отведенной руке на расстоянии около 50 см от антенны), а это приводит к «загибу» звуковысотной характеристики в сторону сгущения нот, т.е. к нелинейности в басовой области.


Рисунок 1

Для примера на Рис.2 (черная кривая) показаны результаты моделирования терменвокса Л.С.Королева [3] на основе полученных экспериментальных данных. Для моделирования были использованы такие значения:

– диаметр антенны 7 мм,
– длина антенны 50 см (статическая емкость антенны при этом будет около 5,8 пФ),
– индуктивность катушки контура 115 мГн,
– дополнительная емкость (емкость монтажа плюс прочие паразитные/эквивалентные емкости) 16 пФ.

Все это дает частоту перестраиваемого генератора около 100 кГц. С помощью отстройки фиксированного генератора точка нулевых биений установлена на расстоянии 50 см от антенны. Эффект синхронизации генераторов при сближении частот не учитывается. На графике по вертикали отложены октавы, метки соответствуют нотам «до». Обозначению «C0» соответствует частота 16,35 Гц (используется стандартная нотация MIDI). Нота «ля»1-ой октавы, имеющая частоту 440 Гц (обозначается как «A4»), находится между линиями «C4» и «C5». Направление оси для положения руки выбрано противоположное – справа налево, поскольку в этом направлении рука удаляется от антенны по технике «горизонтальная дуга» при игре на нормальном («праворуком») терменвоксе. Сделано это для наглядности.


Рисунок 2

Как видно, кривая имеет два перегиба. Нижний соответствует приближению руки к точке нулевых биений. Верхний – это катастрофическое увеличение емкости при резком приближении к антенне. Нижний перегиб можно исключить, если бесконечно удалить точку нулевых биений. Верхний можно только уменьшить, применяя длинные антенны или линеаризующие катушки (последнее дает больший эффект).

Средняя часть является областью комфортной игры. В связи с широким распространением техники «пальцевых жестов» понятие «линейный гриф» теперь соотносят с тем, чтобы одинаковые движения пальцев приводили к одинаковым смещениям тона, независимо от того, на каком расстоянии находится рука. Не факт, что такому поведению будет соответствовать прямая линия на Рис.2 («одна октава на каждые 8 см длины»). Но поскольку данный вопрос еще мало изучен, я пока буду придерживаться старого критерия.

Что же произойдет, если мы попытаемся снизить количество витков антенной катушки (увеличить рабочую частоту генераторов)? Ответ простой: график сместится вверх (красная кривая, соответствующая уменьшению индуктивности до 0,5 мГн). Средняя часть теперь будет соответствовать очень высоким звукам, а наиболее употребительные ноты (от «C2» до «C6») попадут на «загиб» характеристики. Другими словами, зона комфортной игры перестанет соответствовать диапазону большинства музыкальных произведений (тесситуре).

Как же поступают в этом случае? Не мудрствуя лукаво, конструкторы, увеличивают емкость контурного конденсатора. Этот случай представлен голубой кривой, соответствующей увеличению емкости до 130 пФ. Кривая возвращается на прежнее место, используется катушка с меньшим числом витков и... ухудшается стабильность! Судите сами – относительная стабильность контура осталась та же (так как характеристики элементов, входящие в ее состав, скажем так – не изменились), а вот частота стала в 6 раз выше (600 кГц против исходных 100 кГц). Это даст в 6 раз больший абсолютный уход частоты. Но ведь, как известно, именно абсолютное отклонение определяет разностную (звуковую) частоту. К слову сказать, для красной кривой эта стабильность будет еще хуже (в 15 раз по сравнению с исходной, т.к рабочая частота здесь выросла со 100 до 1500 кГц).

Для исправления ситуации я предлагаю использовать другой способ – понижать частоту с помощью счетчиков-делителей (зеленая кривая).

Здесь возможны два варианта – вначале можно поделить сигналы от каждого из генераторов и затем подать их на смеситель, а можно поступить наоборот – сначала получить разностную (звуковую) частоту и уже потом ее поделить. В первом случае потребуются два счетчика, во втором – преобразователь звукового сигнал в прямоугольный с логическими уровнями и дополнительные меры по повышению качества сигнала (остатки высокочастотных составляющих приводят к «дрожанию» фронтов). Оба варианта дают выигрыш – сохранение стабильности инструмента при уменьшении количества витков у катушек.

Первый вариант помогает еще естественным образом (счетчики выполняют роль буферных элементов) развязать генераторы друг от друга и тем самым избежать нежелательных явлений по «затягиванию частоты» и синхронизации. Кроме того, применение двоичных счетчиков с выходами от промежуточных ступеней деления позволяет простым способом создать разнос частот. Например, выход деления на два можно использовать для возбуждения контура канала громкости.

