S'il est un appareil maintenant très répandu dans le monde des musiciens, c'est bien l'accordeur électronique. Il a maintenant largement supplanté le traditionnel diapason acoustique. Mais son prix reste cependant assez élevé, si bien qu'il est très intéressant, au-delà du but pédagogique, d'en réaliser un soi-même.
Le montage que nous vous proposons est le modèle le plus sophistiqué qui soit, puisqu'il reconnaît toutes les notes de la gamme (d'où son appellation de chromatique...) et ce automatiquement. De plus, l'accordage peut se faire suivant 4 diapasons: 338, 440, 442 et 444 Hz. Il est basé sur un microcontrôleur de type 68HC11A1, programmé grâce à la mini-carte décrite dans le numéro 209 d'ELECTRONIQUE PRATIQUE.
Rappel théorique
La gamme occidentale, aussi appelée gamme diatonique, est composée de 12 notes (DO-DO#-RE etc.) séparées chacune par un demi-ton. Cette gamme se "répète" suivant plusieurs octaves (le piano en comporte un peu plus de 7) comme on le voit sur un clavier de piano ou d'orgue électronique. Au niveau fréquentiel, on passe d'une note à celle un demi-ton plus haut (note suivie d'un #) en multipliant sa fréquence par 12 2, et à celle un demi-ton plus bas (note suivie d'un b) en la divisant par 12 2. Pour passer d'une note à celle du même nom une octave plus haut, il faut multiplier sa fréquence par 2. Pour passer d'une note à celle du même nom une octave plus bas, il faut diviser sa fréquence par 2. On a pour habitude de se baser sur le "LA" 440 Hz (c'est la note que vous entendez au téléphone pour la tonalité).
Toutefois, certains autres diapasons sont utilisés, notamment le 442 Hz dans les harmonies de cuivres... Les fréquences des notes de l'octave comportant le "LA" 440 Hz sont données à titre indicatif. Il est à noter qu'en France, nous sommes les seuls à appeler les notes DO, RE, MI, etc... Dans tout le reste du monte, on les nomme par les lettres C, D, E, F, G, A, B: cette notation porte le nom d'anglo-saxonne, et est bien connue des musiciens de Jazz. Notre montage affiche les notes dans cette notation.
Fonctionnement
Le prince d'un accordeur est le même que celui d'un fréquencemètre, ou plutôt d'un périodemètre: on mesure la période d'un son en mesurant le temps entre deux fronts du signal (dans un fréquencemètre, on compte le nombre de fronts pendant une période de temps connue). Une fois cette période connue, on la compare avec les périodes des notes de la gamme connues. On en déduit si la note entrante est trop haute ou trop basse.
Pour minimiser la taille de la base de données contenant les périodes des notes connues, on ne stockera que la période des notes pour l'octave la plus basse possible. Pour une note inconnue donnée, on multipliera sa période par autant de puissances de 2 que nécessaire, de façon à pouvoir la comparer avec les notes de l'octave de base (on se référera à l'algorithme ci-contre). Au sein du microcontrôleur, on utilisera le Timer intégré et plus particulièrement une des fonctions Input Capture (la 3 pour être exact) qui permet de connaître le moment exact (l'heure timer) auquel s'est présenté un front sur l'entrée correspondante. La résolution du Timer étant de 500ns, et les registres comportant 16 bits, on pourra facilement mesurer des périodes allant jusqu'à 216 x 0,5 x 10 -6 = 33 ms soit 30 Hz.
Pour garder de la marge et rester dans des notes émises en pratique par les instruments les plus courants, on a ainsi choisi comme octave de référence (la plus basse reconnaissable par l'accordeur) celle comportant le "LA" 110 Hz. Les fréquences des notes de cette octave s'échelonnent de 65 à 123 Hz environ. La précision de l'accordeur est alors d'au moins 0,5 x 10 -6 / 1/223 soit environ 0,1 %, ce qui est largement suffisant pour notre application.
