Терменвокс "Paradox" (часть 2)

Терменвокс питают от внешнего стабилизированного источника постоянного напряжения +12...15 В, например от аккумуляторной батареи. Индикатор включения питания (светодиод HL1) в изготовленном образце отсутствует. Потребляемый от источника ток при работе на головные телефоны - 50...70 мА. При использовании восьмиомной динамической головки источник должен обеспечивать ток не менее 1 А. Напряжение питания высокочастотной части терменвокса (+9 В) получено с помощью интегрального стабилизатора DA1. Светодиод HL2 при работе терменвокса светится зелёным цветом, а когда звук выключен выключателем SA6 - красным.

Разъём XS4, как уже было сказано, служит для подключения дополнительных тембровых модулей. Если таких модулей нет, между контактами 1 и 2 следует установить перемычку S2. Снятие перемычки S1 отключает канал регулировки громкости и переводит микросхему DA2 в режим максимального усиления (её вход Vol соединён с источником питания внутренним резистором). Это бывает полезно при настройке инструмента.

Разъём XS1 (стандартное гнездо питания диаметром 5,5/2,1 мм) предназначен для подачи напряжения питания. Разъём XS2 (гнездо на блок DN-5BJ1 или ОНЦ-ВГ-10-5/16-Р) - универсальный. На него можно подавать питание и с него же снимать сигналы звука (в том числе подключать внешний громкоговоритель) и управления громкостью. Разъём XS3 (гнездо для аудиоштекера диаметром 3,5 мм) служит для подключения головных телефонов.

Почти все детали терменвокса расположены на печатной плате размерами 85x40 мм из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 6. На плате имеются несколько проволочных перемычек. Она рассчитана на установку постоянных резисторов и конденсаторов типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Но могут быть установлены и компоненты типоразмера 0806. Остальные детали, кроме диодов, транзисторов, микросхемы DD1 и дросселя L3, монтируют в отверстия. В отверстия для присоединения внешних цепей установлены штыри от разъёмов PLS.

Рис. 6. Печатная плата и детали терменвокса

Как и в [3], в качестве контурных были использованы миниатюрные катушки с ферритовыми магнитопроводами в форме гантели, на которые снаружи навинчена регулировочная чашка. Я не стал искать готовые катушки, а перемотал извлечённые из старого AM-приёмника. Встроенные в них конденсаторы пришлось отпаять или аккуратно разрушить.

Катушка L1 была изготовлена из катушки с маркировкой T790 15YD Mitsumi и индуктивностью, перестраиваемой в  интервале 560...900 мкГн. Отматыванием 35 витков был получен интервал перестройки 260...460 мкГн.

Катушка L2 была изготовлена из катушки с маркировкой T791 14ZD Mitsumi и индуктивностью, перестраиваемой в интервале 560...900 мкГн. С неё тоже были отмотаны 35 витков и получен интервал перестройки 340...490 мкГн, что немного больше, чем у катушки L1, но это можно скомпенсировать увеличением ёмкости конденсатора C1.

Дроссель L3 - любой типоразмера 1206 для поверхностного монтажа с индуктивностью, указанной на схеме.

Катушка L4 была изготовлена из катушки с маркировкой M1710A. Индуктивность её самой большой обмотки перестраивалась в интервале 30...60 мГн. Для получения интервала перестройки 2,7...5,5 мГн её пришлось перемотать полностью тем же проводом. Была измерена собственная резонансная частота получившейся катушки L4. Она оказалась равной 1,45 МГц при полностью вывернутом подстроечнике.

Намоточные данные катушек сведены в таблицу.

Если использовать магнитопровод неизвестного типа, нужно сначала намотать на него пробную обмотку и измерить её индуктивность. Затем удалить пробную и намотать рабочую обмотку с числом витков, отличающимся от числа витков пробной обмотки в корень квадратный раз из отношения индуктивностей необходимой и пробной обмотки. Например, если необходимо увеличить индуктивность в четыре раза, нужно намотать вдвое больше витков.

