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Dernière mise à jour : 25/02/2024

Présentation

Le theremin présenté ici est le premier que j'ai construit, en 2009.

Il est issu d'un des montages listés sur le site Theremin World, auquel j'ai apporté des corrections (erreur de numéro de broche des circuits intégrés). Il est simple à faire et ne requiert que des composants faciles à trouver, mais il est relativement décevant, car quasiment injouable. Bon, il s'agit d'un beau gadget qui à l'époque a tout de même ravi mes enfants, et cela ne m'a pas empêché de lui concocter un petit circuit imprimé 15 ans plus tard. Peut-être faut-il davantage voir cette réalisation comme un générateur sonore particulier plutôt que comme un véritable instrument de musique...

Schéma

Ce theremin comporte trois circuits intégrés et se présente ainsi.

Par rapport au schéma d'origine de 2009, j'ai ajouté un amplificateur BF intégré (LM386) pour le raccord direct d'un petit haut-parleur.

Premier oscillateur (fréquence fixe)

Comme dans tout theremin, il y a au moins deux oscillateurs : un dont la fréquence doit être fixe (et la plus stable possible), et un autre dont la fréquence est modifiée par l'approche de la main. Ici, le premier oscillateur est construit avec des portes inverseuses comprises dans un boitier de type CD4069, qui en contient six (trois sont inutilisées ici). L'oscillateur à proprement parler est construit autour des deux portes logiques U1:A et U1:B, la porte U1:C ne sert que de "tampon", qui peut être vu comme un "isolateur" entre l'oscillateur même et le reste du circuit auquel il est raccordé. Ce "tampon" évite que ce qui "bouge" après ne puisse perturber le fonctionnement de l'oscillateur, et contribue ainsi à sa stabilité en fréquence. Nous disposons donc au point A (sortie 6 de U1:C), d'un signal dont la fréquence est censée être fixe.

Second oscillateur (fréquence variable)

Le second oscillateur, qui est un VCO (Voltage Controlled Oscillateur, oscillateur contrôlé en tension), fait partie intégrante du second circuit intégré de type CD4046, lequel contient également des comparateurs de phase spécialement conçus pour réaliser une PLL (Phased Lock Loop, boucle à verrouillage de phase). Ici, point l'idée de réaliser une boucle à verrouillage de phase, on se sert simplement des diverses fonctions du CI de façon "autonome". C'est facile à faire et ça coûte moins cher que de refaire ces mêmes fonctions avec des composants discrets. Nous exploitons donc l'oscillateur interne au CD4046 pour produire notre second signal, délivré sur la borne 4 de U2 (point B). Notons au passage que la tension de commande du VCO est fixe et que ce n'est donc pas par ce biais que la fréquence de l'oscillateur va bouger. Au contraire, tout est même fait pour que cette tension de commande ne bouge pas, en la stabilisant au mieux avec la diode zener interne au CD4046 et accessible grâce à la borne 15 du circuit. Par contre, la fréquence de l'oscillateur peut être ajustée grâce à RV1, potentiomètre de réglage du "zéro", qui permet au repos de ne rien entendre.

Variation de la fréquence
Très bien, mais comment la fréquence de cet oscillateur variable peut-elle changer en fonction de la position de la main ? On se base simplement sur une caractéristique d'un oscillateur HF, qui pour osciller nécessite des composants de "faibles valeur", notement au niveau du condensateur qui permet d'entretenir l'oscillation. Ici, le condensateur en question est C3, dont la valeur est de 56 pF. Une antenne y est raccordée, et cette antenne, avec la main à proximité, constitue une sorte de "condensateur parasite" dont la valeur est d'autant plus élevée que la main est proche. C'est ce "condensateur parasite" qui vient s'ajouter au condensateur "normal" C3, et qui contribue à la modification de la fréquence d'oscillation. La valeur de ce condensateur parasite reste cependant faible, c'est pourquoi un oscillateur de theremin doit fonctionner à fréquence élevée. S'il fonctionnait à fréquence trop basse, les variations de fréquence seraient faibles et on ne pourrait pas jouer sur une grande étendue de notes (les variations de la capacité parasite seraient faibles en regard de la capacité normale).

Mélangeur

Le mélange est une des fonctions qu'on ne peut éviter dans un appareil tel que le theremin. Il permet de mixer deux fréquences proches l'une de l'autre afin d'en produire d'autres dont une sera audible car tombant dans le domaine des fréquences basses (entre 20 Hz et 20 KHz). Vous l'avez sans doute deviné, les deux signaux à mélanger sont ceux issus d'une part de l'oscillateur à portes logiques (point A), et d'autre part du VCO intégré dans le CD4046 (point B). La fréquence de chacun de ces oscillateurs est voisine de 100 kHz. Admettons que l'oscillateur fixe délivre au point A, un signal de fréquence 100 kHz et que le VCO délivre quant à lui un signal de fréquence 98 kHz. En sortie du comparateur de phase N°1 du CD4046 (borne 2 de U2), nous allons retrouver un "mélange" des deux signaux qui auront produit deux nouveaux signaux : un totalement inaudible situé à 198 kHz qui est le résultat de la somme deux signaux mélangés, et un autre parfaitement audible de 2 kHz qui est le résultat de la différence des deux signaux mélangés.
Remarque : on utilise ici un comparateur de phase pour effectuer le mélange des deux signaux (on sort un peu des sentiers battus), mais un vrai mélangeur (à diodes) donnerait de meilleurs résultats, voir Theremin 002.

Sortie audio

Le montage est simple, aucun filtrage particulier n'est assuré en sortie du comparateur de phase de U2. Les signaux fournis ne sont pas très "propres" mais ils sont audibles et c'est le pincipal. Leur amplitude est assez élevée, puisque proche de la tension d'alimentation. Le signal audio ainsi issu du CD4046 sous sa forme logique est transmis sur le connecteur J1 (sortie ligne) après atténuation ajustable par RV2, et en même temps il aboutit à l'entrée de l'amplificateur intégré U3/LM386. Ce dernier n'est absolument pas indispensable et pourra être omis si la sortie "ligne" est reliée à un amplificateur externe. A noter que lors des premiers tests réalisés en 2009, j'avais osé relier un petit haut-parleur en sortie du CD4046, en passant il est vrai à travers une résistance de 22 ohms pour ne pas chagriner le circuit intégré. Cela suffisait pour entendre quelque chose.

Prototypes

Dans un premier temps (2009) réalisé sur une plaque d'expérimentation sans soudure. Dans un second temps (2024) réalisé sur un PCB.

Prototype #1 - (2009)

Vous allez peut-être me dire que ce ce type de montage n'est pas adapté aux hautes fréquences. C'est vrai. Mais ce qui est fait est fait.

Prototype #2 - (2024)

Sur PCB, sans fil volant (à part l'antenne).

Les résultats ne sont pas meilleurs que ceux que j'avais obtenus avec mon premier prototype. Le système réagit bien à l'approche de la main vers l'antenne, mais il est instable au possible même après l'avoir laissé longtemps "en chauffe", il faut réajuster le "zéro" sans arrêt. Ceci dit, les bruits délivrés sont parfaitement adaptés pour bruiter (simuler) un système de communication radio qui fonctionne mal... Merci Léon !

Circuit imprimé (PCB)

Réalisé en double face (peut-être n'aurais-je pas dû).

Historique

25/02/2024
- Ajout photos prototype #2 de 2024.

04/02/2024
- Ajout dessin PCB.

22/04/2009
- Première mise à disposition.