Именно так и построен «Pаradox», схема которого показана на Рис.3.


Рисунок 3

Генераторы – опорный и перестраиваемый – выполнены на транзисторах Q1 и Q2 и работают на частоте около 1,6 МГц. В их основе лежит так называемая схема Клаппа, отличительная особенность которой – наличие конденсатора C2 (C7) довольно малой емкости. Это дает несколько важных преимуществ. Первое – из-за пониженной связи колебательного контура с управляющим транзистором достигается бoльшая стабильность частоты генератора. Второе – повышается напряжение на катушке (антенне), что снижает восприимчивость генератора к неблагоприятной электромагнитной обстановке (за счет повышения соотношения сигнал/помеха). И третье, самое важное преимущество – обеспечивается требование того, чтобы емкость колебательного контура состояла бы, по возможности, только из емкости антенны. В нашем случае к емкости антенны WA1 добавляется небольшая емкость, состоящая из последовательно соединенных конденсаторов C7, C8 и C9 (что в сумме меньше 10 пФ), необходимых для генерации. Конденсатор C6 служит для оперативной регулировки – установки положения точки нулевых биений в зависимости от конкретной окружающей обстановки.

Такая схема генераторов была предложена Эриком Волленом (Eric David Wallin), энтузиастом-разработчиком цифровых узлов для терменвокса, включая мультиядерный процессор «HIVE», специально для использования в качестве чувствительного элемента. У схемы малый рабочий ток (означающий низкий самопрогрев, а значит – низкий температурный дрейф), а переменное напряжение на выходе достаточно для непосредственного подключения КМОП логики. При желании вы можете поэкспериментировать с другими генераторами. Например, схемы Королева [3, 4] также удовлетворяют условию минимума емкостей, но построены на полевых транзисторах, которые имеют бoльший разброс параметров и склонность к повреждению от статического электричества. Цепи R2C5 и R6C10 дополнительно развязывают генераторы по питанию.

Канал высоты тона состоит из счетчиков-делителей U1.1 и U1.2, смесителя на резисторах R9...R16, фильтра НЧ C16L4C17, детектора D3 и регулятора громкости R25.

Счетчики понижают частоту до 100 кГц. Диапазон (регистр инструмента) можно менять выключателями S1...S4 от «сопрано» до «баса». Независимость фиксации позволяет использовать комбинации, что расширяет тембровые возможности. Нечто аналогичное, но с использованием перестраиваемого полосового фильтра (или банка фильтров), применялось в некоторых ламповых терменвоксах и схемах Л.Королева [5, 6].

О фильтре НЧ с частотой среза в несколько сотен килогерц (элементы C16L4C17) следует сказать особо. Это – «серый кардинал», определяющий качество звучания инструмента. Его задача – отсечь все высшие гармоники высокочастотных сигналов перед их подачей на нелинейный элемент-смеситель (диод D3). Для нашего случая это особенно важно, ведь прямоугольные сигналы с выходов счетчиков имеют далеко простирающийся спектр. Эти гармоники, взятые попарно, дают разностные частоты, которые находятся в строгом гармоническом соответствии с основным разностным тоном и просто обогащают его спектр. Но, начиная с некоторого номера, разностные частоты будут давать пары гармоник не с одноименными, а с соседними номерами. И здесь гармонического соответствия уже не будет!

Ситуацию наглядно демонстрирует Рис.4 (здесь все гармоники условно показаны одинаковыми по амплитуде). Результатом является «пластмассовое звучание» и появление посторонних призвуков. Особенно этим грешат так называемые «цифровые»терменвоксы», роль «смесителя» в которых выполняет логический элемент «AND», «OR» или «XOR» («исключающее ИЛИ»). Отфильтровать негармоничные призвуки после такого смесителя принципиально невозможно.


Рисунок 4

Даже подавленные фильтром, высшие гармоники все равно будут «восстанавливаться» на нелинейности диода D3, но их уровень получится несоизмеримо ниже. Идеально здесь работает только математический перемножитель со строго синусоидальными сигналами на входах. «Перемножителем» может быть и квадратичный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, но он не идеален. С помощью резистора R23 задается оптимальная рабочая точка диода.

Выбор фильтра с фиксированной частотой среза около 300 кГц является компромиссом, связанным со стремлением упростить конструкцию. У прямоугольных сигналов 100 кГц такой фильтр пропускает только 1-ю и 3-ю гармонику (2-я отсутствует из-за скважности, равной двум), для сигналов 200, 400 и 800 кГц – только основной тон. В двух последних случаях сигнал ослабляется. При желании частоту среза можно выбрать другой или сделать переключаемой.

