Schema des circuits très musicaux

Grâce à la miniaturisation très poussée à laquelle on a pu assister lors de cette dernière décennie, toutes sortes de circuits intégrés se sont développés et notamment les circuits générateurs d'airs musicaux. Le seul reproche que l'on peut leur faire est la restitution d'un son relativement plat et dénué d'harmoniques. Le montage que nous vous proposons, très pédagogique, confère au son élaboré par le circuit spécialisé davantage de chaleur et de profondeur.

Rappels sur les sons

Le son est une manifestation de variations rapprochées de pression qui se transmettent de proche en proche dans un milieu environnant, qui est généralement l'air. Il se déplace à une vitesse de l'ordre de 330 m/s. Afin que le tympan de l'oreille humaine puisse vibrer, réagir et transmettre le signal correspondant au cerveau qui le traite et l'interprète, la fréquence doit être comprise entre quelques dizaines de Hertz et une vingtaine de kHz. Au delà de cette limite, c'est le domaine des ultrasons. Les sons de très faible fréquence relèvent de la classe des infrasons. Un son est dit "musical" lorsqu'il se caractérise par une fréquence de base fixe pendant un minimum de temps (quelques dixièmes de seconde). Le son musical comporte d'autres propriétés que nous allons sommairement passer en revue.

Hauteur

Par hauteur, il faut entendre fréquence de base du son. Un son aigu est plus "haut" qu'un son grave. La fréquence des variations de pression qui sont à la base des ondes sonores, donne une notion de hauteur du son. Ainsi, un son plus haut se caractérise par une période plus faible entre deux maxima de pression.

Intensité

L'intensité d'un son est en relation avec l'importance des variations de pression. Plus le différentiel de pression entre un maxima et un minima est important, plus le son est intense.

Timbre

C'est une notion un peu plus subtile qui peut se mettre en évidence par des exemples simples: le "Do" émis par un accordéon n'est pas perçu par notre oreille comme le même "Do" issu d'une clarinette. En fait, chaque son musical se caractérise par une fréquence fondamentale. Mais l'analyse plus fine révèle l'existence d'autres fréquences, généralement plus faibles en intensité. Ces fréquences se caractérisent par des rapports entiers, référencés à la fréquence de base. Ce sont des fréquences dites "harmoniques". Suivant leur nombre, leurs intensités relatives, le "timbre" du son émis varie dans des proportions très sensibles. Le timbre donne au son chaleur et relief.

Le fonctionnement du montage
Alimentation

le schéma de principe

Le montage fonctionne avec une pile de 9V comme source d'énergie. Un interrupteur, dénommé I sur le schéma de principe, permet sa mise en marche tandis que la capacité C1 découple cette alimentation du restant du montage. Le circuit intégré musical utilisé se caractérise par un potentiel nominal de fonctionnement de 3V. Le transistor T1, avec sa base polarisée à 3,6V grâce à la diode zéner Dz, délivre sur son émetteur une tension stabilisée de 3V. La capacité C2 fait office de capacité de découplage. Suivant la puissance phonique restituée en fin de chaîne, la pile peut délivrer un courant dépassant la centaine de mA.

