elección de oscilador de condensador único para theremin digital

Introducción

Uno de los alumnos me desconcertó con la cuestión de construir un theremin , un instrumento musical básico que tiene un tono manipulado moviendo la mano alrededor de la antena vertical.

Debido a las características específicas de nuestro curso (y las habilidades de nuestros alumnos), propuse crear una solución digital, como esta:

  • tenemos un oscilador con antena unida a uno de sus capacitores
  • las oscilaciones se alimentan a la entrada del contador de arduino, que genera sonido a partir de la forma de onda preprogramada, con la frecuencia dependiendo de los valores del contador

Bueno, la parte con arduino funciona ahora mismo. También hemos probado el sensor de distancia ultrasónico (en lugar de antena+oscilador), pero no es muy útil.

Oscilador: lo que estoy intentando

Pero, ¿qué oscilador usar? Lo más simple que les he enseñado a mis alumnos es el generador basado en 555, así que primero intenté conectar uno con un capacitor muy pequeño, así:

Generador basado en NE555 para theremin

Aquí C = 5pF R1 = 400k R2 = 1k, la salida de 3 va directamente a la entrada del contador arduino.

Esto funciona, dando una frecuencia de aproximadamente 200 kHz (disminuyendo en aproximadamente un 3% cuando la mano está a aproximadamente 1 cm de la antena). Debería ser más alto (a juzgar por R1*C, aunque también hay capacitancia de antena) y quiero que sea más alto (para un recuento más preciso); sin embargo, no pude aumentarlo cambiando R1. Con 100k son solo unos 250 kHz. Con 21k es solo un poco más alto y aparentemente se detiene para reaccionar al movimiento de la antena.

Esto es desconcertante. Creo que estoy haciendo algo mal o no puedo obtener más frecuencia debido a alguna limitación del chip (probablemente funcione mejor con un VCC más alto).

La pregunta

Así que estoy buscando consejos para mejorar este diseño o sugerencias de algún oscilador basado en transistores. Lo más familiar es un multivibrador simétrico, pero prefiero algo con una frecuencia que dependa de un solo condensador (ya sea en configuración LC o RC).

¡Esa es una idea de proyecto genial!
En teoría (es decir, según la hoja de datos de TI), un xx555 debería tener un tiempo de subida y bajada de pulso de cada uno entre 100 y 200 ns, lo que hace un total de 200 a 400 ns, es decir, una oscilación máxima confiable a 3 MHz.
¿Estás construyendo esto en un PCB o en una placa de prueba? ¡Las capacitancias e inductancias parásitas pueden convertirse en un problema!
¿Funciona más rápido cuando quitas la antena?
¿Conocen sus alumnos los Opamps? Eso haría relativamente fácil construir un oscilador Wien-Bridge.
@MarcusMüller ¡Hola! Sí, también pensé que debería poder obtener hasta 5 MHz de él... Sin embargo, parece que no todos los 555 son iguales. La frecuencia de 200 que he dicho no aumenta significativamente cuando quito la antena (o trato de reducir la capacitancia de otra manera). Ahora estoy pensando en probar diferentes 555, alguna versión CMOS si puedo encontrar en las tiendas más cercanas... Y mientras tanto probar diferentes osciladores.
Y sí, voy a probar el opamp LM358 ahora mismo, aunque soy consciente de que, según la hoja de datos, su frecuencia máxima está por debajo de 1 MHz...
No es probable que ningún xx555 funcione de manera confiable a 5 MHz, si sigue mis cálculos. Nuevamente, sin embargo, podría no ser el NE555 el problema aquí, sino las capacitancias perdidas de cómo esté construyendo el circuito.
Con respecto a los amplificadores operacionales: bueno, el LMx58 es bastante antiguo y probablemente fue diseñado para aplicaciones de frecuencia de audio. Debería buscar amplificadores operacionales de "video" baratos (como en 0.4 €), como el NE592. (No es que el NE592 no sea antiguo, pero al menos está diseñado para un mayor ancho de banda)
Tal vez la tabla en mikrocontroller.net/articles/… te ayude. El texto anterior es alemán, pero la tabla es principalmente en inglés y las columnas se explican por sí mismas.
@MarcusMüller gracias por su consejo, después de algunas patadas con la versión de potencia única del oscilador de onda cuadrada de la hoja de datos LM358, llegué a la configuración que, aunque tiene una frecuencia más cercana a 100 kHz, pero sorprendentemente proporciona un cambio de frecuencia más significativo cuando se juega con antena . ¡Lo probaré más a fondo y lo agregaré a la descripción!

