Sommaire | Services Pro | Musiques | Publications | Connectique | Electronique | Logiciels | Divers | Contacts | Liens | Glossaire | Historique

Electronique > Réalisations > Production sonore > Métronome 005

Dernière mise à jour : 19/06/2011

Présentation

Ce métronome permet de battre la mesure sur une base rythmique de 1/1, 2/4, 3/4, 4/4, 5/8, 6/8 ou 7/8. Un ensemble de 8 LEDs permet de visualiser le temps fort et les temps faibles, et un générateur sonore ponctue chaque temps par un bip dont la tonalité est plus aigue pour le temps fort (en 4/4 : tip top top top tip top top top tip top, etc). Aucun composant programmable n'est requis, il n'est fait usage que de composants standards et faciles à trouver. En contrepartie, le montage est un peu plus touffu que le métronome 004. Mais il reste cependant tout à fait réalisable par toute personne soigneuse, ce qui semble être votre cas...

Schéma

Quelques circuits intégrés très courants pour un résultat assez sympathique. La moitié inférieure du schéma ne concerne que la partie sonore et est optionnelle.



Ce schéma peut être décomposé en quatre parties :
- oscillateur principal (générateur de battements)
- compteur décimal (pour comptage des temps)
- monostable (pour durée des tops sonores)
- générateur sonore (pour production des tops)

Oscillateur principal (générateur de battements)

Portion de circuit basée autour de U1
La vitesse des battements est ajustable grâce à RV1, un des composants satellites de l'oscillateur de base construit autour de U1, fidèle NE555 que les habitués auront reconnu au premier coup d'oeil (ce montage se reconnait entre mille quand on voit les deux pattes 2 et 6 reliées ensemble avec son condensateur raccordé à la masse). Cet oscillateur délivre un signal périodique rectangulaire sur la sortie 3 de U1, dont la fréquence dépend de la valeur donnée aux composants R1, R2, RV1 et C1. Le condensateur C2 n'est là que pour améliorer la stabilité de la fréquence d'oscillation, le montage accèpte d'osciller sans sa présence. Bien que pas absolument indipensable, il est plus que fortement recommandé. En conclusion, disons qu'il est tout de même indispensable... Le rapport cyclique du signal de sortie, qui dépend du rapport de valeur entre les résistances R1 et [R2+RV1], n'est pas constant selon la fréquence (vitesse des battements) choisie. Mais cela n'a absolument aucune importance dans le cas présent car la suite du circuit (compteur décimal) ne réagit que sur les fronts montants du signal d'horloge.

Compteur décimal (pour comptage des temps)

Portion de circuit basée autour de U2
Le compteur U2 / CD4017 se contente de compter, et on peut compter sur lui. Il dispose d'une entrée de comptage CLK (quelle chance) et de 10 sorties qui s'activent à tour de rôle à chaque nouvelle impulsion "positive" sur l'entrée de comptage. Les sorties du compteur alimentent des leds qui montrent quelle sortie est active et en même temps indiquent visuellement le temps en cours dans la mesure rythmique. La première sortie Q0 du compteur (borne 3) alimente la première led qui marque le temps fort. Les sorties suivantes marquent les temps faibles. Si on veut que seules les quatres premières LEDs s'allument pour une mesure de type 4/4, il faut empêcher la cinquième et les suivantes de s'allumer. Pour cela, il faut remettre le compteur décimal à zéro au bon moment, ce qui se fait en envoyant une impulsion sur la broche de remise à zéro MR (broche 15). Dans le cas d'exemple qui nous concerne (mesure en 4/4), la cinquième sortie (Q4) remet le compteur à zéro, ce qui fait qu'aussitôt cette sortie activée elle se désactive aussi sec. La cinquième LED (branchée sur Q4) s'allume tellement brièvement qu'on n'a même pas le temps de s'en rendre compte, et la première LED (branchée sur Q0) se rallume. La signature rythmique (3/4, 4/4 ou 6/8) est sélectionnée par le commutateur rotatif K1, qui se contente de router la sortie du compteur de son choix vers l'entrée de remise à zéro. La remise à zéro s'effectue ainsi lors de la seconde impulsion, ou de la troisième, ou de la quatrième, etc. La sortie de plus haut rang du compteur qui peut servir à la remise à zéro est la 9ème sortie (Q8). Si la remise à zéro du compteur (broche MR) est reliée à cette sortie, on dispose d'un comptage sur 8 temps puisque le neuvième temps est tout de suite tronqué. Si la remise à zéro du compteur est reliée sur la troisième sortie (Q2), on dispose d'un comptage sur 2 temps puisque le troisième est anihilé dès sa survenue. La petite flèche marquée "A" et reliée sur la première sortie (Q0) du compteur nous servira plus tard, au moment de générer les tops sonores. Cette information logique servira à décider s'il faut produire un son grave ou aigu.

