Monodic musical instrument with integrated circuits
(Articol publicat in revista Tehnium nr.12/1994)
In cele ce urmeaza se prezinta un instrument muzical monodic cu claviatura, avand in componenta circuite integrate ieftine, de larga utilizare, ceea ce il face accesibil unei mase largi de constructori amatori cu preocupari in acest domeniu. In elaboarea schemei am urmarit obtinerea cu mijloace simple a unui instrument capabil sa genereze sunete cat mai muzicale si in consecinta, sa poata fi utilizat efectiv pentru muzica.
Daca avem in vedere latura lor estetica, sunetele muzicale poseda caracteristici specifice, personalitatea lor fiind conferita de o multitudine de factori, pe care trebuie sa-i avem in vedere, in masura in care este posibil, atunci cand urmarim obtinerea lor pe cale electronica.
Dintre acestia, schema propusa se axeaza in principal pe timbrul sunetelor generate si tot odata, pe procesul tranzitoriu de stabilire a emisiei sonore, factori care dau sunetelor o caracteristica inconfundabila.
In circuitele destinate formarii timbrului, schema isi bazeaza functionarea pe mixarea semnalelor dreptunghiulare corespunzatoare tonurilor fundamentale cu semnale similare de frecvente mai ridicate, astfel alese incat semnalul obtinut dupa mixare sa contina in spectru si armonici pare, acestea avand un efect pozitiv asupra sonoritatii instrumentului.
In privinta regimului tranzitoriu mentionat, schema permite mascarea efectelor negative generate de momentele intrarii in oscilatie a generatorului de tonuri (la inchiderea contactelor claviaturii), prin validarea semnalului audio numai dupa ce aceste momente au fost depasite, permitand tot odata aparitia gradata a sunetelor, in modul caracteristic grupei "strings".
Asa cum se se observa in schema din fig.1, oscilatorul-pilot realizat cu circuitul integrat CI-2 de tip BE555 genereaza impulsuri dreptunghiulare disponibile la pinul 3, cu frecvente comutabile prin contactele claviaturii K1... K37.
Intrucat oscilatorul este alimentat cu 5V, iesirea sa este compatibila cu nivele TTL, astfel ca aceasta se aplica direct pe intrarea de ceas (pin 14), a unui numarator binar de 4 biti (CI-3 de tip CDB493E) utilizat ca divizor de frecventa. Pentru evitarea efectului de dubla triggerare care poate sa apara la atacul unei intrari TTL de catre iesirea timerului BE 555, in schema s-a prevazut condensatorul C10.
Datorita conexiunii externe intre pinii 1 si 12, toti cei 4 bistabili continuti de circuitul integrat CI-3 apar legati in cascada si la iesirile QA, QB, QC, QD, sunt livrate simultan 4 semnale ale caror frecvente fundamentale sunt de 2, 4, 8 si respectiv 16 ori mai mici decat frecventa de lucru a oscilatorului-pilot. Din aceste semnale se va forma in continuare semnalul de iesire, pornind de la ideea ca, ascultandu-le simultan (dozate corespunzator), auzul va percepe ca tonuri de baza, care dau efectiv senzatia de inaltime, tonurile corespunzatoare fundamentalei semnalului rezultat la iesirea QD (pin 11), celelalte 3 semnale influentand numai structura armonica a tonurilor, structura a carui corespondent subiectiv este timbrul.
Considerate individual, fiecare din cele patru semnale contin in spectru o multime de armonici impare, dar nici o armonica para, ele fiind de fapt impulsuri cu factor de umplere 1/2 (simetrice). Corespondentul subiectiv este asa-numitul "timbru de clarinet", si se datoreaza in special armonicii de ordinul 3 (cvinta octavei), care imprima sunetului timbrul nazal specific acestui instrument.
In raport cu semnalul de la iesirea QD, semnalele de la iesirile QC, QB si QA vor avea frecvente fundamentale de 2, 4 si respectiv 8 ori mai mari. Prin urmare, fata de frecventa fundamentala a semnalului de la iesirea QD, frecventele fundamentale ale semnalelor de la celelalte 3 iesiri mentionate, sunt de fapt armonicile a doua (octava), a patra (dubla octava) si respectiv a opta.
