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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Fortgeschrittenes musikalisches Metronom. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Musiker In „Radio“ Nr. 3, 1996, wurde der Artikel „Musical Metronome“ veröffentlicht, der bei den Lesern große Resonanz fand. Nach einiger Zeit hat der Autor sein Design verbessert und stellt heute seine neue Version vor. Ein Metronom, mit dem Sie nicht nur den Takt mit klanglichen „Klicks“ festlegen, sondern auch Noten spielen können, kann sowohl für Anfänger als auch für professionelle Musiker zum Assistenten werden. Das in [1] beschriebene Musikmetronom ist praktisch, da die Frequenz des Musiktempos – von Largo bis Prestissimo – leicht kontrolliert und an jedes Musikinstrument mit stabiler Stimmung angepasst werden kann. Jedes Tempo im Metronom kann individuell angepasst werden. Wenn sich aufgrund des Einflusses der Temperatur oder der Versorgungsspannung die Frequenz des Master-Oszillators ändert, muss die Frequenz F jedes Tempos erneut angepasst werden. Die Aufgabe wird erheblich vereinfacht, wenn man ausgehend von einem einzelnen Master-Oszillator durch Division seiner Frequenz F0 durch einen bestimmten Zählkoeffizienten eine Frequenz beliebigen Tempos erhält (ähnlich wie bei Geräten [2]). Durch die korrekte Kompensation der Drift der F0-Frequenz ist es dann möglich, die Frequenz nicht nur eines, sondern aller Musiktempos gleichzeitig korrekt anzupassen. Berechnungen zeigen, dass es am bequemsten ist, den Hauptoszillator auf die Frequenz der Note „D“ der 7. Oktave abzustimmen (theoretischer Wert F0 = 18794,545 Hz). Wenn wir dann die Frequenz F0 durch 8 teilen, erhalten wir die Note „D“ der 4. Oktave, durch 16 – „D“ der 3. Oktave, durch 32 – „D“ der 2. Oktave, durch 64 – „D“ von die 1. Oktave. Wenn F0 schließlich mit einem 8-Bit-Binärzähler durch 256 geteilt wird, erzeugen wir Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 73,4 Hz, was dem Ton „D“ einer großen Oktave entspricht. Als nächstes müssen Sie einen Frequenzteiler verwenden, der einen variablen zweistelligen Zählfaktor (Frequenzteilung) K2 liefert. Wenn Sie beispielsweise K2 = 98 festlegen, lässt sich der Gesamtteilungskoeffizient K0 einfach berechnen: K0 = K1 · K2 = - 256 · 98 - 25088, wobei K1 = 256 der Zählkoeffizient des ersten (vorläufigen) Zählers ist. Dabei entstehen am Ausgang des zweiten Frequenzteilers Impulse mit einer Frequenz Ffact von etwa 0,75 Hz (18794,5 Hz: 25088), die dem langsamsten Largo-Tempo entspricht. Wenn K2 = 21, dann K0 = 256 · 21 = 5376 oder Ffact = = 3,5 Hz – das ist das schnellste Prestissimo-Tempo. Wir erhalten andere Raten, indem wir K2 gleich 85, 73, 63, 54 usw. annehmen (siehe Tabelle 1). Die Tabelle zeigt, dass der relative Fehler bei der Bildung der Häufigkeit verschiedener Tarife 2 % nicht überschreitet. In der Praxis ist ein so kleiner Fehler durchaus akzeptabel, da der Frequenz-„Abstand“ zwischen benachbarten Raten etwa 15 % beträgt.