L'électronique
Du fait du l'utilisation d'un microcontrôleur assez évolué incorporant un timer de précision, l'électronique est très réduite, comme on le voit sur le schéma. Le signal d'entrée provient soit du micro à électret X1 (alimenté par R11), soit du jack J1 (utilisation avec un instrument électrique, guitare ou clavier). Dans ce dernier cas, le micro est automatiquement mis hors service (utilisation d'un des contacts de coupure du jack). Le signal est ensuite transmis au premier ampli-op via le condensateur non polarisé constitué par la mise en série de C4A et C4B (la composante continue du signal d'entrée dépend de la source; généralement nulle venant du jack, elle est positive venant du micro...). L'ampli-op A est monté en ampli inverseur à gain variable (de 0 à 500) via la résistance ajustable RAJ13. Le condensateur C5 coupe les fréquences aiguës (harmoniques) pouvant perturber la mesure. Le signal est ensuite acheminé vers l'ampli-op B monté en comparateur à histérésis (Trigger de Schmitt). Le pont diviseur R15-R16 fournit une tension intermédiaire égale à la moitié de la tension d'alimentation soit 2,5V (masse virtuelle) découplée par le condensateur C6, nécessaire à l'ampli et au comparateur. Le signal est alors à peu près de caractéristique "logique" (0,5-4,5V au lieu de 0 à 5V car l'ampli-op n'est pas "Rail To Rail", mais ce n'est absolument pas gênant), et peut entrer tel quel dans l'entrée de comparaison du 68HC11. Ce dernier est interfacé de façon classique: sur PB0 à PB6 , on trouve les LED DL1 à DL7 d'indication de hauteur montées en cathode commune (celle-ci est reliée au 0 par le réseau de résistances RR1 destiné à limiter le courant), sur PE2 et PE3 , sont amenés les contacts du double DIP-Switch DS1 servant à sélectionner un des quatre diapasons, sur le port C , est relié l'afficheur à anode commune AF1 associé à DL8: ils servent à indiquer quelle note est détectée: son nom en notation anglo-saxonne apparaît sur l'afficheur et la LED DL8 s'allume pour indiquer les #, les lignes RxD et TxD sont reliées entre elles, ceci afin de s'assurer que le microcontrôleur exécute le programme en EEPROM (cf. article du numéro 209). L'alimentation, tirée d'une batterie ou pile de 9V et protégée des inversions de polarité éventuelles par la diode D1, est classiquement confiée à un régulateur 5V miniature de type 78L05, découplé par la capacité C8. Les condensateurs C9, C10 et C11 découplent l'alimentation en divers endroits du circuit à proximité de composants gourmands en énergie.
La mise en service du montage peut être effectuée de deux façons différentes: classiquement par un interrupteur (cas de la maquette), ou par un système temporisé. Ce dernier est quelque peu original: en effet, il fait appel à un transistor à effet de champ. Lorsqu'on appuie sur le poussoir fugitif SW1, on charge le condensateur C7 et Q1 devient passant. Il le restera jusqu'à décharge complète de C7. Celle-ci sera très longue (environ 2 min suivant le type de condensateur employé), car C7 ne se décharge que par sa résistance de fuite et la résistance gachette-source du FET, résistances qui sont par définition très élevées (quelques dizaines de Mégohms). On ne pourra par exemple en aucun cas visualiser la décharge de C7 sur un oscilloscope: l'impédance d'entrée de l'oscilloscope (environ 1 Mégohm) est bien trop faible et décharge presque instantanément C7. Ce système a pour avantage d'éteindre automatiquement l'accordeur après 2 min environ: comme il consomme relativement beaucoup (40mA environ) on économisera d'autant la pile, et ce temps sera suffisant pour accorder la plupart des instruments. Si par contre vous avez un piano à accorder (cas de l'auteur) vous opterez pour la mise en marche par interrupteur et brancherez le montage sur un adaptateur secteur. Dans les deux cas de figure, le système est mis en marche dès qu'on insère un jack (mono) dans l'embase (stéréo) du montage, qui vient alors relier le - de la pile et la masse (ce système est utilisé dans toutes les guitares électriques qui comportent une électronique active pour couper l'alimentation).