Перед изготовлением печатной платы убедитесь в совпадении отверстий для выводов катушек на плате с расположением и назначением выводов имеющихся или изготовленных катушек. Может потребоваться корректировка платы. Для проверки катушек используйте любой имеющийся измеритель индуктивности.

Из остальных компонентов подойдут практически любые современные транзисторы общего применения с допустимым напряжением коллектор-эмиттер не меньше 30 В. Интегральный стабилизатор DA1 - маломощный на +9 В. На плате предусмотрено место для установки стабилизатора не только в корпусе TO-220 или TO-92, но и в корпусе для поверхностного монтажа SOT-89. Например, L78L09ABUTR или NJM78L09A. Оно обозначено DA1'. Обратите внимание на различия в номерах и расположении выводов этих стабилизаторов. Конденсаторы C1, С3-C8 должны быть с минимальным ТКЕ. Диоды 1N4148 можно заменить любыми маломощными импульсными общего применения.

Конструкция терменвокса, размещение узлов в его корпусе, а также размеры антенн показаны на рис. 7. Корпус инструмента должен быть диэлектрическим (например, фанерным), металлические части и электронные компоненты должны быть, по возможности, удалены от антенн. Сами антенны могут быть изготовлены из любых металлических трубок или прутков круглого сечения. Неточность их размеров компенсируется широким интервалом перестройки катушек L1, L2 и L4.

Рис. 7. Конструкция терменвокса

На пути проводов от антенн к печатной плате расположены переменные конденсаторы C2 и C24 с интервалом перестройки в несколько пикофарад. Они самодельные. Я не стал использовать готовые конденсаторы, желая привнести в конструкцию дух "ретро". Кроме того, сделал их перестройку многооборотной, что облегчило настройку. Ёмкость изменяется при введении подвижной заземлённой металлической пластины П-образной формы размерами 55x60x14 мм под жёсткий провод диаметром 1 мм, соединяющий антенну с платой. Один конец провода соединён с вводом антенны, а другой закреплён на диэлектрической опорной стойке. Воздушный зазор между проводом и пластиной - около 1 мм, а расположение провода "наискосок" даёт плавное изменение ёмкости. Перегиб провода, образующего неподвижную обкладку конденсатора C24, обеспечивает немного большую ёмкость и интервал её изменения, что необходимо для управления громкостью.

Поступательное движение пластины обеспечивает привод с ходовым винтом М4. Его ось расположена на такой высоте, что отогнутые вниз боковины подвижной пластины скользят по дну корпуса с некоторым трением. Все размеры - ориентировочные, отклонения компенсируются широким интервалом подстройки индуктивности катушек L1, L2, L4 и возможностью подгибать провод-статор.

При использовании конденсаторов другой конструкции располагайте их на пути проводов от антенн к печатной плате, которые должны быть как можно короче. Подвижные элементы переменных конденсаторов и их приводы, если они металлические, должны быть соединены с общим проводом терменвокса. Это обеспечит минимизацию паразитных ёмкостей и их неизменность.

На дне корпуса расположены разъёмы XS1, XS2 и узел крепления стойки (треноги), на которой устанавливают терменвокс. В крышке корпуса, напротив катушек L1, L2 и L4, просверлите отверстия под регулировочный инструмент. Они потребуются при финальной настройке терменвокса с закрытой верхней крышкой.

Расположение светодиода HL2 на верхней крышке затруднило бы её снятие. Поэтому он смонтирован внутри корпуса, а в крышку вклеен световод-рассеиватель. Плата прикреплена винтами М3 к металлическим резьбовым втулкам, вклеенным в дно корпуса.