Générateur de mélodie
Il s'agit d'un UM66Txxx dont le brochage et les différentes mélodies restituées sont rappelés ci-contre. L'ensemble a pu être logé dans un boîtier TO92, ce qui donne une idée de la très haute intégration qui a dû être réalisée. Ce circuit intégré, élaboré par la société UMC, comporte une ROM de 64 notes et peut fonctionner sous un potentiel allant de 1,3 à 3,3V. Il peut directement restituer la mélodie par l'intermédiaire d'un buzzer piézo-électrique. Suivant la dernière lettre dans sa référence de désignation, il restitue une fois seulement (lettre S) ou indéfiniment la mélodie (lettre L). Dans tous les cas, au moment de la mise sous tension du circuit, il se produit une initialisation interne automatique qui a pour effet le démarrage de la mélodie à son début. Dans le présent montage, les créneaux carrés générés par le circuit musical référence IC1, sont amplifiés par le transistor T2. Au niveau de son collecteur, on recueille des créneaux carrés de la même fréquence mais à une amplitude de 9V.
Doubleur de fréquence
Les portes NOR I et II de IC2 réalisent deux inversions consécutives des créneaux. Ainsi, pour un créneau donné et disponible au niveau du collecteur de T2, son front ascendant se traduit par un front ascendant sur la sortie de la porte NOR II. En revanche, son front descendant se manifeste par un front ascendant sur la sortie de la porte NOR I. De plus, ces portes ont des basculements accélérés grâce à l'effet "trigger" qu'introduisent les résistances R4 et R9. Chaque sortie de porte est reliée à un dispositif de dérivation RC dont la mission est de prendre en compte le front ascendant du signal, ce qui se traduit par une brève impulsion positive au niveau des cathodes des diodes de déchargement des capacités. Ces brèves impulsions sont causées par les charges rapides des capacités au moment du front montant du signal. En définitive, on enregistre: sur l'entrée 13 de la porte NOR IV de IC3, des impulsions positives correspondant aux fronts montants des créneaux délivrés par le collecteur de T2, sur l'entrée 12, des impulsions positives correspondant aux fronts descendants.
Sur la sortie de cette porte NOR IV de IC3, on relève alors une suite d'états bas, assez brefs, dont la fréquence est égale au double de la fréquence des créneaux délivrés par le circuit intégré musical. Il en résulte de brèves impulsions positives de la même fréquence doublée, sur la sortie de la porte NOR III de IC3.

Génération des trois fréquences
Les portes NOR III et IV de IC2 forment une bascule monostable. Une telle bascule délivre des états hauts de durée fixe, pour chaque impulsion reçue sur l'entrée de commande 13. La durée de ces impulsions a été calculée de manière à restituer des créneaux proches d'un signal carré, malgré une dispersion des fréquences lors de la restitution de la mélodie, par le fait des différentes notes mises en jeu. Ainsi, si F est la valeur de la fréquence d'une note issue du circuit musical IC1, sur la sortie de cette bascule on recueille un créneau de fréquence 2F, grâce au doubleur de fréquence évoqué au paragraphe précédent. Les portes NOR I et II de IC3 forment un trigger de Schmitt dont la mission est de conférer aux signaux des fronts bien verticaux avant d'attaquer l'entrée d'une première bascule J/K contenue dans IC4, qui est un CD 4027. Un tel circuit comporte deux bascules. Dans la présente utilisation, on recueille sur la sortie Q1 de IC4, un créneau de forme carrée mais dont la fréquence a été divisée par 3. Ainsi, comme la fréquence sur l'entrée "CL1" est égale à 2F, celle qui caractérise le créneau disponible sur Q1 est égale à F. Cette sortie est reliée à l'entrée d'une seconde bascule (CL2). Sur la sortie Q2, on enregistre alors des créneaux à une fréquence de F/2.
Amplification

Nous disposons maintenant de trois fréquences (F étant celle du signal issu du circuit intégré musical). Ces fréquences sont 2F, F et F/2. Chacune de ces fréquences est prise en compte par un ensemble amplificateur. A titre d'exemple, examinons le premier qui est soumis à la fréquence 2F. Grâce à l'ajustable A1, il est possible de prélever une fraction plus ou moins importante de l'amplitude du créneau. Ces signaux transitent par C11 pour aboutir à la base de T3, qui avec T6, forme un Darlington de puissance. Un tel montage réalise une amplification en courant. En revanche aucune amplification n'est réalisée au niveau du potentiel. Au contraire, le potentiel disponible sur l'émetteur de T6 est diminué de 1,2V (2 fois la tension de jonction base-émetteur de T3 (T6) par rapport à celui délivré à un instant donné par le curseur de A1. C'est la raison pour laquelle ce montage est souvent appelé "suiveur de potentiel". La diode D3 sert à la décharge périodique de C11, qui sans cette précaution se saturerait suite à la succession des charges. Le son est ainsi restitué par le haut-parleur HP1 avec une intensité réglable grâce au curseur de l'ajustable A1. Concernant les notes de fréquence F et F/2, elles sont respectivement diffusées par les haut-parleurs HP2 et HP3, avec pour chacun en ce qui le concerne, la possibilité de régler à la valeur désirée la puissance phonique.

Publie sue Magazine Electronique Pratique N°212 - Mares 1997