Respuestas (3)

Creo que su mejor apuesta es el viejo oscilador Colpitts: nada termina en saturación (a diferencia de un oscilador de onda cuadrada) e incluso con transistores modestos, es capaz de varias decenas de MHz: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

En una versión un poco más avanzada, se usa en circuitos de medición de sonda de capacitancia que buscan piezas de metal que giran más allá del extremo de la sonda y, sin duda, detectará pequeñas fracciones de un cambio de picofaradio.

Conecte la antena (también conocida como sonda) en la parte superior de L1 o incluso haga dos placas planas (una de 0 V) ​​donde pueda mover la mano y cambiar la frecuencia. Para hacerlo más sensible al movimiento del habd, los dos condensadores 1n0 deben tener un valor más bajo y L1 debe aumentarse.

Produce una onda sinusoidal, pero se puede cambiar a una onda cuadrada usando un comparador rápido como un MAX999. El oscilador básico también se reducirá a 3V (casi) en las líneas eléctricas.

¡Gracias por la sugerencia! Recuerdo vagamente este esquema de mi infancia. ¡Lo intentaré y actualizaré la publicación con los resultados! Creo que R1 debe ajustarse según el voltaje y la versión beta del transistor, ¿verdad?
Correcto, es posible que deba ajustar R1, pero no es crítico porque R2 proporciona retroalimentación de CC. Un par de voltios (digamos 1V-4V) a través de R2 deberían estar bien
Estoy de acuerdo con Brian y también puede usar una disposición de polarización más estable de dos resistencias que forman un divisor potencial siempre que los valores de la resistencia no bajen demasiado, es decir, por debajo de unos pocos kohm porque las oscilaciones no comenzarán.
@RodionGorkovenko ¿probaste esta idea al final?

Dado que ha probado enfoques de Theremin distintos de los osciladores, a saber, ultrasónicos, tal vez podría probar un enfoque de optoacoplador reflectante : optoacoplador reflexivoesto tiene la ventaja de que los estudiantes más jóvenes pueden captar el reflejo de la luz mucho más fácilmente que la capacitancia, la oscilación, la frecuencia . En interfaz con un microcontrolador, es posible aislar la luz reflejada de la luz ambiental . Un convertidor de analógico a digital dentro del microcontrolador mide la corriente a través del fototransistor. El microcontrolador también ordena al diodo emisor de luz infrarroja que se encienda o se apague. Una secuencia de medición es así:
(1) Encienda el diodo emisor de luz
(2) Mida la corriente del fototransistor "I1"
(3) Apague el diodo emisor de luz
(4) Vuelva a medir la corriente del fototransistor "I2"
(5) Luz reflejada = I1 - I2
Dado que esta secuencia toma muy poco tiempo (fácilmente menos de 100 microsegundos), muchas mediciones de luz reflejada pueden acumularse para dar alta resolución. En una prueba de banco, el resultado de la luz reflejada se negó a llegar a cero, porque la luz LED se reflejaba en las placas del techo a dos metros y medio de distancia. Muchos microcontroladores económicos incluyen el convertidor A-to-D requerido:

esquemático

simule este circuito : el esquema creado con CircuitLab R2 se puede dimensionar para adaptarse a la sensibilidad del fototransistor y a la luz ambiental. Los valores más grandes aumentan la sensibilidad. En el esquema de ejemplo, el resultado de A a D será numéricamente más pequeño para más luz, por lo que el cálculo se modificaría a (I2 - I1).

Glen, ¡gracias por la propuesta! Consideré este enfoque junto con el ultrasónico, pero el principal problema es que la dependencia entre la distancia y la cantidad de luz reflejada no es lineal. Y además, depende en gran medida del tamaño y las propiedades reflectantes del objeto (por ejemplo, la mano). Otro problema, similar al ultrasónico, es que el sensor trabaja solo en el ángulo agudo...

Gracias a Marcus-Müller : resolví el problema cambiando a opamps. Más precisamente, al comparador. Con el típico, LM358no pude hacer más de 200 kHz, pero luego busqué LM2903comparadores básicos en la tienda más cercana, y el resultado es excelente. Tengo 700kHz a la vez y es suficiente para este proyecto.

oscilador de onda cuadrada con comparador

Lo siento, todavía no he tenido éxito con el oscilador Colpitz. Todavía espero que lo intentemos para comparar resultados. Pero parecía un poco más complicado ajustarlo al modo de trabajo...

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