你知道那些背景音乐刺耳而怪异的老式科幻电影吗?那些独特的声音是用特雷门琴发出的，特雷门琴是一种可以在没有身体接触的情况下演奏的电子乐器。当演奏时，操作者可以通过手相对于两个天线的位置来控制音量和音调。

该项目将演示如何使用易拉罐作为天线在ADS上构建和调试一个简单的特雷门琴！考虑到易用性，在这个项目中将只利用特雷门琴演示音调调节。所实现的设计如下侧框图所示。增加音量控制并不需要太多额外的工作，大家可以自行尝试。

在此，我们不会深入探讨特雷门琴的工作原理。简单地说，天线(易拉罐)就像电容的一块板，你的手将充当电容的另一块板。因此，通过改变双手和天线的距离，就可以改变电路的电容。随着振荡器中电容的变化，振荡器的输出频率也会发生变化。这种频率的变化可以在电路末端的扬声器上听到。

清单

变频振荡器

对于变频振荡器，我们将使用OP27运算放大器搭建。OP27的引脚和规格说明可以在datasheet中看到。放置运算放大器，使其横跨在面包板的凹槽，并且槽口朝向面包板的顶部（如图所示）。运算放大器在一端需要 +5V，在另一端需要 -5V。也就是说，面包板的一个电源轨道指定为+5V，另一个电源轨道指定为-5V。在下图的面包板中，红线用于连接+5V，白线用于连接-5V。运算放大器的引脚7连接到+5V。运算放大器的引脚4连接到-5V。黑线用于接地。把100pF电容放在面包板接地端和运算放大器引脚2之间。现在我们放置电阻，振荡器中使用的所有电阻都是100kΩ，在运算放大器引脚2到引脚6之间放置一个电阻，在运算放大器引脚3到引脚6之间放置另一个电阻，将最后一个电阻放在面包板接地端和运算放大器引脚3之间。

易拉罐要与电容并联。将黑色跳线的一端连接到面包板的接地端。当你操作特雷门琴时，你要用右手握住线缆的另一端。将绿色跳线的一端连接到运算放大器的引脚2，另一端接到易拉罐上（在这里，使用稍长的线缆更容易操作）。线缆的连接，可以使其与罐头顶部的标签固定，也可以将电线绑在罐子上，只要确保有金属间的接触即可。用右手拿着黑线缆，此时你的身体就是电路的一部分，且可以用左手充当带有易拉罐的电容板。

将一根线缆连接到运算放大器的引脚6。这会将该振荡器的输出电压传送到电路的下一部分，加权加法器。

要查看此电路模块的输出，请打开WaveForms，在Supplies 仪器中将可变电源分别设置 +5V 和 -5V。启用两个电源，然后打开面包板上的V±开关为电路供电。

将示波器通道1+连接到模块的输出端，将通道1-接地，然后打开并启动Scope仪器。当你把手移向易拉罐时，你应该会看到振荡频率的变化。

定频振荡器  

定频振荡器的输出应该是频率接近于变频振荡器的正弦波。在这个项目中，大约是32 kHz。为了实现这一点，我们可以使用Analog Parts Kit中的AD654 电压-频率转换器和低通滤波网络来滤除产生方波中的高频谐波。

  对于定频振荡器，我们将使用OP37运算放大器搭建。OP37的引脚和规格可以在datasheet中看到。

放置运算放大器，使其横跨在面包板的凹槽，并且槽口朝向面包板的顶部（如图所示）。运算放大器在一端需要 +5V，在另一端上需要 -5V。也就是说，面包板的一个电源轨道指定为+5V，另一个电源轨道指定为-5V。在下图的面包板中，红线用于连接+5V电源轨，白线用于连接-5V电源轨。连接运算放大器的引脚7到正电源轨 (+5V)。将运算放大器的引脚4连接到负电源轨(-5V)。

将1nF电容放置在面包板接地端和运算放大器引脚2之间。在运算放大器引脚2到引脚6之间放置一个10kΩ电阻。在运算放大器引脚3到引脚6之间放置另一个10kΩ电阻。将20kΩ电阻放在面包板的接地端和运算放大器的引脚3之间。

将一根线缆连接到运算放大器的引脚6。这将把输出电压从振荡器传送到低通滤波网络。该网络由三个RC低通滤波器组成，串联连接，第一个连接到运算放大器的输出(引脚6)，该模块的输出取自最后一个电容的未接地引脚。

要查看该模块不同部分的信号，需按前面描述接通电路，然后将示波器通道1+连接到运算放大器的输出(引脚6)，通道2+连接到低通滤波网络的输出。不要忘记将通道 1-和 通道2-接地。

如下图所示，输出信号更像是三角波，而不是正弦波，但对于此应用中，该误差是可接受的。

混合 

电路的下一部分，加权加法器，用来混合来自固定和可变频率振荡器的信号。我们将使用另一个 OP27。

从振荡器沿面包板向下移动几个孔，然后放置 OP27，使其横跨面包板的凹槽，且槽口侧朝向面包板的左侧。正如我们在构建振荡器时所做的那样，连接运算放大器的引脚7到正电源轨，运算放大器的引脚4到负电源轨。将运算放大器的引脚3连接到面包板上的一个接地端上。

如下图所示，并联两个 47kΩ 电阻。两个电阻都应连接到运算放大器的引脚2。电阻的排布应如图所示断开一行。将从变频振荡器输出的线缆连接到47kΩ 电阻的其中一个。将定频振荡器之后的低通滤波器网络的输出连接到另一个 47kΩ 电阻。最后，在运算放大器的引脚 6 处放置一根橙线，就像在步骤 1 中一样。这会将加权加法器的输出连接到电路的下一部分，即包络检波器。