Affichage LED

Le schéma montre pour le circuit d'affichage un barreau de dix LED, mais seules huit sont réellement utilisées. Vous pouvez de votre côté utiliser un baregraphe à LED ou huit LED indépendantes. Le composant marqué RP1 à droite des LED est un réseau de résistance (RP = ResPack) qui intègre huit résistances de valeur identique (2,2 kO) dans un même boitier avec un point commun relié à la masse.



Ce réseau de résistance peut être remplacé par huit résistances classiques de 2,2 kO. La valeur exacte de ces résistances n'est pas très critique mais vous aurez peut-être noté que cette valeur était assez élevée par rapport à ce qu'on rencontre habituellement pour un circuit alimenté sous une tension de 9 V. On est en effet plus habitué à des valeurs de quelques centaines d'ohms. Le choix d'une valeur plus élevée contribue à un fonctionnement plus sûr de la remise à zéro du compteur CD4017, qui n'est pas très fiable si la valeur des résistances de limitation de courant des LED est trop basse. Cela implique l'utilisation de LED récentes qui restent assez lumineuses même si le courant qui les traverse est assez modéré (environ 3 mA dans le cas présent avec les résistances de 2,2 kO). On pourrait bien sûr compliquer un poil le montage pour contourner ce petit défaut, par exemple en ajoutant un ULN2803 entre les sorties du CD4017 et les LED. Ces dernières pourraient alors être alimentées sous un courant plus important sans que cela pose problème au niveau de la remise à zéro du compteur. A vous de voir ce que vous préférez, en ce qui me concerne les LED que j'utilise sont assez lumineuses pour que le schéma actuel me convienne.

Monostable (pour durée des tops sonores)

Portion de circuit basée autour de U3
Le circuit intégré CD4538 est ici utilisé à moitié : il intègre deux monostables distincts et on n'en utilise qu'un seul. J'aurais pû utiliser plein d'autres types de circuits intégrés pour fabriquer un monostable, mais j'avais plus de CD4538 que d'autres CI. Ce qui explique cela. Le monostable CD4538 dispose de deux entrées qui permettent de le déclancher sur le front montant ou descendant d'une impulsion.



Ici on le déclanche sur les fronts montants du signal d'horloge CLK (lien fait via la flèche CLK reliée en sortie 3 de U1), au moment où le compteur décimal avance d'un cran et qu'une nouvelle LED s'allume. Pourquoi utiliser un monostable pour produire les tops sonores ? Parce que si on utilise directement le signal d'horloge produit par l'oscillateur de base, la durée des tops varie en fonction de la vitesse des battements. Ce qui n'est pas très critique en soi, mais c'est moins "esthétique", surtout à vitesse lente où les tops deviennent des tonalités bien longues. Ici donc on dispose de tops sonores dont la durée est toujours la même, quelque soit le rythme adopté. Cette durée est fixée à environ 50 ms (47 ms en théorie si le condensateur C3 et la résistance R3 ont tous deux exactement la valeur affichée). Vous pouvez bien sûr augmenter ou diminuer cette durée, sachant que :
- avec une valeur très faible (de l'ordre de la ms) le son sera moins audible (même puissance sonore en sortie HP mais sensation auditive d'une moindre puissance);
- avec une valeur très élevée (supérieure à 100 ms) on ne peut plus distinguer les tops à tempo très élevé, genre 600 bpm.
Comment ça, vous n'avez jamais tenté d'atteindre cette vitesse ?