Антенна высоты тона WA1 сделана съёмной, а антенна громкости WA2 установлена на шарнирах. В качестве материала антенн использована медная трубка диаметром 8 мм. Держатели антенн согнуты в виде буквы Г из стального прутка диаметром 6 мм. Они проходят сквозь деревянные стенки корпуса и зафиксированы в них эпоксидным клеем. Он служит дополнительным изолятором (толщина клеевого шва - около 1 мм). Чтобы клей до застывания не вытекал из швов, в качестве наполнителя использована медицинская вата. Её удобно наматывать на деталь, одновременно нанося на неё клей. Вертикальная часть держателя антенны WA1 установлена под углом 60^о.

Конструкция узла крепления стойки должна обеспечивать наклон стороны инструмента, обращённой к исполнителю, на 30о вниз и быструю установку инструмента на стойку, надёжную фиксацию на ней и быстрое снятие.

Фотоснимок инструмента со снятой верхней крышкой показан на рис. 8. Встроенная динамическая головка BA1 и выключатель SA6 в этом экземпляре отсутствуют. В центре корпуса осталось место для размещения дополнительных плат. Все органы управления, за исключением переключателя SA1, находятся на передней стенке. Нужно сказать, что из-за наклона корпуса они направлены немного вниз, что, однако, не очень удобно.

Рис. 8. Инструмент со снятой верхней крышкой

В качестве выключателей SA1-SA4 использованы кнопки П2К, из которых удалены пружины и фиксаторы, а на штоки насажены ручки с утолщениями. Вытягивание (в состояние "включено") и утапливание ручек обратно (в состояние "выключено") делают их похожими на переключатели регистров органа.

Налаживание терменвокса состоит из двух стадий - проверки работоспособности узлов, в том числе пределов изменения частоты генераторов, и точной настройки. Потребуются осциллограф и щуп к нему с малой входной ёмкостью.

Сначала подстроечниками катушек L1 и L2 необходимо добиться равенства частоты генераторов, а затем подстроечником катушки L4 настроить резонансную цепь канала громкости на половину этой частоты. Затем потребуется установить подстроечным резистором R22 оптимальный режим работы детектора громкости.

Проверку работоспособности можно производить поэтапно, по мере заполнения печатной платы деталями. После установки интегрального стабилизатора DA1 и связанных с ним конденсаторов подайте на плату напряжение питания 12.15 В и проверьте наличие на выходе стабилизатора напряжения +9 В относительно общего провода. Это напряжение не должно измениться и после установки деталей генераторов на транзисторах VT1, VT2 и микросхемы DD1.

Проверьте форму выходного напряжения генераторов на резисторах R6 и R7. Она должна быть близка к показанной на рис. 4,а. Самое главное, обе осциллограммы должны пересекать уровень +4,5 В (половину напряжения питания микросхемы DD1), а их максимумы превышать этот уровень, по крайней мере, на 1 В. Это обеспечит надёжную работу счётчиков DD1.1 и DD1.2. Средний уровень осциллограмм можно сместить в нужную сторону подборкой резисторов R3 и R4.

Если с уровнями всё нормально, проверьте работу счётчиков-делителей. На всех их выходах (выводах 3-6 и 11 - 14) должны присутствовать прямоугольные импульсы амплитудой около 9 В.

Частота импульсов на выводе 11 микросхемы DD1 должна регулироваться подстроечником катушки L1 в пределах 670.810 кГц. На её же выводе 3 частота должна быть немного выше - 870...1100 кГц (её регулируют подстроечником катушки l2). Это связано с отсутствием антенны WA1.

После подключения антенны интервалы перестройки частоты двух генераторов, если не сравняются, то, по крайней мере, перекроются.

На следующем этапе проверяют работу смесителя. Вместо антенны WA1 и конденсатора C2 подключите их эквивалент - конденсатор ёмкостью 9.10 пФ. Для этого на печатной плате предусмотрены контактные площадки, обозначенные C' и C''. После установки деталей смесителя нужно, временно установив перемычку вместо одного из выключателей SA2-SA4, попытаться подстроечниками катушек L1 и L2 сравнять частоты генераторов, чтобы достичь биений, близких к нулевым. Контролируйте их на конденсаторе C17.