Réalisation On réalisera le circuit imprimé par la méthode de son choix en veillant à ce que les pistes ne se touchent pas surtout au niveau du support PLCC. On câblera ensuite le montage en commençant par les composants les plus bas (résistances, diodes), puis les condensateurs (on veillera à l'orientation des condensateurs polarisés), et on finira par le support PLCC, le quartz, le jack et le micro. Pour la soudure du FET Q1 BS170, on veillera à relier la panne du fer à souder à la terre . Ce composant étant assez fragile, il serait dommage de le détruire avant utilisation. On veillera, également, à couper les pattes des composants au plus près du circuit imprimé après soudure, faute de quoi le circuit ne pourrait ensuite entrer dans le coffret prévu à cet effet. Après une vérification minutieuse des soudures, on pourra insérer le microcontrôleur, auparavant programmé sur la mini-carte précédemment décrite, dans son support. Si vous n'avez pas d'outil d'extraction de PLCC, vous pourrez percer deux trous au travers du support et du C.I., et l'extraire en appuyant à l'aide d'un tournevis, ou mieux d'une pince brucelles droite.
On réglera l'ajustable RAJ13 suivant le niveau sonore de l'instrument le plus souvent accordé. On choisira le diapason voulu à l'aide de DS1. Une fois ces tests effectués, on pourra passer à la mise en coffret. Le modèle prévu est un HEILAND HE222 transparent ou translucide: il offre l'avantage de ne pas avoir à faire de trous pour les différents afficheurs et autres LED qui sont ici assez nombreux, et de permettre un changement de pile (ou de diapason) sans nécessiter de tournevis. De plus, si vous êtes soigneux, vos amis musiciens pourront constater à la vue de cet accessoire que vous n'avez pas qu'une corde à votre arc, pardon... à votre guitare !
Les seuls perçages seront ceux de l'interrupteur, du jack et du micro. On pourra repérer le centre du trou du jack par transparence en présentant le circuit câblé dans la boîte. Si les soudures dépassent trop et que la boîte ne ferme pas, on pourra limer les soudures à l'aide d'une cale à poncer réalisée en collant une feuille de papier de verre sur un morceau de bois plat.
Elle est on ne peut plus simple: chantez ou jouez une note devant le micro, et l'accordeur vous indique quelle est cette note directement sur l'afficheur (si la LED s'allume, c'est un dièse), et si elle est trop haute ou trop basse sur l'échelle de LED. Dès que l'accordeur ne détecte plus de note, il se met en veille et affiche le signe - sur l'afficheur 7 segments. La seule précaution à respecter est de ne pas laisser l'accordeur trop longtemps allumé, faute de quoi la pile se videra rapidement.
Pour cela et pour des raisons écologiques, on préférera utiliser des accumulateurs rechargeables: avec un accu 9V de capacité d'environ 200mAh, la durée d'utilisation sera de l'ordre de 2h. Par séances d'accordage de 2 min, cela représente une durée d'utilisation bien suffisante, à moins que vous ne soyez accordeur de piano. Dans ce cas, branchez l'appareil sur secteur.
La gamme occidentale, aussi appelée gamme diatonique, est composée de 12 notes (DO-DO#-RE etc.) séparées chacune par un demi-ton. Cette gamme se "répète" suivant plusieurs octaves (le piano en comporte un peu plus de 7) comme on le voit sur un clavier de piano ou d'orgue électronique. Au niveau fréquentiel, on passe d'une note à celle un demi-ton plus haut (note suivie d'un #) en multipliant sa fréquence par 12 2, et à celle un demi-ton plus bas (note suivie d'un b) en la divisant par 12 2. Pour passer d'une note à celle du même nom une octave plus haut, il faut multiplier sa fréquence par 2. Pour passer d'une note à celle du même nom une octave plus bas, il faut diviser sa fréquence par 2. On a pour habitude de se baser sur le "LA" 440 Hz (c'est la note que vous entendez au téléphone pour la tonalité).
Toutefois, certains autres diapasons sont utilisés, notamment le 442 Hz dans les harmonies de cuivres... Les fréquences des notes de l'octave comportant le "LA" 440 Hz sont données à titre indicatif. Il est à noter qu'en France, nous sommes les seuls à appeler les notes DO, RE, MI, etc... Dans tout le reste du monte, on les nomme par les lettres C, D, E, F, G, A, B: cette notation porte le nom d'anglo-saxonne, et est bien connue des musiciens de Jazz. Notre montage affiche les notes dans cette notation.
Fonctionnement
Le prince d'un accordeur est le même que celui d'un fréquencemètre, ou plutôt d'un périodemètre: on mesure la période d'un son en mesurant le temps entre deux fronts du signal (dans un fréquencemètre, on compte le nombre de fronts pendant une période de temps connue). Une fois cette période connue, on la compare avec les périodes des notes de la gamme connues. On en déduit si la note entrante est trop haute ou trop basse.
