Principio di funzionamento del theremin

Questa sezione è dedicata a coloro che intendono approfondire lo conoscenza tecnica dello strumento.

Il theremin si basa sul principio del generatore di battimento: due segnali armonici a frequenza radio vengono introdotti in un mixer il quale presenta sulla sua uscita altri segnali rappresentanti la somma e la differenza in frequenza dei primi due. Se i due segnali armonici in ingresso hanno una frequenza limitrofa, sull’uscita del mixer avremo un segnale differenza che rientra nella gamma audio (20 Hz – 20Khz), inoltre, controllando la frequenza di oscillazione di uno dei due segnali, avremo un segnale audio variabile.

Il funzionamento di un theremin può essere schematizzato nel seguente modo:

0scillatori intonazione 1 e 2

Sono normali oscillatori a radio frequenza, tecnicamente conosciuti come VFO. La loro frequenza di lavoro può variare da 175 Khz a 1 Mhz, la pratica consiglia comunque che la frequenza di oscillazione sia fissata intorno a 175 – 250 Khz, questo consente di avere circuiti meno critici, meno sensibili ai disturbi esterni e leggermente più stabili alle variazioni di temperatura.

I VFO impiegati nei theremin hanno un circuito risonante costituito da un condensatore ed una induttanza, insieme determinano la frequenza di lavoro mentre la continuità di oscillazione viene garantito da un componente attivo, transistor bipolare, FET, valvola ecc.

Osservando il diagramma possiamo vedere che l’oscillatore 1 è connesso ad un’antenna, avvicinando una mano si forma un condensatore tra quest’ultima ed il corpo umano che, rispetto all’antenna, assume le caratteristiche di massa virtuale; il valore di questo condensatore, dell’ordine di qualche pico Farad, varia in funzione della distanza delle due armature (mano ed antenna). Connettendo l’antenna al circuito risonante, la capacità del condensatore virtuale viene a sommarsi a quella del condensatore del circuito (essi infatti risultano in parallelo rispetto massa) in modo che avvicinando e allontanando la mano è possibile modificare la frequenza di lavoro dell’oscillatore: avvicinando la mano la frequenza diminuisce in quanto la capacità totale del circuito risonante aumenta, e viceversa.

Il secondo oscillatore viene fissato ad una frequenza di lavoro uguale a quella del primo oscillatore a riposo ovvero con la mano distante dall’antenna. Solitamente la condizione di riposo, ovvero la frequenza di lavoro del secondo oscillatore, viene controllata tramite un potenziometro o un condensatore variabile posto sul pannello dello strumento.

Mixer

La radio tecnica ci insegna che miscelando due segnali armonici tramite un mixer otteniamo un terzo segnale con frequenza pari alla somma dei primi due ed un quarto pari alla differenza:

f1 + f2 = f3
f1- f2 = f4

Questo fenomeno è conosciuta come generazione di battimento, dove il battimento è il risultato della miscelazione dei due segnali armonici.
Se i due segnali armonici, come si diceva nell’introduzione, hanno una frequenza di lavoro limitrofa, il segnale differenza rientra nella gamma audio, viene generato cioè un segnale a bassa frequenza; infatti se impostiamo ad esempio a 200 KHz la frequenza di lavoro dell’oscillatore 2 (f2) e impostiamo looscillatore 1 in modo che avvicinando la mano la frequenza di lavoro (f1) vari da 200 KHz a 198 KHz, sull’uscita del mixer avremo un battimento (f3) che varia da 0 a 2 Khz ovvero, come dicevamo, un segnale audio.

E’ importante notare che il mixer è il vero cuore del theremin, infatti non si limita a produrre un semplice segnale audio, ma ne determina, come vedremo, la forma d’onda, che è la voce dello strumento.

