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Università degli Studi di Pavia

Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UNO
STRUMENTO MUSICALE THEREMIN

Relatore: Prof.ssa Carla VACCHI
Correlatore: Dott. Daniele SCARPA

Anno Accademico 2007-2008

Elaborato di Laurea di
Nicola CODEGA


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-Che cos’è un Theremin?• Strumento musicale elettronico analogico
ideato nel 1920 dal fisico russo Lev Sergeevič Termen (Leon
Theremin);
• Viene suonato attraverso l’uso di due antenne.
Regola la nota emessa
Regola il volume della nota


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-Principio fondamentale di funzionamentoPrincipio “eterdinamico”: una mano o un qualsiasi
oggetto, posto in prossimità di un’antenna, rappresenta
una capacità inserita tra il nodo del circuito a cui è
collegata l’antenna e massa.
Come viene sfruttato questo effetto in modo da
variare la nota di uno strumento musicale?


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-Il suonoIl suono delle note può essere rappresentato come
un’oscillazione sinusoidale meccanica del mezzo che lo trasporta.
Nel caso di strumenti elettronici, esso
deriva necessariamente da una variabile elettrica
(tensione o corrente) oscillante.

Circuiti che realizzano questi segnali
sono detti, appunto, oscillatori.


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-Oscillatori armonici-


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-Oscillatori armonici (2)-

Obiettivo dell’oscillatore è quello di autosostenere
il segnale che circola nell’anello, con segnale nullo all’ingresso.
Quindi, quando all’interno dell’anello si genera un segnale sinusoidale…
…esso deve continuare a presentarsi, anche se l’ingresso è assente.

criterio di Barkhausen


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-Principio di funzionamentoCome sfruttare l’effetto eterdinamico in modo che
si riesca a variare la nota di uno
strumento musicale?
In generale, per quanto riguarda gli oscillatori armonici:
• i componenti che costituiscono la rete di feedback f
sono realizzati con capacità e induttanze;
• la frequenza di oscillazione dipende da questi valori.


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-Principio di funzionamentoCome sfruttare l’effetto eterdinamico in modo che
si riesca a variare la nota di uno
strumento musicale?

OSCILLATORE

OSCILLATORE

Avvicinare/allontanare la mano dall’antenna equivale a presentare
una capacità aggiuntiva e variabile: di conseguenza varia anche
la frequenza di oscillazione dell’oscillatore armonico.


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-Theremin: discussione iniziale• la banda udibile va da circa 20 Hz a 20 kHz;
• costruire oscillatori che presentano queste frequenze
vorrebbe dire utilizzare capacità/induttanze
di valore elevato;

è più semplice allora costruire
due oscillatori ad alta frequenza, miscelare
le due sinusoidi create e filtrarle passa-basso.


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-Theremin: discussione inizialeDefiniti due segnali sinusoidali (con fase iniziale nulla per semplificare)

è più semplice allora costruire
due oscillatori ad alta frequenza, miscelare
le due sinusoidi create e filtrarle passa-basso.


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-Theremin: schema a blocchi-

MIXER

CASSA
ACUSTICA

OSCILLATORE
VARIABILE
FILTRO
PASSA
BASSO

OSCILLATORE
FISSO

Nel progetto si è deciso di non utilizzare
un’antenna come controllo del volume,
ma si è scelta una soluzione ottica:
una fotoresistenza.

CONTROLLO
VOLUME


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-Oscillatore?-

• a sfasamento;
• a ponte di Wien;
• Hartley;
• Clapp;
• Colpitts;
• ……………

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

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

1) Blocco amplificatore
2) Condensatori di
disaccoppiamento
3) Rete di feedback


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-Oscillatore variabile: ColpittsScelto per:
• forma d’onda generata priva di componenti
armoniche estranee.
• alte frequenze generabili.

Viene aggiunta l’antenna
in parallelo a una delle due capacità
C1/2 e rappresenterà
una variazione del valore
di quella capacità.


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-Theremin: schema a blocchi-

MIXER

CASSA
ACUSTICA

OSCILLATORE
VARIABILE
FILTRO
PASSA
BASSO

OSCILLATORE
FISSO

CONTROLLO
VOLUME


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-Moltiplicazione di due sinusoidi-

Operazionali con
slew rate limitato.

Necessità di ridurre
i segnali di ingresso.


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-Moltiplicazione di due sinusoidiIntegrato AD633JN della Analog Devices:

• implementa una moltiplicazione a quattro quadranti;
• in particolare, esegue l’operazione


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-Theremin: schema a blocchi-

MIXER

CASSA
ACUSTICA

OSCILLATORE
VARIABILE
FILTRO
PASSA
BASSO

OSCILLATORE
FISSO

CONTROLLO
VOLUME


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-Filtraggio passa basso-

Sallen Key
• guadagno regolabile facilmente con un operazionale retroazionato;
• due poli coincidenti per attenuare maggiormente le alte frequenze;
• realizza la funzione di trasferimento


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-Filtraggio passa basso-

Sallen Key: funzione di trasferimento
Frequenza di
taglio posta a
3kHz,
dimensionando
le C e le R.


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-Theremin: schema a blocchi-

MIXER

CASSA
ACUSTICA

OSCILLATORE
VARIABILE
FILTRO
PASSA
BASSO

OSCILLATORE
FISSO

CONTROLLO
VOLUME


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-Controllo del volumeSoluzione ottica al posto della classica antenna orizzontale:
fotoresistenza NSL-19M51
Funzione di trasferimento:

Con opportuni valori si ottiene:
• Fotoresistenza oscurata ha un valore di 20 M Ohm: Vout si annulla;
• Fotoresistenza illuminata ha un valore di 0 Ohm: Vout=-Vin.


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-Theremin: schema a blocchi-

MIXER

CASSA
ACUSTICA

OSCILLATORE
VARIABILE
FILTRO
PASSA
BASSO

OSCILLATORE
FISSO

CONTROLLO
VOLUME


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-Stadio di potenza di uscitaProgetto iniziale: pilotare una cassa passiva da 8 Ohm

Necessità di uno stadio che fornisca sufficiente quantità
di corrente al carico di bassa impedenza.

Progetto finale: si utilizzano delle casse attive che amplificano
il segnale in ingresso presentando un’alta impedenza.

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


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-Immagini-


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-Immagini-


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-Immagini-