Формы звукового сигнала на выходе детектора при включенных по отдельности переключателях S4, S3 или S2 показаны на Рис. 5б, и соответственно. Сигнал от выключателя S1 приходит с еще меньшей амплитудой (по сравнению с Рис.5г) и годен лишь для добавления слабого призвука. Комбинации положений выключателей дадут другие формы сигнала – по принципу сложения.

На Рис.5а для справки показан сигнал на выходах высокочастотных генераторов – резисторах R3 и R7.


Рисунок 5 а, б, в, г

С детектора звуковой сигнал подается на регулятор громкости R25, а после него – на управляемый усилитель U2. Цепочка R26C20 ослабляет высокочастотные составляющие. В разрыве сигнальной цепи стоит разъем XS1 – для подключения дополнительных модулей формирования тембра. При их отсутствии контакты 1 и 2 разъема надо соединить перемычкой J2.

Канал громкости начинается с буферного каскада, выполненного на комплементарных транзисторах Q3 и Q4 и образующих эмиттерный повторитель. Этот каскад возбуждает резонансную цепь, состоящую из индуктивности L3 и емкости антенны WA2 (образующих последовательный колебательный контур). Сигнал возбуждения приходит с вывода 11 счетчика U1.1 и представляет собой частоту опорного генератора, поделенную на два (800 кГц). На эту частоту и должен быть настроен контур при отведенной руке. Конденсатор C12 служит для оперативной настройки антенны под конкретную окружающую обстановку. Диоды D1 и D2 защищают транзисторы от разрядов статического электричества, которые могут возникнуть при касании антенны рукой. Появлению потенциала на теле человека способствуют низкая влажность воздуха, синтетическая одежда и постоянное движение.

В момент резонанса ток в контуре увеличивается, и на катушке возникает значительное напряжение. В классических терменвоксах это напряжение снимается с части витков или с дополнительной обмотки связи – так удобнее уменьшать нагрузку на контур (чтобы повысить его добротность) и делать согласование с последующими каскадами. Но конструкция катушки при этом усложняется.

Я попробовал обойтись простой катушкой. Для этого в цепь питания буферного каскада был добавлен низкоомный резистор R18, через который протекает ток «накачки» колебательного контура. Этот ток носит импульсный характер, а его амплитуда пропорциональна степени резонанса контура. Использование двухтактной схемы (вместо традиционного эмиттерного повторителя) позволяет уменьшить долю дополнительных токов и тем самым увеличить кратность изменения тока «накачки».

Детектор импульсов собран на транзисторе Q5. Импульсы коллекторного тока, пропорциональные импульсам напряжения на резисторе R18, заряжают конденсатор C14 до некоторого напряжения. Это напряжение меняется от почти 12 В (при полном резонансе в контуре) до 0 В (при приближении руки). Соотношение сопротивлений резисторов R20 и R21 задает коэффициент преобразования, а резистор R22 немного подпирает каскад, гарантируя ноль на выходе при малой амплитуде импульсов на резисторе R18.

Из-за непредсказуемости получающейся добротности контура номиналы элементов трудно поддаются расчету и оптимизации. Компьютерное моделирование дает лишь общее представление о том, в каком направлении надо двигаться. Поэтому в схему был добавлен резистор R19, ограничивающий ток «накачки» и немного стабилизирующий (уменьшающий) добротность, а резистор R18 сделан подстроечным.

В качестве управляемого усилителя была использована микросхема AN5265, которую можно встретить в телевизорах с электронно-лучевой трубкой. Выбор такой микросхемы позволяет:

– умощнить выход инструмента (подключать не только головные телефоны, но и динамическую головку);
– получить широкий диапазон регулирования (микросхема специально «заточена» под эту задачу, а ее характеристика регулирования имеет логарифмическую зависимость);
– в отличие от такой популярной микросхемы, как LM13600, ей требуется однополярное питание.

Схема включения микросхемы использована типовая: звуковой сигнал подается на вывод 2, управляющее напряжение – на вывод 4, а с ножки 8 снимается выходное напряжение. Соединяя тумблером S5 вывод 3 («Mute») с питанием +12В, можно заглушить звуковой тракт.