Биения с частотой ниже 10 Гц "поймать" довольно трудно из-за острой настройки. Если даже в крайних положениях любого из подстроечников частота биений не доходит до нуля, измените ёмкость конденсатора C1 в ту или иную сторону. На печатной плате предусмотрено место для установки параллельно ему конденсатора C1'. Форма звуковых колебаний должна приблизительно соответствовать показанной на рис. 4,б-рис. 4,г. Осциллограммы будут немного размытыми из-за остатков высокочастотных составляющих. На входе микросхемы DA2 эти остатки подавляет цепь R26C20.

Далее проверьте канал управления громкостью. Подключив вместо антенны WA2 и конденсатора C24 их эквивалент - конденсатор ёмкостью 15...17 пФ, попытайтесь добиться резонанса контура, образованного этим конденсатором и катушкой L4. Щуп-делитель осциллографа подключите к точке соединения катушки с конденсатором C19 и диодами VD2, VD3. Подстроечником этой катушки добейтесь максимума напряжения.

Если резонанса найти не удаётся, попробуйте подстроечником катушки L1 немного изменить частоту. Можно изменить и ёмкость эквивалентного конденсатора, но это значит, что катушку L4 придётся перематывать. Но не паникуйте раньше времени, с подключённой антенной всё, возможно, заработает нормально. Для достижения резонанса можно впоследствии изменить и размеры антенны.

Найдя резонанс и установив под-строечный резистор R22 в положение максимального сопротивления, проверьте напряжение на конденсаторе C27. Оно должно быть около +11 В (почти равно напряжению питания). Уменьшая сопротивление подстроеч-ного резистора, найдите точку, где это напряжение начинает уменьшаться. Если теперь слегка расстроить контур, напряжение на конденсаторе должно упасть до нуля.

Остаётся проверить работу микросхемы DA2. Без сигнала она не должна нагреваться, а постоянное напряжение на выводе 8 должно быть равно половине напряжения питания. Линия на экране осциллографа при наблюдении выходного напряжения должна быть "чистой", что свидетельствует об отсутствии самовозбуждения.

Теперь можно оценить качество звучания, установив перемычки S1, S2 и установив движок переменного резистора R24 в верхнее (по схеме) положение, соответствующее максимальной громкости. Не забудьте и про перемычку вместо одного из выключателей SA2-SA4. Поднесение руки к антенне WA1 моделируют вворачиванием подстроечника катушки L2, а к антенне WA2 - подстроечника L4.

Измерьте частоту на выводе 11 микросхемы DD1 и умножьте её на два - это будет частота образцового генератора на транзисторе VT1. Запишите её где-нибудь на внутренней стенке корпуса инструмента.

Точная настройка повторяет, по сути, манипуляции с катушками L1, L2, L4 и с подстроечным резистором R22, описанные выше. Но печатная плата должна быть установлена в корпус, и к ней подключены антенны.

Полностью соберите инструмент, установите его в рабочее положение (на стойку) и освободите пространство в радиусе около метра вокруг антенн. Установите подвижные пластины конденсаторов переменной ёмкости C2 и C24 в средние положения. Такие, в которых пластины наполовину покрывают проходящие над ними провода. Сначала попробуйте настроить инструмент без верхней крышки.

Частоты, измеренные на выводах 3 и 11 микросхемы DD1, должны быть близки. Добиться нулевых биений можно на слух. Не забудьте только снять перемычку S1, чтобы принудительно открыть канал управления громкостью. Кроме того, следует замкнуть один из выключателей SA2-SA4 и установить переменным резистором R24 максимум громкости. Переключатель SA5 должен быть в верхнем по схеме положении. После этого добейтесь нулевых биений подстроечниками катушек L1 и L2. Если до этого канал громкости был настроен, то воспользуйтесь подстроечником катушки L2.