Pour minimiser la taille de la base de données contenant les périodes des notes connues, on ne stockera que la période des notes pour l'octave la plus basse possible. Pour une note inconnue donnée, on multipliera sa période par autant de puissances de 2 que nécessaire, de façon à pouvoir la comparer avec les notes de l'octave de base (on se référera à l'algorithme ci-contre). Au sein du microcontrôleur, on utilisera le Timer intégré et plus particulièrement une des fonctions Input Capture (la 3 pour être exact) qui permet de connaître le moment exact (l'heure timer) auquel s'est présenté un front sur l'entrée correspondante. La résolution du Timer étant de 500ns, et les registres comportant 16 bits, on pourra facilement mesurer des périodes allant jusqu'à 216 x 0,5 x 10 -6 = 33 ms soit 30 Hz.
Pour garder de la marge et rester dans des notes émises en pratique par les instruments les plus courants, on a ainsi choisi comme octave de référence (la plus basse reconnaissable par l'accordeur) celle comportant le "LA" 110 Hz. Les fréquences des notes de cette octave s'échelonnent de 65 à 123 Hz environ. La précision de l'accordeur est alors d'au moins 0,5 x 10 -6 / 1/223 soit environ 0,1 %, ce qui est largement suffisant pour notre application.
L'électronique
Du fait du l'utilisation d'un microcontrôleur assez évolué incorporant un timer de précision, l'électronique est très réduite, comme on le voit sur le schéma. Le signal d'entrée provient soit du micro à électret X1 (alimenté par R11), soit du jack J1 (utilisation avec un instrument électrique, guitare ou clavier). Dans ce dernier cas, le micro est automatiquement mis hors service (utilisation d'un des contacts de coupure du jack). Le signal est ensuite transmis au premier ampli-op via le condensateur non polarisé constitué par la mise en série de C4A et C4B (la composante continue du signal d'entrée dépend de la source; généralement nulle venant du jack, elle est positive venant du micro...). L'ampli-op A est monté en ampli inverseur à gain variable (de 0 à 500) via la résistance ajustable RAJ13. Le condensateur C5 coupe les fréquences aiguës (harmoniques) pouvant perturber la mesure. Le signal est ensuite acheminé vers l'ampli-op B monté en comparateur à histérésis (Trigger de Schmitt). Le pont diviseur R15-R16 fournit une tension intermédiaire égale à la moitié de la tension d'alimentation soit 2,5V (masse virtuelle) découplée par le condensateur C6, nécessaire à l'ampli et au comparateur. Le signal est alors à peu près de caractéristique "logique" (0,5-4,5V au lieu de 0 à 5V car l'ampli-op n'est pas "Rail To Rail", mais ce n'est absolument pas gênant), et peut entrer tel quel dans l'entrée de comparaison du 68HC11. Ce dernier est interfacé de façon classique: sur PB0 à PB6 , on trouve les LED DL1 à DL7 d'indication de hauteur montées en cathode commune (celle-ci est reliée au 0 par le réseau de résistances RR1 destiné à limiter le courant), sur PE2 et PE3 , sont amenés les contacts du double DIP-Switch DS1 servant à sélectionner un des quatre diapasons, sur le port C , est relié l'afficheur à anode commune AF1 associé à DL8: ils servent à indiquer quelle note est détectée: son nom en notation anglo-saxonne apparaît sur l'afficheur et la LED DL8 s'allume pour indiquer les #, les lignes RxD et TxD sont reliées entre elles, ceci afin de s'assurer que le microcontrôleur exécute le programme en EEPROM (cf. article du numéro 209). L'alimentation, tirée d'une batterie ou pile de 9V et protégée des inversions de polarité éventuelles par la diode D1, est classiquement confiée à un régulateur 5V miniature de type 78L05, découplé par la capacité C8. Les condensateurs C9, C10 et C11 découplent l'alimentation en divers endroits du circuit à proximité de composants gourmands en énergie.