В сети интернет я не нашел характеристик регулирования этой микросхемы. По табличным параметрам можно только сделать вывод о том, что на вывод 4 подается напряжение от 0 до 12 В, а максимальный коэффициент усиления составляет 30 дБ. Снятая специально характеристика регулирования показана на Рис.6. Как видно, область регулирования простирается от 1 В до 12 В, имея в самом начале более крутой участок (от 1 до 2 В). По субъективным ощущениям, управление громкостью инструмента получается достаточно комфортным.


Рисунок 6

Попутно обнаружилась одна неприятная особенность этой микросхемы. При соединении выводов 1 и 9 к единому источнику питания усиливаемый сигнал искажался, а микросхема сильно нагревалась даже без нагрузки. Исследование показало возникновение самовозбуждения в такт с сигналом, которое не пропадало полностью даже при его отсутствии. Метод проб и ошибок привел к необходимости установки развязывающей цепочки R27C25 (на схеме показаны минимальные значения номиналов). Также выявилась большая чувствительность вывода 1 к качеству питания, поэтому подключение дополнительных потребителей к этой точке крайне нежелательно.

Кроме того, микросхема довольно широкополосна – любые высокочастотные составляющие сигнала не только просачиваются на выход, но и приводят к ее нагреву. В связи с этим требуется дополнительная фильтрация входного сигнала (цепь R26C20).

К слову о нагреве. При работе на телефоны температура корпуса микросхемы не превышает 45°С – в этом случае теплоотвод ей не нужен. Если предполагается подключение динамической головки, то потребуется радиатор с площадью поверхности не менее 20 см2.

Встроенная динамическая головка BA1 отключается тумблером S6. Вместо нее можно подключить внешний громкоговоритель, располагать который лучше сзади на расстоянии 1...2 м на уровне головы (с этого направления обеспечивается наилучшая чувствительность уха, ведь в силу специфики инструмента исполнителю надо начинать слышать себя раньше, чем это будет делать публика).

Напряжение для питания высокочастотной части схемы (+9 В) берется с интегрального стабилизатора U3, а общее питание – от внешнего стабилизированного источника питания напряжением +12...15 В (им может быть аккумуляторная батарея). Потребляемый ток при работе на головные телефоны колеблется от 50 до 70 мА. При использовании 8-омной динамической головки источник должен обеспечивать ток не ниже 1 А. Индикация включения обеспечивается двухцветным светодиодом HL1: рабочему состоянию соответствует зеленый цвет, состоянию с заглушенным звуком («Mute») – красный. К контактам 8 и 9 платы можно подключить дополнительный светодиод-индикатор.

Контактный ряд XS1 служит для подключения дополнительных тембровых модулей. Если модулей нет, между контактами 1 и 2 надо установить перемычку (джампер J2). Снятие джампера J1 отключает канал громкости и переводит микросхему в режим максимального усиления (при этом вход 4 подтягивается внутренними цепями микросхемы к источнику питания +12В). Это бывает полезно при настройке инструмента.

Разъем XS2 – универсальный. Через него может подаваться питание и сниматься сигналы, включая сигнал на внешнюю динамическую головку. Разъемы XS3 и XS4 – для подключения головных телефонов и питания.

Конструкция и элементы

Все мелкие компоненты расположены на печатной плате размерами 84 x 40 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, топология которой показана на Рис. 7 и 8. В процессе отладки плата «перекраивалась» – пришлось ставить дополнительные перемычки.

Использованы резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Могут быть установлены и компоненты типоразмера 0806, если обеспечить их точное совмещение с контактными площадками. Остальные компоненты (кроме диодов, транзисторов и индуктивности L4) монтируются в отверстия. Для связи платы с «внешним миром» используются ряды со штыревые контактами.


Рисунок 7


Рисунок 8a


Рисунок 8б

Как и в [7], в качестве контурных были использованы современные миниатюрные катушки с ферритовыми сердечниками в форме гантели, снаружи которых наворачивается регулировочная чашечка. Я не стал искать готовые катушки, а перемотал снятые с ненужного AM приемника (встроенные в них конденсаторы надо отпаять или аккуратно разрушить):

L2 – имела маркировку «T791 14ZD Mitsumi» и перестраиваемую индуктивность в диапазоне 560...900 мкГн. После отмотки 35 витков диапазон перестройки составил 340...490 мкГн;
L1 – имела маркировку «T790 15YD Mitsumi» и перестраиваемую индуктивность тоже 560...900 мкГн. После отмотки 35 витков диапазон перестройки составил 260...460 мкГн. Получилось немного меньше, чем у L2, но это можно компенсировать увеличением контурной емкости;
L3 – имела маркировку «M1710A» и перестраиваемую индуктивность 30...60 мГн (по самой большой обмотке). Ее пришлось перемотать полностью для получения диапазона 2,7...5,5 мГн (тем же проводом – чтобы обмотка гарантированно поместилась на сердечнике).