Dupa ce traverseaza portile NAND din componenta circuitului integrat CI-4 (de tip CDB400E), care actioneaza numai asupra modului de evolutie in timp a amplitudinilor acestora, neafectand componenta spectrala, cele 4 semnale se mixeaza prin intermediul rezistentelor R11... R14. Rezulta, astfel, un semnal complex, cu un spectru bogat in armonici, atat impare cat si pare. Semnalul de baza se transmite la iesire prin rezistenta R11, iar pentru semnalele destinate imbogatirii spectrului, s-a prevazut posibilitatea dozarii in amplitudine prin intermediul potentiometrelor P4, P5 si P6.
Condensatorul C12 serveste la separarea galvanica fata de filtrele cu care se va dota instrumentul. Amplitudinea este suficient de mare, astfel incat schema din fig.1 poate ataca direct filtre pasive, fara a fi neaparat necesara intercalarea amplificatoarelor pentru registre.
Problema eliminarii pocniturilor ("clicks") care apar la comutatia claviaturii in momentele amorsarii oscilatorului-pilot, se rezolva, in aplicatia de fata, cu circuitul integrat CI-4 (CDB400) intr-o schema mai putin uzuala, comandat de catre tranzistoarele T2, T3 si componentele anexe.
Solutia aleasa se bazeaza pe constatarea experimentala ca circuitele TTL pot avea si o comportare analogica, cu toate ca sunt destinate sa opereze normal doar cu doua nivele discrete de tensiune, corespunzatoare celor doua stari logice. In functionare normala, lucrand cu circuite TTL, un semnal dreptunghiular aplicat pe una din intrarile unei porti NAND, apare la iesire cu o amplitudine dependenta de valorile tensiunilor corespunzatoare nivelelor logice caracteristice, numai atunci cand pe cealalta intrare se aplica 1 logic. Pentru 0 logic poarta este blocata si iesirea se stabileste in 1 logic, asa cum rezulta din tabela de adevar a functiei NAND. Cu alte cuvinte, poarta se valideaza cu 1 logic.
Daca insa pe intrarea de validare aplicam o tensiune lent variabila cu valori ce se situeaza intre cele doua nivele logice, vom constata ca semnalul util apare la iesire cu o amplitudine a carei anvelopa urmareste forma tensiunii aplicate pe intrarea de validare. Prin urmare, lucrand cu o tensiune continua care creste lent de la 0 la valoarea corespunzatoare nivelului 1 logic, semnalul audio aplicat la intrare va apare la iesire cu o amplitudine care creste lent de la 0 la valoarea maxima, ceea ce corespunde cu aparitia gradata a sunetului generat de instrument. Dinamica este relativ mica, dar suficienta pentru aplicatia de fata.
Schema utizeaza toate cele 4 porti din circuitul CI-4, pentru a se putea procesa toate cele 4 semnale cu care opereaza instrumentul. Comanda anvelopei se face pe intrarea comuna a acestora, unde se aplica tensiunea existenta pe condensatorul C11. Acesta se incarca exponential de la tensiunea de alimentare prin componentele R9,D1,P3, cand tranzistorul T3 este deschis, constanta de timp fiind dictata de valorile rezistentei R9 si a potentiometrului P3 care permite reglarea "atacului".
Tranzistorul T3 este comandat de catre T2 care primeste semnal de la pinul 7 al oscilatorului-pilot. In absenta oscilatiilor, ambele tranzistoare se blocheaza, condensatorul C11 se descarca pe rezistenta R10, intrarea de validare a portilor NAND devine o logic si acestea se blocheaza, iesirile lor trecand in 1 logic. Componenta continua, insa, nu ajunge la iesire datorita prezentei in schema a condensatorului C12.
Datorita calitatilor pe care le prezinta referitor la comportarea cu temperatura si tensiunea de alimentare, oscilatorul-pilot al instrumentului s-a realizat cu timerul BE555 (Ci-2), intr-o configuratie cunoscuta. Frecventa de oscilatie este data de componentele din reteaua externa de temporizare, si anume C6,R4,R5,RK, unde prin RK s-a notat rezistenta vazuta intre punctele A si B din schema, introdusa in circuit prin intermediul claviaturii.
Aceste componente trebuie sa fie de buna calitate, stabile in timp si temperatura, pentru a nu compromite stabilitatea frecventei de oscilatie. Condensatorul C6 nu va fi in nici un caz de tip ceramic disc sau placheta, preferandu-se tipurile construite din mica argintata, mylar, policarbonat sau polistiren.
In cazul cand se doreste utilizarea altor valori decat cele prezentate in schema, pentru aceste
componente, se va avea in vedere ca frecventa de oscilatie este data de relatia:
f=1/2(R4+R5+RK)*C6*ln2, unde
ln2=0.693.