La mise en service du montage peut être effectuée de deux façons différentes: classiquement par un interrupteur (cas de la maquette), ou par un système temporisé. Ce dernier est quelque peu original: en effet, il fait appel à un transistor à effet de champ. Lorsqu'on appuie sur le poussoir fugitif SW1, on charge le condensateur C7 et Q1 devient passant. Il le restera jusqu'à décharge complète de C7. Celle-ci sera très longue (environ 2 min suivant le type de condensateur employé), car C7 ne se décharge que par sa résistance de fuite et la résistance gachette-source du FET, résistances qui sont par définition très élevées (quelques dizaines de Mégohms). On ne pourra par exemple en aucun cas visualiser la décharge de C7 sur un oscilloscope: l'impédance d'entrée de l'oscilloscope (environ 1 Mégohm) est bien trop faible et décharge presque instantanément C7. Ce système a pour avantage d'éteindre automatiquement l'accordeur après 2 min environ: comme il consomme relativement beaucoup (40mA environ) on économisera d'autant la pile, et ce temps sera suffisant pour accorder la plupart des instruments. Si par contre vous avez un piano à accorder (cas de l'auteur) vous opterez pour la mise en marche par interrupteur et brancherez le montage sur un adaptateur secteur. Dans les deux cas de figure, le système est mis en marche dès qu'on insère un jack (mono) dans l'embase (stéréo) du montage, qui vient alors relier le - de la pile et la masse (ce système est utilisé dans toutes les guitares électriques qui comportent une électronique active pour couper l'alimentation).
Réalisation On réalisera le circuit imprimé par la méthode de son choix en veillant à ce que les pistes ne se touchent pas surtout au niveau du support PLCC. On câblera ensuite le montage en commençant par les composants les plus bas (résistances, diodes), puis les condensateurs (on veillera à l'orientation des condensateurs polarisés), et on finira par le support PLCC, le quartz, le jack et le micro. Pour la soudure du FET Q1 BS170, on veillera à relier la panne du fer à souder à la terre . Ce composant étant assez fragile, il serait dommage de le détruire avant utilisation. On veillera, également, à couper les pattes des composants au plus près du circuit imprimé après soudure, faute de quoi le circuit ne pourrait ensuite entrer dans le coffret prévu à cet effet. Après une vérification minutieuse des soudures, on pourra insérer le microcontrôleur, auparavant programmé sur la mini-carte précédemment décrite, dans son support. Si vous n'avez pas d'outil d'extraction de PLCC, vous pourrez percer deux trous au travers du support et du C.I., et l'extraire en appuyant à l'aide d'un tournevis, ou mieux d'une pince brucelles droite.
On réglera l'ajustable RAJ13 suivant le niveau sonore de l'instrument le plus souvent accordé. On choisira le diapason voulu à l'aide de DS1. Une fois ces tests effectués, on pourra passer à la mise en coffret. Le modèle prévu est un HEILAND HE222 transparent ou translucide: il offre l'avantage de ne pas avoir à faire de trous pour les différents afficheurs et autres LED qui sont ici assez nombreux, et de permettre un changement de pile (ou de diapason) sans nécessiter de tournevis. De plus, si vous êtes soigneux, vos amis musiciens pourront constater à la vue de cet accessoire que vous n'avez pas qu'une corde à votre arc, pardon... à votre guitare !
Les seuls perçages seront ceux de l'interrupteur, du jack et du micro. On pourra repérer le centre du trou du jack par transparence en présentant le circuit câblé dans la boîte. Si les soudures dépassent trop et que la boîte ne ferme pas, on pourra limer les soudures à l'aide d'une cale à poncer réalisée en collant une feuille de papier de verre sur un morceau de bois plat.
Elle est on ne peut plus simple: chantez ou jouez une note devant le micro, et l'accordeur vous indique quelle est cette note directement sur l'afficheur (si la LED s'allume, c'est un dièse), et si elle est trop haute ou trop basse sur l'échelle de LED. Dès que l'accordeur ne détecte plus de note, il se met en veille et affiche le signe - sur l'afficheur 7 segments. La seule précaution à respecter est de ne pas laisser l'accordeur trop longtemps allumé, faute de quoi la pile se videra rapidement.
Pour cela et pour des raisons écologiques, on préférera utiliser des accumulateurs rechargeables: avec un accu 9V de capacité d'environ 200mAh, la durée d'utilisation sera de l'ordre de 2h. Par séances d'accordage de 2 min, cela représente une durée d'utilisation bien suffisante, à moins que vous ne soyez accordeur de piano. Dans ce cas, branchez l'appareil sur secteur.
Publie sue Magazine Electronique Pratique N°212 - Mares 1997
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