Была измерена собственная резонансная частота (для четвертьволнового резонанса) получившейся катушки L3 – она составила 1,45 МГц при полностью вывернутом подстроечнике. Очень неплохой результат, учитывая рабочую частоту 800 кГц и метод намотки «как получится».

Подытоживая результаты, можно рекомендовать такие намоточные данные:

  «L1, L2» «L3»
Сердечник «T79х Mitsumi» или похожий «M1710A» или похожий от катушек с большой индуктивностью
Внутренний диаметр «гантели» 2,1 мм 1,6 мм
Высота «гантели» (длина намотки) 2 мм 2,8 мм
Диаметр провода 0,08 мм 0,06 мм
Число витков 135 240 (мотается от вывода, подключаемого к C11)
Диапазон перестройки 390...560 мкГн 2,7...5,5 мГн

Если сердечник неизвестный, то можно вначале намотать пробную обмотку, измерить ее индуктивность и увеличить количество витков во столько раз, во сколько раз надо увеличить получившуюся индуктивность, взяв из этой величины квадратный корень (например, если индуктивность требуется увеличить в 2 раза, то количество витков увеличивается в 1,41 раза). Перед изготовлением печатной платы убедитесь в совпадении посадочных мест катушек и их правильной цоколевке (может потребоваться корректировка платы). Для контроля диапазона перестройки катушек используйте любой измеритель RLC. Индуктивность L4 – любая слаботочная для поверхностного монтажа.

Из остальных компонентов подойдут практически любые современные транзисторы общего применения с рабочими напряжениями не ниже 30 В. Интегральный стабилизатор U3 – маломощный на 9 В положительной полярности (на плате предусмотрено место под версию для поверхностного монтажа). Здесь также обратите внимание на цоколевку, так как возможны варианты. Конденсаторы C1...C4 и C7...C9 должны быть с минимальными температурными коэффициентами. Диоды D1...D3 – маломощные быстродействующие общего применения.

Конструкция терменвокса (размещение узлов), а также размеры антенн показаны на Рис.9. Корпус инструмента должен быть выполнен из диэлектрика (например – фанеры), металлические части и электронные компоненты должны быть, по возможности, удалены от антенн. Сами антенны могут быть изготовлены из любого проводника, сплошного или полого, неточность их размеров компенсируется широким диапазоном регулировки катушек L1–L3.


Рисунок 9

На пути проводников от антенн к плате расположены переменные конденсаторы C6 и C12 с диапазоном перестройки в несколько пикофарад. Они самодельные. Я не стал использовать готовые конденсаторы из-за желания привнести в конструкцию дух «ретро». Кроме того, эти конденсаторы – многооборотные, что облегчает настройку. Их емкость меняется путем приближения подвижной заземленной металлической пластины к проводнику, соединяющего антенну с платой. В качестве проводника использован жесткий провод диаметром 1 мм одним концом крепящийся на антенне, а другим – на диэлектрической опорной стойке. Воздушный зазор между проводником и пластиной составляет около 1 мм, а расположение провода «наискосок» дает плавное изменение емкости. Перегиб провода у C12 обеспечивает немного большую емкость и диапазон, что необходимо для цепи управления громкостью.

Поступательное движение пластины обеспечивает привод, конструкция которого показана на Рис.11. Ось располагается на такой высоте, чтобы загнутые края пластины скользили по дну корпуса внатяг. Все размеры ориентировочные, отклонения компенсируются широким диапазоном перестройки катушек L1–L3 и возможностью подгибать провод.

Если будете применять другие конденсаторы, учтите, что их надо располагать на пути следования проводников от антенны к плате (которые должны быть как можно короче), а подвижные обкладки, связанные с механизмом привода (да и сам привод, если он металлический), должны соединяться с общим проводом схемы. Это обеспечит минимизацию дополнительных емкостей и их постоянство.

На нижней стенке (дне) расположены разъемы XS2, XS4 и узел крепления стойки (треноги). В верхней стенке (крышке) напротив катушек L1, L2 и L3 просверлите отверстия под регулировочный инструмент – для финальной настройки с установленной верхней крышкой. Расположение светодиода HL1 на верхней крышке затруднит разборку, поэтому его лучше монтировать в основном объеме, а в крышку вклеить световод-рассеиватель. Для крепления платы я использовал винты М3 и втулки, предварительно вклеенные в дно корпуса.

