Музыкальный метроном
Музыкальный метроном
Музыкальный метроном, Журнал Радио 6 номер 1998 год. ЭЛЕКТРОННЫЕ МУЗЫКАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МУЗЫКАЛЬНЫЙ МЕТРОНОМ
В. БАННИКОВ, г. Москва
В "Радио" ╧ 3 за 1996 г. была опубликована статья "Музыкальный метроном", которая нашла широкий отклик у читателей. Спустя некоторое время автор усовершенствовал свою конструкцию и сегодня знакомит с ее новым вариантом. Метроном, позволяющий не только задавать такт звуковыми "щелчками", но и воспроизводить ноты, может стать помощником начинающим, а также профессиональным музыкантам.
Музыкальный метроном, описанный в [1], удобен тем, что частоту музыкального темпа — от Largo до Prestissimo — можно легко проконтролировать и подстроить по какому-либо музыкальному инструменту со стабильным строем. Любой темп в метрономе настраивают индивидуально. Когда же из-за влияния температуры или питающего напряжения частота задающего генератора изменяется, приходится снова настраивать частоту F каждого темпа. Задача существенно упрощается, если на основе единого задающего генератора делением его частоты F0 на определенный коэффициент счета получить частоту любого темпа (подобно тому, как это сделано в устройствах [2]). Тогда, верно компенсируя уход частоты F0, удается правильно подстроить частоту не одного, а сразу всех музыкальных темпов.
Расчеты показывают, что наиболее удобно настроить задающий генератор на частоту ноты "ре" 7-й октавы (теоретическое значение F0 = 18794,545 Гц). Тогда, поделив частоту F0 на 8, получим ноту "ре" 4-й октавы, на 16 — "ре" 3-й октавы, на 32 — "ре" 2-й октавы, на 64 — "ре" 1 -й октавы. Наконец, если F0 с помощью 8-разрядного двоичного счетчика поделить на 256, сформируем прямоугольные импульсы частотой 73,4 Гц, что соответствует ноте "ре" большой октавы.
Далее потребуется использовать делитель частоты, обеспечивающий изменяемый двузначный коэффициент счета (деления частоты) К2. Например, если задать К2 = 98, то общий коэффициент деления К0 легко подсчитать: К0 = К1 • К2 = - 256 • 98 - 25088, где К1 = 256 — коэффициент счета первого (предварительного) счетчика. В этом случае на выходе второго делителя частоты формируются импульсы частотой Fфакт около 0,75 Гц (18794,5 Гц : 25088) и соответствующей самому медленному темпу Largo. Когда же К2 = 21, то К0 = 256 • 21 = 5376, или Fфакт= = 3,5 Гц — это самый быстрый темп Prestissimo. Другие темпы получим, принимая К2 равным 85, 73, 63, 54 и т. д. (см. табл. 1). Из таблицы видно, что относительная погрешность формирования частоты различных темпов не превышает 2%. На практике столь незначительная погрешность вполне допустима, поскольку частотное "расстояние" между соседними темпами составляет приблизительно 15%.
Схема метронома, построенного по такому принципу, показана на рис.1. На логических элементах DD1.1, DD1.2, резисторах R1, R2 и конденсаторе С1 собран задающий генератор, который настроен на частоту ноты "ре" 7-й октавы. В первом делителе частоты (двоичные счетчики DD2.1, DD2.2) она постепенно понижается. На выходах счетчиков формируется нота "ре" соответствующих октав (рис. 1). Импульсы с последнего выхода (частотой 73,4 Гц) поступают на вход второго делителя частоты, выполненного на счетчиках DD3, DD4 и элементах DD1.3, DD1.4, DD5.1. Остальные выходные сигналы счетчиков DD2.1 и DD2.2 поданы на контакты переключателя SA2.