Канал громкости также можно настроить на слух. Вернув на место перемычку S1, подстроечником катушки L4 найдите по максимуму громкости резонанс цепи антенны WA2 при отведённой от неё руке. На удобство проведения этой процедуры сильно влияет подстроечный резистор R22. При его нулевом введённом сопротивлении ничего слышно не будет, а при максимальном сопротивлении положение пика громкости станет неопределённоразмытым, поскольку детектор громкости войдёт в насыщение.

Поэтому начинать нужно с умеренного значения введённого сопротивления. Найдя резонанс, следует увеличивать сопротивление подстроечного резистора R22 до тех пор, пока громкость не перестанет расти. Далее убедитесь, что приближение руки к антенне WA2 уменьшает громкость до нуля.

Небольшие вариации громкости лучше заметны на экране осциллографа. Ещё удобнее к перемычке S1 подключить вольтметр. При правильной настройке его показания в отсутствие руки должны немного не доходить до напряжения питания и снижаться до нуля при поднесении руки к антенне.

Если подстроечник катушки L4 дошёл до одного из крайних положений, а резонанс ещё не достигнут, можно изменить частоту образцового генератора подстроечником катушки L1, но после этого придётся заново добиваться нулевых биений под-строечником катушки L2. Такая взаимосвязь регулировок - плата за упрощение схемы. В целом нужно стремиться к "вывернутым" положениям подстроечников, поскольку в этом случае будет обеспечена наилучшая температурная стабильность катушек.

Поскольку большое влияние на работу терменвокса оказывает положение рук и регулировочного инструмента, описанные процессы носят итерационный характер.

В завершение налаживания следует проверить работу конденсаторов переменной ёмкости C2 и С24. Первый должен сдвигать положение точки нулевых биений, второй - точку максимальной громкости, позволяя установить её на высоте 20...40 см от антенны.

Итак, попытка упростить и улучшить терменвокс оказалась успешной. В нём упразднён генератор канала громкости. Катушки индуктивности имеют меньшее число витков, что снижает трудоёмкость их изготовления, а у катушки канала громкости отсутствует дополнительная обмотка. Полностью устранены негармоничные призвуки. Прикосновение к антенне громкости не создаёт посторонних звуков. Музыкальный диапазон инструмента расширен применением переключателей регистров. Комбинируя положения этих переключателей, можно получать новые тембры. Микросхема AN5265 успешно "вписалась" в звуковой тракт.

Вместе с тем имеются и недостатки. Не очень заметный на практике повышенный температурный дрейф связан с использованием ферритовых магнитопроводов. Но со значительным уменьшением потребной индуктивности катушек появилась возможность делать их без магнитопроводов.

Большая нелинейность музыкальной шкалы вблизи антенны - недостаток, присущий всем терменвоксам без линеаризующей катушки. Переключатель регистров позволяет избежать игры на этом участке. При необходимости генератор канала тона можно переделать и под линеаризующую катушку.

Неустранимая ёмкостная связь между антеннами приводит к биениям в канале громкости, которые трудно отфильтровать из-за того, что их частота лежит в слышимом диапазоне, доходя до инфразвука. И хотя амплитуда этих биений невелика, а частота гармонически связана с основным тоном, они вносят свой, хоть и слабый, вклад в окраску звука.

Всем терменвоксам, даже тем, у которых связь между генераторами искусственно увеличена, свойственен "мёртвый" тембр, который быстро надоедает. Оживить звук на исполнительском уровне помогает использование техники вибрато, но лучший результат достигается подключением внешних спецэффектов (реверберации, придании звуку динамически изменяемых вокальных свойств и пр.). Для преодоления этого недостатка в рассматриваемой конструкции предусмотрен разъём для подключения дополнительных модулей.

Файл печатной платы в формате Sprint Layout 6.0 имеется здесь.

Автор: И. Мамонтов, г. Электросталь Московской обл.