Антенна громкости сделана раскладной (установлена на шарнирах), а антенна высоты тона – съемной. В качестве материала антенн была использована медная трубка диаметром 8 мм. Держатели антенн согнуты из стального прутка диаметром 6 мм в форме буквы «Г». Держатели проходят сквозь деревянные стенки корпуса и фиксируются в них с помощью эпоксидной смолы, выполняющей роль дополнительного изолятора (толщина шва составляет около 1 мм). Чтобы при застывании смола не вытекала из швов, в качестве наполнителя использована медицинская вата. Вату удобно наматывать на деталь, одновременно нанося на нее клей. Держатель антенны высоты тона (его вертикальная часть) установлен под углом 60°, а узел крепления стойки должен обеспечивать наклон инструмента 30°.

Конструкция узла крепления стойки показана на Рис.10. Все детали пакета вырезаются из стеклотекстолита (или другого материала) толщиной 3 мм и стягиваются винтами. Чтобы получить толщину средних деталей 3,2 мм, в зазоры устанавливаются тонкие прокладки (на рисунке не показаны). При установке инструмента в рабочее положение пластина стойки вдвигается в получившийся паз до упора (упором может быть любая деталь, которая на рисунке не показана). Вдвигание должно производиться с некоторым усилием, при желании можно сделать защелку-фиксатор.


На Рис.12 приведено фото инструмента со снятой верхней крышкой. Встроенная динамическая головка BA1 и соответствующий ей выключатель S6 в данном исполнении отсутствуют. В центре корпуса осталось место для размещения дополнительных плат (для их крепления предусмотрены две стойки). Все органы управления находятся на передней стенке, а из-за наклона корпуса они направлены немного вниз, что, однако, не очень удобно. В качестве выключателей S1–S4 использованы кнопки П2К, у которых были удалены пружины и фиксаторы, а на штоки насажены ручки с утолщениями. Выдвижение (состояние «включено») и утапливание («выключено») делает их похожими на переключатели регистров у органа. Выбор дизайна, в общем-то, зависит от ваших фантазий и возможностей.


Рисунок 12


Настройка.

Настройка состоит из двух стадий – проверки работоспособности узлов (включая контроль пределов регулирования частот генераторов) и точной настройки. Потребуется осциллограф и щуп с малой входной емкостью (например – делитель 1:10 из комплекта осциллографа).

Общий смысл настройки таков – вначале подстроечниками катушек L1 и L2 надо добиться равенства частот генераторов, а затем подстроечником катушки L3 настроить резонансную цепь канала громкости на частоту опорного генератора (точнее – на его половинную частоту). В конце потребуется установить оптимальный режим работы детектора громкости (резистором R18).

Теперь подробнее.

Проверка работоспособности может проводиться на плате поэтапно, по мере заполнения ее компонентами. После установки стабилизатора U3 и его конденсаторного обрамления проверьте наличие выходного напряжения +9В относительно общего провода при подаче на плату питания от +12В до +15В. Это напряжение не должно измениться и после установки деталей высокочастотных генераторов и микросхемы U1.

Проверьте форму выходного напряжения у генераторов (на резисторах R3 и R7). Она должна быть близкой к показанной на Рис.5а. Самое главное – верхние и нижние «полуволны» должны пересекать уровень +4,5 В (половину напряжения питания микросхемы U1) и заходить за него, по крайней мере, на 1 В. Это обеспечит надежное переключение счетчиков U1.1 и U1.2. При необходимости уровень можно немного «подвинуть» подбором резисторов R1 и R5.

Если с уровнями все нормально, проверьте работу счетчиков-делителей. На всех выходах (3...6 и 11...14) должны присутствовать прямоугольные сигналы размахом чуть меньше 9В.

Частота на выводе 11 должна быть в районе 670...810 кГц (регулируется подстроечником катушки L1). Частота на выводе 3 (или контрольной точке TP1) будет немного выше – порядка 870...1100 кГц (регулируется подстроечником катушки L2), т.к. отсутствует емкость антенны. Впоследствии, после подключения антенны, диапазоны перестройки должны если не сравняться, то по крайней мере – перекрываться.

На следующем этапе проверяется работа смесителя. Вместо антенны WA1 и конденсатора C6 подключите их эквивалент – конденсатор емкостью 9...10 пФ. Подстроечниками катушек надо попытаться сравнять частоты, чтобы достичь биений, близких к нулевым. Биения контролируются на конденсаторе C18 после установки деталей смесителя. Вместо одного из выключателей S2...S4 надо временно установить перемычку. Биения с частотой ниже 10 Гц «поймать» трудно из-за острой настройки. Если частота биений не доходит до нуля (достигнуты пределы регулирования), измените емкость конденсатора С1 в ту или иную сторону (на плате предусмотрено место под дополнительный «параллельный» конденсатор C1'). Форма звуковых колебаний должна примерно соответствовать Рис. 5б, 5в и 5г. Линии будут немного размытыми из-за остатков высокочастотной составляющей (на входе микросхемы эти остатки гасятся цепочкой R26C20).

