Почему звук кварцевого будильника именно такой?

Пора на работу! Бибибиби-пауза-бибибиби-пауза... Сколько лет миру известен кварцевый будильник, столько же лет ему известен и этот назойливый звук. Но почему он именно такой?

В кварцевом будильнике всего одна микросхема, по современным меркам более чем простейшая. Но и она содержит не так уж мало узлов. Первый из них - задающий генератор. Он похож на тактовый генератор вашего любимого Arduino, но кварцевый резонатор, подключённый к нему, настроен на значительно меньшую частоту. Не десятки МГц, а всего-то чуть больше 32 кГц. А если быть точным - 32768 Гц.

Выбор этого числа не случаен, оно представляет собой 2 в степени 15. Давайте многократно делить его на 2 и смотреть, что будет получаться.

16384
8192
4096
2048
1024
512
256
128
64
32
16
8
4
2
1

1 Гц - как раз то, что нужно в часах. Впрочем, если вы играете в игру 2048, или наращиваете ОЗУ на материнских платах, или просто пользуетесь картами памяти, эти числа вам уже известны. Но как можно поделить частоту в два раза?

При помощи Т-триггера. При каждом импульсе он меняет своё состояние на противоположное. Поступил один импульс - триггер сменил состояние с нуля на единицу. Поступил ещё один - триггер сменил состояние с единицы на нуль. Частота импульсов на выходе такого триггера в два раза меньше частоты на входе. Возьмите шариковую ручку с кнопкой, понажимайте на неё несколько раз, и вы поймёте, как Т-триггер делит частоту на два.

А что если взять не один триггер, а целых пятнадцать, и собрать из них последовательную цепочку? Тогда как раз получится то, что требуется. Подаём на вход 32768 Гц, на выходе получаем 1.

Но электромагниту, приводящему в движение часы, необходимо, чтобы полярность напряжения на электромагните каждую секунду менялась на противоположную. Это тоже нетрудно обеспечить. Ещё один Т-триггер, а после него - H-мост - устройство, хорошо известное тем ардуинщикам, у которых возникала необходимость реверсировать двигатель постоянного тока.

Вот только если электромагнит просто переполюсовывать, не снимая с него напряжение в промежутках между моментами смены секунд, он будет нагреваться и непроизводительно расходовать энергию. Кому понравится будильник, в котором надо менять элемент питания чуть ли не каждый час? Нужно, чтобы импульсы обеих полярностей были короткими. Для этого существует одновибратор - схема, изобретённая ещё тогда, когда делать будильники кварцевыми было экономически невыгодно. А когда стало выгодно, она как раз пригодилась.

Ещё существуют будильники с плавным ходом. Там всё даже проще - цепочка триггеров короче, частота больше. А в механической части передаточные отношения сделаны такими, чтобы часы ходили с той же скоростью. Но не редкими и резкими шагами, а частыми и короткими. Понятно, что такой будильник менее экономичен, да и шумит сильнее, но есть пользователи, которым он больше нравится. Дело вкуса, как говорится.

Теперь - о звуке. Том самом звуке, который будит вас на работу. Никакого дополнительного генератора, чтобы получить его, не требуется. Где-то в середине цепочки триггеров есть сигнал частотой в 1024 Гц. Он очень хорошо слышен.

Но представим себе, что будильник просто пищит: бииииииии. Разбудит ли он таким звуком? Скорее, наоборот, убаюкает. Звук надо прерывать. Для этого хорошо подходит ещё один сигнал, с частотой в 8 Гц. Он там тоже уже есть, специально вырабатывать его не надо. Подадим сигналы с частотами в 1024 и 8 Гц на элемент И - вот и готов такой звук: бибибибибибибиби.

А теперь поменяем двухвходовый элемент И на трёхвходовый. И подадим на третий вход сигнал с частотой в 1 Гц. Вот и синтезирован тот самый, всем известный звук. Четыре "бипа" - пауза в полсекунды - и опять...

Просто выведем готовый сигнал наружу с кристалла микросхемы. А контактная группа в будильнике уж решит, когда подавать его на звукоизлучатель, а когда - нет. Проснувшись же, вы перемещаете на будильнике рычажок и принудительно эту контактную группу размыкаете. Звук прекращается.

Стало быть, у кварцевого будильника такой звук не потому, что некий видный музыковед переслушал сотни различных звуков и выбрал среди них такой, который, по его мнению, оказался оптимальным. А потому что этот звук слишком просто синтезировать. Ко всем узлам, и так имеющимся на чипе, так как они необходимы для работы часов, достаточно прибавить всего один элемент И с тремя входами - и требуемый сигнал готов.