Das Diagramm eines nach diesem Prinzip aufgebauten Metronoms ist in Abb. 1 dargestellt. Aus den Logikelementen DD1.1, DD1.2, den Widerständen R1, R2 und dem Kondensator C1 wird ein Master-Oszillator zusammengesetzt, der auf die Frequenz der „D“-Note der 7. Oktave abgestimmt ist. Im ersten Frequenzteiler (Binärzähler DD2.1, DD2.2) nimmt er allmählich ab. An den Ausgängen der Zähler wird der Ton „D“ der entsprechenden Oktaven gebildet (Abb. 1). Impulse vom letzten Ausgang (mit einer Frequenz von 73,4 Hz) werden dem Eingang des zweiten Frequenzteilers zugeführt, der auf den Zählern DD3, DD4 und den Elementen DD1.3, DD1.4, DD5.1 erfolgt. Die restlichen Ausgangssignale der Zähler DD2.1 und DD2.2 werden den Kontakten des Schalters SA2 zugeführt.
Nehmen wir an, dass der Schieberegler dieses Schalters gemäß der Abbildung in die obere Position bewegt wird; Impulse mit der Frequenz der Note „D“ der 1. Oktave werden der Basis des Verstärkungstransistors VT5 zugeführt, der gemäß einer Emitterfolgerschaltung mit Lastwiderständen R6 und R4 verbunden ist. Wenn es in der zweiten Position von oben installiert ist – der Ton „D“ der 3. Oktave usw. Wenn es in der tiefsten (fünften) Position installiert ist – dies ist ein normaler Betriebsmodus, in dem Impulse vom Klang- Der bildende Teil wird an der Basis des Transistors VT1 des Metronoms empfangen, das auf den Elementen DD5.2 - DD5.4, den Widerständen R3, R4, R7 und den Kondensatoren C2, C5 aufgebaut ist. Der zweite (abstimmbare) Frequenzteiler ist nach der in [3, Abb. 18] beschriebenen Schaltung aufgebaut. Der gewünschte Zählkoeffizient wird mit dem Schalter SA1 eingestellt, der 11 Positionen hat (entsprechend der Anzahl der Musiktempi). Wenn der Schieberegler beispielsweise auf die unterste Position eingestellt ist, wird Eingang 2 des Elements DD5.1 mit Ausgang 2 (Pin 4) des Zählers DD4 verbunden, der die Zahl „20“ einstellt; Gleichzeitig wird Eingang 1 des Elements DD5.1 mit Ausgang 1 des Zählers DD3 (Pin 2) verbunden, wodurch die Zahl „1“ eingestellt wird. Somit beträgt der Gesamtpunktzahlfaktor 21, was dem Prestissimo-Tempo entspricht. Wird der Schalterschieber SA1 in die oberste Position bewegt, werden die Eingänge des Elements DD5.1 mit den Ausgängen 9 DD4 (Pin 11) und 8 DD3 (Pin 9) verbunden, also den Zahlen „90“ und „8“ eingestellt, wobei die Koeffizientenanzahl K2 = 98 (Largo Tempo) realisiert wird. Die Richtigkeit der Einstellung anderer Frequenzteilungskoeffizienten K2 ist in Abb. 1 und Tabelle leicht zu erkennen. 1. Es ist wichtig, dass für jeden Koeffizienten K2 am Ausgang des Elements DD1.4 ein kurzer Impuls mit einer Dauer von 6,8 ms entsteht. Bei einer Frequenz von 3,5 Hz (Prestissimo-Tempo) beträgt die Pulswiederholungsperiode 286 ms, bei einem langsamen Largo-Tempo (0,75 Hz) - 1333 ms. Sobald der erwähnte Impuls wieder endet, wird der zuvor entladene Kondensator C2 mit seiner linken (gemäß der Abbildung) Platte mit dem Gehäuse verbunden. Der Spannungspegel an den Eingängen des Elements DD5.2 wird niedrig und an seinem Ausgang hoch, wodurch der Betrieb des Tongenerators an den