Предположим, движок этого переключателя переведен в верхнее по схеме положение; на базу усилительного транзистора VT1, включенного по схеме эмиттерного повторителя с нагрузочными резисторами R5 и R6, подаются импульсы частотой ноты "ре" 4-й октавы. Когда же он установлен во второе сверху положение — ноты "ре" 3-й октавы и т. д. Если же он установлен в крайнее нижнее (пятое) положение — это нормальный рабочий режим, в котором на базу транзистора VT1 поступают импульсы со звукоформирующей части метронома, построенной на элементах DD5.2 — DD5.4, резисторах R3, R4, R7 и конденсаторах С2, С5.
Второй (перестраиваемый) делитель частоты выполнен по схеме, описанной в [3, рис.18]. Необходимый коэффициент счета задается с помощью переключателя SA1, имеющего 11 положений (по числу музыкальных темпов). Например, если движок установлен в крайнее нижнее положение, то вход 2 элемента DD5.1 соединен с выходом 2 (вывод 4) счетчика DD4, что задает число "20"; в то же время вход 1 элемента DD5.1 соединен с выходом 1 счетчика DD3 (вывод 2), что задает число "1". Таким образом, суммарный коэффициент счета равен 21, что соответствует темпу Prestissimo. Если же движок переключателя SA1 перевести в крайнее верхнее положение, входы элемента DD5.1 будут связаны с выходами 9 DD4 (вывод 11) и 8 DD3 (вывод 9), т. е. заданы числа "90" и "8", реализующие коэффициент счета К2 = 98 (темп Largo). Правильность задания других коэффициентов деления частоты К2 можно легко проследить по рис.1 и табл. 1. Важно, что при любом коэффициенте К2 на выходе элемента DD1.4 формируется короткий импульс длительностью 6,8 мс. При частоте 3,5 Гц (темп Prestissimo) период повторения импульса равен 286 мс, при медленном темпе Largo (0,75 Гц) — 1333 мс.
Как только упомянутый импульс в очередной раз заканчивается, ранее разряженный конденсатор С2 оказывается подключенным своей левой (по схеме) обкладкой к корпусу. Уровень напряжения на входах элемента DD5.2 станет низким, а на его выходе — высоким, разрешающим работу звукового генератора на элементах DD5.3 и DD5.4. Спустя некоторое время, зависящее от сопротивления переменного резистора R4, конденсатор С2 зарядится (через резисторы R3 и R4) настолько, что на выходе элемента DD5.2 высокий уровень вновь сменится низким, поэтому работа звукового генератора прекратится. Иначе говоря, звуковой генератор тут работает кратковременно, сразу же после окончания импульса длительностью 6,8 мс. Когда же импульс в очередной раз возникает снова, конденсатор С2 опять быстро разряжается. Разрядка происходит через внутренние диоды элемента DD5.2: их катод подключен к плюсу питания микросхемы, а анод — к соответствующему входу элемента. Более подробно см. в [4, рис. 6]). О том, как следует устанавливать длительность звукового импульса, чтобы добиться именно "щелчка", а не явственно различимого тона, детально рассказано в [1].
Сопротивление резистора R7 подбирают таким, чтобы пьезокерамический излучатель НА1 работал на частоте основного резонанса — согласно [5], для излучателя ЗП-1 — это чуть больше 2 кГц. Блокировочный конденсатор СЗ служит для устранения в цепи питания высокочастотных пульсаций напряжения, а С4 — низкочастотных. Защитный диод VD1 препятствует подаче на устройство напряжения обратной полярности. С резистора R6 через конденсатор С6 можно снимать выходной сигнал напряжением 0,25 В, что позволяет подключать метроном к входу звукоусилительной аппаратуры (например, через микшер), если его громкость окажется недостаточной. Поскольку сопротивление R6 мало, требования к экранированию соединительных проводов могут быть значительно понижены.