Ipotizzando che gli oscillatori producano segnali armonici a carattere perfettamente sinusoidale la teoria ci insegna che all’uscita del mixer avremo un battimento a carattere sinusoidale, questo ci darebbe un segnale audio puro, ma poco interessante dal punto di visto musicale.
Per fortuna la realtà ci da una mano, infatti facendo funzionare i due oscillatori a frequenze limitrofe questi tendono ad allacciarsi, ovvero uno dei due tende ad assumere la frequenza di lavoro dell’altro. Questo comportamento introduce, al tempo stesso, uno svantaggio ed un vantaggio: lo svantaggio è che, facendo riferimento all’esempio precedente, la frequenza audio risultante dalla miscelazione potrebbe iniziare da 200-300 Hz, perdendo così tutte le note delle ottave inferiori, questo proprio a causa del fenomeno di allacciamento; il vantaggio è rappresentato dal fatto che quando gli oscillatori tendono ad allacciarsi la forma d’onda prodotta tende a distorcersi arricchendosi di armoniche, il segnale audio risultante acquisterà in questo modo più personalità e ricchezza timbrica.

Da quanto esposto si deduce che un buon mixer deve garantire quel tanto di allacciamento che basta per generare un battimento ricco di armoniche, senza però limitare l’escursione del tono nelle frequenze basse, lasciando cioè il limite inferiore prossimo a poche decine di Hertz. Per fare ciò si ricorre all’iimpiego di resistenze o condensatori dimensionati correttamente sulla linea dei segnali provenienti dagli oscillatori o, ancora meglio, all’impiego di stadi separatori con componenti attivi.

Filtro passa basso

All’uscita del mixer, dicevamo, troviamo sia il segnale differenza (il segnale audio) che il segnale somma che essendo un segnale a radiofrequenza (nell’esempio prima esposto sui 400 Khz) deve essere eliminato per non disturbare i circuiti successivi. Tramite il filtro passa basso viene vengono eliminate tutte le conponenti con frequenza superiore alla banda audio. Solitamente questo circuito non fa uso di componentistica attiva.

Oscillatore volume

L’oscillatore del volume ha caratteristiche del tutto simili all’oscillatore intonazione 1: lavoro a radio frequenza, controllo della frequenza di lavoro tramite antenna. L’unica differenza È che viene fatto funzionare ad una frequenza diversa, generalmente intorno ai 350-400 Khz, rispetto agli altri due allo scopo di non interferire con il circuito dell’intonazione.

Filtro passa banda e rilevatore (o demodulatore).

Sull’uscita dell’oscillatore volume viene posto un filtro passa banda la cui frequenza centrale corrisponde a quella dell’oscillatore a riposo ovvero con la mano distante dall’antenna del volume; in questa condizione avremo all’uscita il massimo trasferimento del segnale generato dell’oscillatore. Man mano che viene avvicinata la mano all’antenna del volume, la frequenza di lavoro si allontana dalla frequenza centrale del filtro con il risultato che il segnale all’uscita diminuisce di ampiezza.

Demodulando, o meglio, raddrizzando il segnale sinusoidale prelevato dal filtro bassa banda otterremo una tensione continua (generalmente dell’ordine di pochi volt) il cui valore cambia in funzione della distanza della mano dall’antenna.

La condizione di riposo della sezione di controllo del volume si ottiene quando la frequenza dell’oscillatore coincide con la frequenza di taglio del filtro: la mano è distante dall’antenna del volume, a valle del circuito di demodulazione è disponibile la massima tensione. Avvicinando la mano all’antenna la tensione diminuisce fino ad arrivare praticamente a 0.

VCA

Il VCA (acronimo di Voltage Controlled Amplifier) è un circuito molto utilizzato nella manipolazione dei suoni, in particolar modo nei sintetizzatori. Il suo scopo è quello di aumentare o diminuire l’ampiezza o, se preferite, l’intensità di un segnale audio tramite una tensione di controllo.

Il VCA dello schema a blocchi controlla l’ampiezza del segnale audio di battimento (depurate dalle frequenze inutili) tramite l’ausilio della tensione variabile fornita dal circuito formato dall’oscillatore volume – filtro passa banda – rivelatore.
A seconda delle soluzioni circuitali scelte potrebbe essere necessario adeguare la tensione di controllo in termini di valori minimi a massimi, prima fornirla al VCA