Elementen DD5.3 und DD5.4 ermöglicht wird. Abhängig vom Widerstandswert des variablen Widerstands R4 lädt sich der Kondensator C2 nach einiger Zeit (über die Widerstände R3 und R4) so stark auf, dass am Ausgang des Elements DD5.2 der hohe Pegel wieder auf niedrig wechselt, also der Betrieb des Tongenerators stoppt. Mit anderen Worten: Der Tongenerator arbeitet hier kurzzeitig, unmittelbar nach dem Ende eines 6,8-ms-Impulses. Bei erneutem Auftreten des Impulses entlädt sich der Kondensator C2 schnell wieder. Die Entladung erfolgt über die internen Dioden des DD5.2-Elements: Ihre Kathode ist mit der positiven Stromversorgung des Mikroschaltkreises verbunden und die Anode ist mit dem entsprechenden Eingang des Elements verbunden. Weitere Einzelheiten finden Sie in [4, Abb. 6]). Wie man die Dauer eines Schallimpulses so einstellt, dass ein „Klick“ statt eines klar unterscheidbaren Tons entsteht, ist in [1] ausführlich beschrieben. Der Widerstandswert des Widerstands R7 ist so gewählt, dass der piezokeramische Emitter HA1 auf der Hauptresonanzfrequenz arbeitet – laut [5] beträgt diese für den Emitter ZP-1 etwas mehr als 2 kHz. Der Sperrkondensator C3 dient zur Beseitigung hochfrequenter Spannungswelligkeiten im Stromkreis und C4 zur Beseitigung niederfrequenter Spannungsschwankungen. Die Schutzdiode VD1 verhindert, dass dem Gerät Spannung mit umgekehrter Polarität zugeführt wird. Vom Widerstand R6 bis zum Kondensator C6 erhalten Sie ein Ausgangssignal mit einer Spannung von 0,25 V, das es Ihnen ermöglicht, ein Metronom an den Eingang von Tonverstärkungsgeräten (z. B. über ein Mischpult) anzuschließen, wenn dessen Lautstärke nicht ausreicht. Da der Widerstand von R6 gering ist, können die Abschirmungsanforderungen für Verbindungsdrähte erheblich reduziert werden. In den Pausen zwischen einzelnen „Klicks“ verbraucht das Metronom nahezu keinen Strom, während des „Klicks“ steigt der Stromverbrauch auf ca. 3...4 mA. Es ist klar, dass der Energieverbrauch umso höher ist, je länger die Dauer des Schallimpulses (bei einer Frequenz von etwa 2 kHz sollten es mindestens 15 ms sein) und je höher das Musiktempo ist. Beim Prestissimo-Tempo verbraucht das Metronom also durchschnittlich 0,15...0,2 mA, während es beim Largo-Tempo nur 0,03...0,045 mA verbraucht, sodass es durchaus möglich ist, das Gerät mit einer normalen Krona-Batterie oder Batterie zu betreiben 7D-0,115. Um alle musikalischen Tempi des Metronoms gleichzeitig einzustellen, genügt es, den Schalter SA2 auf eine von vier Einstellungen entsprechend der Note „re1“, „re2“, „re3“ oder „re4“ zu stellen. Die Stellung des Schalters SA1 spielt keine Rolle. Nachdem auf einem Musikinstrument mit der richtigen Stimmung – Klavier, Akkordeon oder Knopfakkordeon – genau dieselbe Note gespielt wurde, stellt der Widerstand R1 die Frequenz des Hauptoszillators ein, bei der keine Schwebungsgeräusche zu hören sind. Wenn dies erreicht ist, ist die Metronomeinstellung wie in der Tabelle angegeben. 