由于两个输入信号的频率非常接近，当它们相加时，就会产生干扰，产生一个节拍 (一种特定的干扰模式)。此时，输出信号仍然在可听频域之外，但可以用示波器可视化。

检波器  

加权加法器输出的新信号将通过一个包络检波器，该检波器跟踪拍频模式。

注意：二极管的方向非常重要。Analog Parts Kit中的二极管是橙色的，有黑色环标识的一端是“阴”极。

包络检波器的输入是加权加法器的输出。从加权加法器向下移动几个孔，将橙线（来自加权加法器）的另一端连接到二极管的橙色（“阳极”）侧。在二极管的阴极，并联 10kΩ 电阻和 47nF 电容。将电阻和电容的另一侧连接到地。

该电路的输出位于二极管、电阻和电容的连接处。在此处连接一根橙线，用于接入下一部分电路。

输出信号处在可听域中。但实际信号比较弱，且振幅较小，直流偏移却较大，这会损坏扬声器，因此需要进一步处理。

放大器  

这里使用的放大器是使用 OP37 运算放大器构建的反相放大器。与OP27相比，OP37 具有相同的引脚输出，并且指令动作也类似。如果您感兴趣，下方是OP37特定的数据表。

从检波器输出进一步向下搭建电路，以与放置 OP27相同的方式放置 OP37，横跨电路板的凹槽，槽口朝向面包板的顶部。与前两个运算放大器一样，将运算放大器的引脚 7 连接到面包板的 +5V 电源轨，引脚 4 连接到面包板的 -5V 电源轨。在运算放大器附近放置一个 10kΩ 电位器。该电位器将用于设置信号的振幅（音量）。将中间引脚连接到运算放大器的引脚 2，将另一个引脚连接到运算放大器的引脚 6。放置一个 4.7kΩ 电阻，使其一侧连接到运算放大器的引脚 2。电阻的另一侧应该连接到包络检波器的输出。

运算放大器的引脚3通常会通过一个电阻接地。在这种情况下，理想的做法是使用尽可能大的电阻。为了模拟一个无限电阻，我们将让引脚 3 悬空，这样它就是一个“开路”。没有电流可以流过开路，所以它就像一个无限的电阻。

将 100nF 电容连接到运算放大器的输出端（引脚6）。将一根线缆连接到电容的另一个引脚上。这将用于将放大器输出信号发送到扬声器，而电容串联输出将消除信号的直流偏移（去耦电容）。

为了可视化信号，将示波器通道 1+连接到模块的输入端，将通道2+连接到经过去耦电容后的输出端。不要忘记将通道1-和通道2-接地。

功率放大器  

此时，你可以在上一个模块的输出和地之间连接扬声器或音频连接器。或者你可以按照以下步骤进一步在扬声器之前添加一个功放电路，这将使你的“音乐”更响亮。如果你打算使用一个单独的音频放大器(可能内置在扬声器中)，那么你可以省去这部分。

由于运算放大器的输出电流应保持尽可能低（根据datesheet应低于 ±10mA），但一个8Ω扬声器在1V振幅信号时将产生超过100mA的电流(我们的信号甚至会有高于1V的振幅)，要达到最大响度，可以使用 AB 类功率放大器来提供必要的电流。

将 NPN 和 PNP 晶体管的发射极连接在一起。将NPN晶体管的集电极连接到+5V，将PNP晶体管的集电极连接到-5V。在每个晶体管的基极和集电极之间连接一个 10KΩ 电阻。

将二极管的阳极（“正极”引脚）连接到 NPN晶体管的基极。将第二个二极管的阳极连接到第一个二极管的阴极，将第二个二极管的阴极连接到 PNP 晶体管的基极（如下图所示）。

功率放大器的输入端是第一个二极管的阴极，在此处连接上一级放大器的输出信号。功放的输出端是晶体管的发射极。

回顾整个电路

整个电路的原理图和电路板图如下所示。

要使用特雷门琴，需要打开WaveForms，打开Supplies仪器，启用正负可变电源并将它们的电压分别设置为 +5V 和 -5V。打开Breadboard Canvas上的开关。你可以使用小螺丝刀通过微调电位器调节特雷门琴的音量大小。

简化电路与编写软件

这次特雷门琴将主要通过软件实现：我们将使用 Python 3 和 WaveForms SDK 来记录变频振荡器的输出，生成定频振荡器的输出（虚拟），并混合两个信号。包络检波器和放大器也将在软件中实现。

注意：如果你不熟悉在 Python 中使用 WaveForms SDK，请查看本指南：Getting Started with WaveForms SDK.

修改电路  

由于ADS不能直接测量电容（阻抗分析仪可以测量电容，但它需要一个波形发生器通道，这对于这个应用来说太慢了），我们仍然需要前面电路的第一个模块（参见变频振荡器部分）。你将不需要电路的其他部分。

将示波器通道 1+连接到振荡器的输出，1-通道接地。

将示波器通道 2+连接到 10kΩ 电位器的中间引脚，通道 2-接地。使用跳线将电位器的另一个未连接的引脚连接到电源正极，另一个引脚接地。这个电位器将设置特雷门琴的音量。

模块  

在下文中，将创建单独的 python 模块来控制测试和测量设备及不同的仪器。

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设备

该模块包含加载 WaveForms SDK 以及连接和断开 ADS的功能。