Générateur sonore (pour production des tops)

Portion de circuit basée autour de U4
Un son différent (plus aigu) est utilisé pour marquer les temps forts. Comment donc changer la fréquence du générateur sonore construit autour de U4 pour bénéficier (et tomber sous le charme) de cet effet des plus saisissant ? La réponse est simple : il suffit de changer la valeur d'un des composants définissant la fréquence d'oscillation à chaque fois que la première sortie (Q0) du compteur décimal U2 / CD4017 est activée. On peut imaginer des tas de solutions :
- mettre le composant en question sur un robuste support et changer manuellement sa valeur au rythme des temps. C'est fastidieux, dangeureux et pendant ce temps là on ne peut pas jouer de son instrument de musique.
- mettre un détecteur de lumière en face de la première LED pour activer un robot qui se charge de la besogne. C'est lourd et encombrant, et la pile 9 V ne dure pas longtemps.
- utiliser le point "A" pour commander un transistor monté en interrupteur, qui met en ou hors service le condensateur qui définit la fréquence d'oscillation.
Cette dernière solution est celle que j'ai retenue, car elle demande moins d'énergie électrique et la pile dure donc plus longtemps. Le fait de se concentrer sur son instrument et non sur le composant à changer est accessoire mais conviendra peut-être à certains (ceux qui veulent jouer, par exemple).
Bref, voici ce qu'on peut dire pour résumer la situation :
- quand la première sortie du compteur (Q0) est activée, le point "A" se trouve à un état logique haut. Le transistor Q1 est saturé (il conduit) grâce au courant de base dont la valeur est imposé par la résistance R7. Ce transistor Q1 étant saturé, la base du transistor Q2 est portée à un potentiel proche de la masse et il se bloque (il ne conduit pas). Le condensateur C6 se trouve ainsi déconnecté du circuit et seul le condensateur C4 de 47 nF est en service. Le son généré par l'oscillateur vaut ce qu'il vaut.
- quand la première sortie du compteur (Q0) est désactivée - c'est à dire quand n'importe quelle autre sortie est activée, le point "A" se trouve à un état logique bas. Le transistor Q1 est bloqué (il ne conduit pas) à cause d'un courant de base insuffisant. Ce transistor Q1 étant bloqué, la base du transistor Q2 se voit parcourir par un courant au travers de la résistance R8 et il se sature (il conduit). Le condensateur C6 se trouve ainsi connecté du circuit et se trouve en parallèle sur le condensateur C4. Le son généré par l'oscillateur voit sa fréquence abaissée dans un rapport de deux, ce qui correspond à un octave plus bas.
En changeant la valeur des condensateurs C4 et/ou C6, vous décidez de la fréquence des tops sonores générés pour les temps forts et faibles :
- C4 seul = valeur pour temps forts (fréquence haute)
- C4 + C6 = valeur pour temps faibles (fréquence basse)

Sortie HP

Le HP pourra être un modèle quelconque, d'impédance comprise entre 8 et 100 ohms. Pour une impédance faible, il est conseillé de relier une résistance en série avec le HP pour limiter le courant de sortie du NE555 à une valeur raisonnable. J'ai maintes fois utilisé un HP de 8 ohms relié directement en sortie d'un NE555 sans jamais en griller un, mais on m'a dit un jour que ce n'était pas bien et du coup maintenant j'ai très peur. Donc si HP de 8 ohms, résistance en série de 33 ohms. Si HP de 25 ohms, résistance en série de 10 ohms.  Si HP de 100 ohms, pas besoin de résistance série. Si vous trouvez que la puissance sonore est insuffisante, vous pouvez mettre un HP ayant un rendement supérieur ou ajouter un petit ampli BF en sortie du NE555, comme fait pour le métronome 001. Vous pouvez aussi vous inspirer des montages amplificateurs proposés à la page Petits amplis BF, supposant tout de même que vous n'aurez pas besoin de plus de 30 W.
Remarque concernant l'ajout d'un amplificateur de puissance : si vous adoptez un étage de type push-pull (un transistor côté +Alim et un transistor côté masse), il vous faudra ajouter un condensateur de liaison entre sortie ampli et HP, afin de limiter le risque de voir appliquer au transducteur une tension continue avec un courant suffisant pour le griller (pendant les pauses).

Alimentation

Le circuit est prévu pour fonctionner sous une tension d'alimentation de 9 V. Il fonctionne encore sous 5 V mais avec des bips sonores nettement moins audibles. La tension d'alimentation peut aller jusqu'à 12 V sans soucis, mais dans ce cas augmentez la valeur de la résistance R6 qui se trouve en série avec le HP et portez-là à une valeur comprise entre 47 et 100 ohms.

Circuit imprimé

Non réalisé de mon côté, mais une proposition de circuit imprimé par Allessandro V. que je remercie !
Métronome 005 Allessandro V. (doc PDF)
Remarque : Allessandro a légèrement modifié le schéma d'origine !

Historique

13/07/2014
- Ajout typon de Allessandro Vassilli.
19/06/2011
- Première mise à disposition.