1. Beachten Sie, dass die Note „re4“ am lautesten erklingt; Die Lautstärke der verbleibenden Noten, beginnend bei „re3“ und bis zu „re1“, nimmt mit abnehmender Oktavzahl ab. Im Betriebsmodus spielt das Metronom Einzeltonschläge – „Klicks“. Wenn es notwendig ist, sowohl normale (normale) Schläge als auch akzentuierte (stärkste) Schläge zu spielen, müssen Sie einen zusätzlichen Knoten in das Metronom einführen, dessen Diagramm in [1], Abb., dargestellt ist. 2. Schließen Sie dazu zunächst folgende Komponenten aus: Logikelemente DD5.2 - DD5.4, Transistor VT1, Widerstände R3 - R7, Kondensatoren C2, C5, C6, Emitter HA1. Zweitens ist anstelle des Kondensators C2 der untere Ausgang des Geräts, der mit „An Pin 1.4 von DD1“ bezeichnet ist, mit dem Ausgang des Metronomelements DD1 verbunden. Drittens wird der Zwei-Positionen-Schalter SA1 des Knotens durch einen Fünf-Positionen-Schalter SA2 des Metronoms ersetzt: Der Ausgang des Elements DD2.4 wird mit seinem unteren festen Kontakt verbunden, und der bewegliche Kontakt wird mit der Basis von verbunden der Transistor VT1 des zusätzlichen Knotens. Beide Geräteteile werden über eine gemeinsame Diode VD1 mit Strom versorgt. Die Funktionsweise des Metronoms, das „Akzente“ und „Ordinaries“ wiedergibt, ist ausführlich in [1] beschrieben.
Aber das Einstellen des Metronoms und die regelmäßige Überwachung der Richtigkeit seiner „Stimmung“ sind immer noch nicht sehr praktisch. Können diese Verfahren vermieden werden? Es stellt sich heraus, dass es durchaus möglich ist. In Abb. Abbildung 2 zeigt einen anderen Teil des Metronoms. Anstelle der ausgeschlossenen Logikelemente 001.1, DD1.2 und Zähler DD2.1, DD2.2 (siehe Abb. 1) wurde eine „Uhr“-Mikroschaltung K176IE5 (DD2) verwendet, die gemäß der Standardschaltung in [6, Abb . 9]. Die Stabilität der Metronom-„Stimmung“ wird durch die Stabilisierung der Frequenz F0 = 32 Hz mithilfe eines Miniatur-„Uhr“-Quarzresonators ZQ768 erreicht. Am Ausgang 1 der Mikroschaltung K9IE176 (Pin 5) entstehen Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 1 Hz. Grob wird die Frequenz durch den Kondensator C64 ausgewählt, genauer gesagt durch C1. Impulse mit einer Frequenz von 64 Hz werden dem Eingang eines abstimmbaren Teilers zugeführt, der auf zwei K561IE8-Mikroschaltungen (DD3 und DD4) aufgebaut ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Art und Weise, wie die Ausgänge dieser Mikroschaltungen an den SA1-Schalter weitergeleitet werden, leicht geändert ist. Da sich die Frequenz von 64 Hz deutlich von der Frequenz von 73,4 Hz der Vorgängerversion des Metronoms unterscheidet, sind andere Werte von K2 und K1 = 512 erforderlich (siehe Tabelle 2). Die Tabelle zeigt, dass der Fehler bei der Tempobildung bei dieser Version des Metronoms geringer ist als bei der vorherigen. Die langfristige Frequenzstabilität ist hier deutlich höher. Beachten Sie, dass anstelle eines kurzen Impulses mit einer Dauer von etwa 6,8 ms ein Impuls mit einer Dauer von etwa 7,8 ms erzeugt wird. Beide Werte entsprechen der halben Wiederholungsperiode der dem Eingang des zweiten Frequenzteilers zugeführten Impulse. Ansonsten unterscheidet sich die Bedienung dieses Metronoms nicht vom vorherigen.