Далее проверяется канал управления громкостью. Подключив вместо антенны WA2 и конденсатора C12 их эквивалент – емкость порядка 15...17 пФ, попытайтесь добиться резонанса катушки L3. Щуп-делитель осциллографа подключите к точке «VA», а подстроечником катушки L3 добейтесь максимума напряжения. Если резонанс не достигается, (у катушки не хватает пределов регулирования), попробуйте сердечником катушки L1 немного изменить частоту возбуждения. Можно также поменять и емкость эквивалентного конденсатора, но это означает, что мы промахнулись, и катушку L3 придется перематывать. Но не паникуйте раньше времени – с подключенной антенной все, возможно, заработает как надо. Для достижения резонанса можно впоследствии поменять и размеры антенны.

Найдя резонанс и установив резистор R18 в положение максимального сопротивления, проверьте напряжение на конденсаторе C14. Оно должно быть около +11В (т.е. почти напряжение питания). Уменьшая сопротивление, найдите точку, где это напряжение начнет уменьшаться. Если теперь слегка расстроить контур, напряжение на конденсаторе должно упасть до нуля.

Ну и последнее, что проверяется, – это работа микросхемы U2. Без сигнала она не должна греться, а напряжение на выводе 8 должно составлять половину питания. Линия на экране осциллографа должна быть «чистой», что свидетельствует об отсутствии самовозбуждения.

Теперь можно оценить звучание, установив джамперы J1, J2 и перемычку между контактами «5» и «6» (заменяющую регулятор громкости). Не забудьте и про перемычку вместо выключателей S2...S4. Вворачивание подстроечника L2 моделирует поднесение руки к антенне высоты тона, а подстроечника L3 – к антенне громкости.

Измерьте частоту на выводе 11 счетчика и помножьте ее на два – это будет частота опорного генератора. Запишите ее где-нибудь на внутренней стенке корпуса инструмента.

Точная настройка, по сути, повторяет манипуляции на L1, L2, L3 и R18, описанные выше, за исключением того, что плата устанавливается в корпус, и к ней подключаются антенные цепи.

Полностью соберите инструмент, установите его в рабочее положение (на стойку), освободите пространство вблизи антенн в районе около метра. Установите регуляторы «Pitch» и «Volume» (конденсаторы С6 и С12) в среднее положение – такое, при котором подвижная пластина наполовину покрывает верхний проводник. Сначала попробуйте настроить инструмент без верхней крышки.

Частота в контрольной точке TP1 должна быть близкой к частоте на выводе 11 счетчика.

Настройку нулевых биений можно производить на слух. Не забудьте только снять джампер J1 для того, чтобы принудительно открыть канал управления громкостью (так удобнее), включить один из выключателей S2...S4 (S1 дает очень слабый звук) и вывести регулятор громкости R25 на максимум. Тумблер S5 должен быть в верхнем по схеме положении – режим «Mute» выключен. Настройка осуществляется подстроечниками катушек L1 и L2. Если до этого был настроен канал громкости – то только подстроечником L2.

Канал громкости также можно настроить на слух. Вернув на место джампер J1, подстроечником катушки L3 найдите резонанс антенной цепи при отведенной руке (по максимуму громкости). На удобство проведения этой процедуры сильно влияет резистор R18. При нулевом сопротивлении вы ничего не услышите, при максимальном – положение пика будет неопределенно-размытым, т.к. детектор громкости входит в насыщение. Поэтому начинать надо с умеренных значений, а найдя резонанс, следует увеличить сопротивление резистора до тех пор, когда громкость перестанет расти. Далее проверяют, чтобы приближение руки снижало громкость до нуля.

Тонкие изменения громкости лучше заметны на экране осциллографа. Еще удобнее к премычке J1 подключить вольтметр. При правильной настройке напряжение в отсутствии руки должно чуть-чуть не доходить до насыщения (это около +11В) и снижаться до нуля при поднесении руки к антенне.

Если у подстроечника L3 достигнут предел регулирования (а пик еще не найден), то можно изменить частоту опорного генератора (L1), но при этом придется заново настраивать нулевые биения (L2). Такого рода связь – плата за упрощение схемы. В целом же нужно стремиться к «вывернутым» положениям подстроечников, поскольку в этом случае обеспечивается наилучшая температурная стабильность катушек.