В паузах между отдельными "щелчками" метроном почти не потребляет электроэнергии, а во время "щелчка" потребляемый ток увеличивается примерно до 3...4 мА. Ясно, что энергопотребление будет тем больше, чем больше длительность звукового импульса (при частоте около 2 кГц она должна быть не менее 15 мс) и чем выше музыкальный темп. Так, при темпе Prestissimo метроном потребляет в среднем 0,15...0,2 мА, в то время как при темпе Largo — всего 0,03...0,045 мА, поэтому питать устройство вполне возможно от обычной батареи "Крона" или аккумуляторной батареи 7Д-0,115.
Чтобы подстроить одновременно все музыкальные темпы метронома, достаточно переключатель SA2 перевести в одно из четырех положений настройки, соответствующее ноте "ре1", "ре2", "ре3" или "ре4". Положение переключателя SA1 при этом значения не имеет. Взяв на каком-либо музыкальном инструменте с верным строем — фортепиано, аккордеоне либо баяне — точно такую же ноту, резистором R1 устанавливают частоту задающего генератора, при которой биения звуков отсутствуют. Когда это достигнуто, настройка метронома будет такой, как указано в табл. 1. Отметим, что наиболее громко будет звучать нота "ре4"; громкость же остальных нот, начиная с "ре3" и до "ре1", станет убывать по мере уменьшения номера октавы.
В рабочем режиме метроном воспроизводит однотональные звуковые удары — "щелчки". Если же необходимо воспроизводить как ординарные (обычные) удары, так и акцентированные (наиболее сильные), придется в метроном ввести дополнительный узел, схема которого показана в [1], рис. 2. Для этого, во-первых, исключают следующие компоненты: логические элементы DD5.2 — DD5.4, транзистор VT1, резисторы R3 — R7, конденсаторы С2, С5, С6, излучатель НА1. Во-вторых, вместо конденсатора С2 к выходу элемента DD1.4 метронома подключают нижний аход узла, который обозначен "К выв. 1 DD1". В-третьих, двупозиционный переключатель SA1 узла заменяют пяти-позиционным переключателем SA2 метронома: к его нижнему неподвижному контакту подключают выход элемента DD2.4, а подвижный контакт соединяют с базой транзистора VT1 дополнительного узла. Питают обе части устройства через общий диод VD1. О работе метронома, воспроизводящего "акценты" и "ординары", подробно рассказано в [1].
Но подстраивать метроном и периодически следить за правильностью его "строя" все-таки не очень удобно. Нельзя ли избежать этих процедур? Оказывается, вполне возможно. На рис. 2 показана отличающаяся часть метронома. Вместо исключенных логических элементов 001.1, DD1.2 и счетчиков DD2.1, DD2.2 (см. рис. 1) использована "часовая" микросхема К176ИЕ5 (DD2), включенная по типовой схеме в [6, рис. 9]. Стабильность "строя" метронома достигается стабилизацией частоты F0 = 32 768 Гц с помощью миниатюрного "часового" кварцевого резонатора ZQ1. На выходе 9 микросхемы К176ИЕ5 (вывод 1) формируются прямоугольные импульсы частотой 64 Гц. Грубо частота подбирается конденсатором С1, точно — С7.
Импульсы частотой 64 Гц подаются на вход перестраиваемого делителя, собранного на двух микросхемах К561ИЕ8 (DD3 и DD4). Разница состоит лишь в том, что способ разводки выходов этих микросхем к переключателю SA1 несколько изменен. Так как частота 64 Гц заметно отличается от частоты 73,4 Гц предыдущего варианта метронома, требуются другие значения К2 и К1 = 512 (см. табл. 2). Из таблицы видно, что погрешность формирования темпов у этого варианта метронома меньше, чем у предыдущего. Долговременная же стабильность частоты здесь гораздо выше. Заметим, что вместо короткого импульса длительностью около 6,8 мс формируется импульс длительностью примеро 7,8 мс. То и другое значение равно половине периода повторения импульсов, подаваемых на вход второго делителя частоты. В остальном работа этого метронома ничем не отличается от предыдущего.