Se porneste de la alegerea valorii condensatorului C6, care va fi de ordinul nanofarazilor sau a zecilor de nanofarazi, selectandu-se un exemplar de buna calitate din valorile existente in stocul amatorilor. Se alege, de asemenea, rezistenta R4 cu pelicula metalica, a carei valoare trebuie sa fie de cel putin 1Kohm pentru a nu periclita circuitul integrat. Apoi, in baza formulei de mai sus se va calcula rezistenta R5 pentru frecventa cea mai ridicata a notei emise de instrument (in acest caz, RK=0). Se va tine cont ca frecventele care intra in calcul, sunt de 16 ori mai mari decat fundamentalele tonurilor rezultate la iesirea instrumentului.
Astfel, pentru un instrument cu 3 octave, cu diapazonul 130.8... 1046.5 Hz, banda oscilatorului-pilot va fi 2093... 16744 Hz.
Dupa stabilirea rezistentei R5, se va calcula R4 pentru frecventa minima a oscilatorului-pilot. Cu un potentiometru avand valoarea lui Rk astfel calculata, plasat intre punctele A-B ale schemei din fig.1, se va putea acoperi toata banda propusa. Acesta se va putea utiliza in prima etapa a acordarii instrumentului, cand, legand un frecventmetru la pinul 11 al lui CI-3 (QD), se vor regla consecutiv frecventele tuturor notelor muzicale. Masurand cu ohmetrul rezistentele corespunzatoare ale potentiometrului, vom avea o valoare orientativa a rezistentelor claviaturii care se vor monta in etapa finala, cand se va proceda la acordarea fina (definitiva).
Circuitul claviaturii, dintre punctele A-B, se poate realiza in mai multe moduri, in functie de scopul urmarit. Nu insistam, intrucat referiri in detaliu la aceasta problema, exista in articolul "Instrument monofonic" din "Tehnium" 10-11/94.
In fig.2, care va fi foarte utila la acordarea instrumentului, se prezinta sugestiv claviatura aparatului construit de autor, care are o intindere de 3 octave, de la nota DO - octava mica, pana la nota DO - octava 3. In figura sunt specificate frecventele standard ale notelor muzicale corespunzatoare fiecarei clape, notatiile muzicale ale octavelor utilizate, precum si numerotarea contactelor claviaturii in concordanta cu schema din fig.1.
Pentru efectul "vibrato", instrumentul contine un generator de frecvente infrasonore, care moduleaza frecventa oscilatorului-pilot si implicit, inaltimea tonurilor. Se foloseste o schema cu circuitul integrat CI-1, de acelasi tip cu CI-2 (BE555), dar avand o configuratie diferita, impusa de necesitatea obtinerii unei forme de unda simetrice, care asigura aceeasi deviatie, de o parte si de alta, a frecventelor standard corespunzatoare tonurilor. Fiind nevoie de o tensiune triunghiulara, aceasta se ia de pe condensatorul C3 (pini 2,6), fiind aplicata oscilatorului-pilot prin intermediul unui repetor pe emitor, realizat cu tranzistorul T1.
Rezistenta din emitor este constituita din potentiometrul P2, care permite reglarea profunzimii efectului. Frecventa ("viteza"), se regleaza cu P1, plasat in circuitul de incarcare-descarcare a condensatorului de temporizare, C3.
Reteaua C4,C5,R2,R3, realizeaza separarea galvanica, imbunatatirea formei semnalului modulator, si adaptarea amplitudinii acestuia la valoarea necesara modularii corecte a frecventelor oscilatorului-pilot.
Montajul practic include o placa de circuit imprimat 110x68 executata conform fig.3 (fata placata) si fig.4 (fata cu componentele), precum si o placa din tabla galvanizata de aceleasi dimensiuni, pe care se vor monta cele 6 potentiometre de reglaj, de tip rectiliniu.
Placile se monteaza suprapuse ("sandwich"), prin intermediul a 4 distantiere, cu fata placata a circuitului imprimat spre bornele potentiometrelor. Rezulta un ansamblu compact, de dimensiuni reduse, cu conexiuni interne foarte scurte, executate cu conductor litat obisnuit.
Singurele conexiuni externe vor fi 2 fire la alimentare si alte 2 fire la claviatura instrumentului.
Ansamblul se va monta pe sasiul claviaturii in partea stanga, ca o continuare a acesteia, avand in vedere ca, instrumentul fiind monodic, la interpretare se va folosi mana dreapta, mana stanga fiind libera pentru actionarea reglajelor.