На настройку большое влияние оказывает положение рук и регулировочного инструмента, поэтому, процесс носит итерационный характер.

Ну и напоследок – проверяют работу регуляторов «Pitch Tuning» и «Volume Tuning». Первый должен сдвигать положение точки нулевых биений, последний – точку максимальной громкости, позволяя установить ее на высоте 20..40 см от антенны.

Итак, попытка упростить и улучшить терменвокс оказалась более-менее успешной:

1. Упразднен генератор канала громкости.

2. Индуктивности имеют меньшее количество витков, что снижает трудоемкость их изготовления, а у катушки громкости отсутствует дополнительная обмотка.

3. Полностью отсутствуют негармоничные призвуки. Касание антенны громкости не дает посторонних звуков.

4. Диапазон инструмента расширен за счет переключателя регистров.

5. Комбинации переключателя регистров позволяют получать новые тембры.

6. Микросхема AN5265 успешно «вписалась» в звуковой тракт.

Вместе с тем остались и такие недостатки:

1. Повышенный температурный дрейф, связанный с использованием ферритовых сердечников (на практике это не так фатально). С уменьшенным количеством витков (на порядок!) теперь легче перейти на катушки без сердечника.

2. Большая нелинейность музыкальной шкалы вблизи антенны – недостаток, присущий всем терменвоксам без линеаризующей катушки. Переключатель регистров позволяет избежать игры на этом участке. К тому же генераторы можно переделать и под линеаризующую катушку.

3. Неустранимая емкостная связь между антеннами приводит к биениям в канале громкости, которые трудно отфильтровать из-за того, что их частота лежит в звуковом диапазоне и доходит до инфразвука. И хотя амплитуда этих биений не так уж велика (сказывается разнос частот), а частота меняется в соответствии с основным тоном (гармонически), они вносят свой, хоть и слабый, вклад в окраску звука.

4. «Мертвый тембр», который быстро надоедает. Это свойственно всем терменвоксам, я бы даже сказал – и тем, у которых искусственно увеличена связь между генераторами. Оживить звук на исполнительском уровне помогает использование техники вибрато, но лучший результат достигается подключением внешних спецэффектов (реверберации, придании звуку динамически меняемых вокальных свойств, и т.д.). Для преодоления этого недостатка в конструкции предусмотрен разъем для подключения дополнительных (встраиваемых) модулей. С одной из таких плат, дающий широкий простор в экспериментировании по части «оживления» тембра, я предполагаю познакомить вас в будущем.

Литература:

[1] Fred Nachbaur. On Theremin Sensitivity – URL: http://www.dogstar.dantimax.dk/theremin/thersens.htm (27.03.2018)
[2] Е. Бондаренко. Электромузыкальный инструмент типа «Терменвокс». – Авторское свидетельство СССР №349010.
[3] Л. Королёв. Современный терменвокс. – Радио, 1985, №2, c43.
[4] Л. Королёв. Терменвокс. – Радио, 2005, №8, c48.
[5] Robert Moog. The Theremin. – Radio & Television News, January 1954, p.37.
[6] Л. Королёв. И снова терменвокс. – Радио, 1972, №9, c.17.
[7] И. Мамонтов. Терменвокс «Etherway». – Радио, 2016, №11, c37.

Дополнительные материалы:

PCB.zip (43 кБ) – топология печатной платы в формате Sprint Layout 6.0.


Образцы звучания

(записан сигнал с линейного выхода, в начале каждой фонограмме идет чистый сигнал, во второй половине добавлено немного реверберации.
Регистры 1', 2', 4', 8' соответствуют переключателям S4, S3, S2, S1)

Группа «бас»:

demo1.mp3 – регистр 1'
demo1-2.mp3 – регистры 1'+2'
demo1-4.mp3 – регистры 1'+4'
demo1-2-4.mp3 – регистры 1'+2'+4'

Группа «тенор»:

demo2.mp3 – регистр 2'
demo2-4.mp3 – регистры 2'+4'

Группа «альт»:

demo4.mp3 – регистр 4'
demo4-8.mp3 – регистры 4'+8'


Галерея


Общий вид


Печатная плата со стороны катушек


Печатная плата со стороны SMD компонентов


Разметка дна


Узел крепления стойки


Переключатель регистров


Детали настроечных конденсаторов

http://antiradio.narod.ru/theremin/paradox/
Дата создания документа: 30.07.2018. Последнее обновление: 27.08.2018.