Da eine periodische Überwachung der Frequenz F0 des Hauptoszillators nicht mehr erforderlich ist, wird der Schalter SA2 aus der Schaltung ausgeschlossen und die Basis des Transistors VT1 mit dem Ausgang des Elements DD5.4 verbunden (Bezeichnungen in Abb. 1). Da in dieser Version des Metronoms zwei Elemente DD1.1 und DD1.2 freigesetzt wurden, empfiehlt es sich, darauf die Endmontage eines Push-Pull-Brückenverstärkers zu montieren (ohne Transistor VT1, Widerstände R5 und R6, Kondensator C6 und Emitter). HA1 - Abb. 1), Betrieb im sparsamen Schaltmodus (Abb. 3).
Der Verstärker funktioniert wie folgt. Während kein „Klick“ zu hören ist, liegt am Verstärkereingang, der mit Pin 11 der DD5-Mikroschaltung verbunden ist, ein unerschwinglicher niedriger Pegel an, sodass der Ausgang des DD1.1-Elements einen hohen Pegel aufweist. Der Kondensator C8 wird über den Widerstand R9 entladen. Die Entladung dauert nur 15 ms. Aus diesem Grund ist auch der Ausgang des Elements DD1.2 hoch, wodurch alle Transistoren VT1-VT4 geschlossen sind und kein Strom durch den variablen Widerstand R10 fließt. Wenn am Verstärkereingang ein „Klick“ auftritt, bei dem es sich um ein Paket rechteckiger Impulse handelt, wird der Kondensator C8 über die Diode VD2 und den Widerstand R8 schnell aufgeladen. Der Ladevorgang dauert etwa 0,15 ms. Es bleibt geladen, solange es „Klick“-Impulse am Verstärkereingang gibt. Daher sind die Signale am Ausgang der Elemente DD1.1 und DD1.2 während der Tonübertragung phasenverschoben, was für den korrekten Betrieb des Brückenverstärkers [2] notwendig ist. Durch den variablen Widerstand R10 – den Lautstärkeregler des Metronoms – fließt ein Wechselstrom, der periodisch nicht nur seinen Wert, sondern auch seine Richtung ändert, und der Sender HA1 reproduziert diese Tonfrequenz. Doch sobald der nächste „Klick“ endet, werden die Kondensatoren so weit entladen, dass sowohl am Ausgang des Elements DD1.1 als auch am Ausgang von DD1.2 ein hoher Pegel auftritt. Anschließend wiederholt sich der Arbeitszyklus des Metronomverstärkers. Die Lautstärke eines Metronoms mit einem solchen Verstärker erhöht sich deutlich, allerdings steigt auch der durchschnittliche Stromverbrauch. Beispielsweise verbraucht das Metronom im Largo-Tempo durchschnittlich weniger als 1 mA und im Prestissimo-Tempo etwa 3 mA. Während des „Klicks“ und etwas später beträgt der Stromverbrauch jedoch etwa 30 mA, sodass es kaum ratsam ist, ein solches Metronom mit einer Krona-Batterie zu betreiben. Es ist besser, 5...9 Elemente 334 oder 337, die gleiche Anzahl D-0,55-Batterien oder 2...3 3336-Batterien zu verwenden. Es ist möglich, den Stromverbrauch etwas zu reduzieren, indem man den Widerstand des Widerstands R9 verringert. Dann wird die Zeit reduziert, in der die Transistoren VT1 und VT4 nach dem „Klick“ ständig geöffnet sind. Der stromsparende Teil des Geräts (Mikroschaltungen) wird über die Diode VD1 von derselben Quelle gespeist. Die Resonanzfrequenz des SP-1-Emitters beträgt laut [7] 3...4 kHz. Das bedeutet, dass der Widerstandswert des Widerstands R7 um das 1,5- bis 2-fache reduziert werden muss, um den Klangerzeuger auf die Resonanz eines bestimmten Senders abzustimmen. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, die Kapazität des Kondensators C2 auf etwa 0,15 μF zu erhöhen oder den Widerstandswert der Widerstände R3 und R4 auf 30 bzw. 300 kOhm zu erhöhen. Literatur
Autor: V.Bannikov, Moskau
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