Так как периодически контролировать частоту F0 задающего генератора уже не нужно, переключатель SA2 из схемы исключают, а базу транзистора VT1 соединяют с выходом элемента DD5.4 (обозначения на рис.1).
Поскольку в этом варианте метронома высвободились два элемента DD1.1 и DD1.2, на них целесообразно собрать предо конечный узел двухтактного мостового усилителя (исключив транзистор VT1, резисторы R5 и R6, конденсатор С6 и излучатель НА1 — рис. 1), работающего в экономичном переключательном режиме (рис.3).
Усилитель работает следующим образом. Пока "щелчка" нет, на входе усилителя, соединенном с выводом 11 микросхемы DD5, присутствует запрещающий низкий уровень, поэтому на выходе элемента DD1.1 — высокий уровень. Конденсатор С8 при этом разряжен через резистор R9. Для его разрядки достаточно всего лишь 15 мс. Из-за этого и на выходе элемента DD1.2 также высокий уровень, вследствие чего все транзисторы VT1—VT4 закрыты и ток через переменный резистор R10 не течет.
Когда на входе усилителя появляется "щелчок", представляющий собой пакет прямоугольных импульсов, конденсатор С8 быстро заряжается через диод VD2 и резистор R8. Для зарядки необходимо около 0,15 мс. Он остается заряженным, пока на входе усилителя есть импульсы "щелчка". Поэтому сигналы на выходе элементов DD1.1 и DD1.2 во время звуковой посылки противофазны, что и нужно для правильной работы мостового усилителя [2]. Через переменный резистор R10 — регулятор громкости метронома — течет переменный ток, периодически изменяющий не только свою величину, но и направление, а излучатель НА1 воспроизводит эту звуковую частоту.
Но как только очередной "щелчок" заканчивается, конденсаторов разряжается настолько, что высокий уровень появляется как на выходе элемента DD1.1, так и DD1.2. В дальнейшем цикл работы усилителя метронома повторяется.
Громкость метронома с таким усилителем существенно возрастает, но увеличивается и средний потребляемый ток. Например, при темпе Largo метроном потребляет в среднем менее 1 мА, а при темпе Prestissimo — порядка 3 мА. Но во время "щелчка" и чуть позже него потребляемый ток составляет приблизительно 30 мА, поэтому питать такой метроном от батареи "Крона" вряд ли целесообразно. Лучше использовать 5...9 элементов 334 или 337, столько же аккумуляторов Д-0,55 или 2...3 батареи 3336. Несколько снизить энергопотребление удается, уменьшив сопротивление резистора R9. Тогда время, в течение которого транзисторы VT1 и VT4 постоянно открыты после "щелчка", сокращается. Маломощную часть устройства (микросхемы) питают от того же источника через диод VD1.
Частота резонанса излучателя СП-1, согласно [7], составляет 3...4 кГц. Это означает, что сопротивление резистора R7 придется уменьшить в 1,5...2 раза, настроив тем самым звуковой генератор на резонанс конкретного излучателя. Кроме того, может потребоваться увеличение емкости конденсатора С2 примерно до 0,15 мкФ либо увеличение сопротивления резисторов R3 и R4 до 30 и 300 кОм соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Банников В. Музыкальный метроном. — Радио, 1996, ╧ 3, с. 52—55.
2. Банников В. Трехтональные музыкальные сигнализаторы. — Радио, 1996, ╧ 1, с. 46—48; ╧ 2, с. 45—47.
3. Алексеев С. Применение микросхем серии К561. — Радио, 1986, ╧ 12, с. 42—46.
4. Алексеев С. Формирователи и генераторы на микросхемах структуры КМОП. — Радио, 1985, ╧ 8, с. 31—35.
5. Александров И. Применение звукоизлучателя ЗП-1. — Радио, 1985, ╧ 12, с. 54.
6. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. — Радио, 1984, ╧ 4, с. 25—28.
7. Нечаев И. Охранные устройства с излучателем СП-1. — Радио, 1986, ╧ 3, с. 42, 43.
|
