電子琴設(shè)計(jì)與方正

劉曉邦

童金

車(chē)玥瑋王明寶

林倩倩設(shè)計(jì)要求利用可編程邏輯器件FPGA，設(shè)計(jì)一個(gè)樂(lè)曲硬件演奏電路。由硬件輸入控制音響，同時(shí)可自動(dòng)演奏樂(lè)曲。演奏時(shí)可選擇鍵盤(pán)輸入樂(lè)曲或者已存入的樂(lè)曲，并配以一個(gè)小揚(yáng)聲器。設(shè)計(jì)的主體是數(shù)控?fù)P聲器，對(duì)輸入的頻率進(jìn)行分頻，得到各個(gè)音階對(duì)應(yīng)的頻率作為輸出。設(shè)計(jì)框圖基準(zhǔn)時(shí)鐘

24MHz模式選擇手動(dòng)輸入時(shí)鐘電路音樂(lè)節(jié)拍產(chǎn)生電路音符查表電路數(shù)控分頻

揚(yáng)聲器器電路原理描述產(chǎn)生音樂(lè)的兩個(gè)因素是音樂(lè)頻率和音樂(lè)的持續(xù)時(shí)間。如果不借助于功能強(qiáng)大的EDA工具盒硬件描述語(yǔ)言，憑借傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯技術(shù)，即使最簡(jiǎn)單的演奏電路也難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電子琴主要由數(shù)控分頻器和樂(lè)曲存儲(chǔ)模塊組成。數(shù)控分頻器對(duì)FPGA的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻，得到與各個(gè)音階對(duì)應(yīng)的頻率輸出。樂(lè)曲存儲(chǔ)模塊產(chǎn)生節(jié)拍控制和音節(jié)選擇信號(hào)，即在此模塊中可存放一個(gè)樂(lè)曲曲譜真值表，由一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)控制此真值表的輸出，而由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)作為樂(lè)曲節(jié)拍控制信號(hào)。原理描述簡(jiǎn)譜中的音名與頻率的關(guān)系音名頻率（Hz）高音15174.64高音24

385.96高音33

861.00高音43

584.23高音53

341.69低音13

100.78低音22

915.452低音32

836.88電子琴中最小的節(jié)拍是1拍，1拍的時(shí)長(zhǎng)是0.25秒，占空比為50%軟件流程圖總體設(shè)計(jì)VHDL采用的是自頂向下的設(shè)計(jì)方式，頂層模塊由樂(lè)曲自動(dòng)演奏（automusic），音調(diào)發(fā)生器（tone）和數(shù)控分頻器（speaker）三個(gè)模塊組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使用硬件描述語(yǔ)言VHDL按模塊方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行時(shí)序仿真、電路功能驗(yàn)證，奏出美妙的樂(lè)曲。電路圖由于設(shè)計(jì)分模塊組成，每個(gè)單獨(dú)的模塊都是一個(gè)完整的源程序，分別實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)的功能，但是每個(gè)模塊又是緊密關(guān)聯(lián)的，前一個(gè)模塊的輸出很可能是后一模塊的輸入，另外時(shí)鐘脈沖信號(hào)在設(shè)計(jì)中用得最多，一般情況下時(shí)鐘信號(hào)處上升沿有效，判斷和控制各個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)多少。自動(dòng)演奏Clk為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，index2為手控輸入的音符數(shù)據(jù)；auto為手動(dòng)/自動(dòng)選擇按鈕，auto=0為自動(dòng)演奏，auto=1時(shí)為手動(dòng)輸入，index為輸出顯示，作為tone模塊的輸入自動(dòng)演奏——功能仿真數(shù)控分頻器數(shù)控分頻器對(duì)FPGA的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻，得到與各個(gè)音節(jié)對(duì)應(yīng)的頻率輸出。數(shù)控分頻模塊是由一個(gè)初值可變的11位加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。音調(diào)發(fā)生器音調(diào)發(fā)生器模塊的作用是產(chǎn)生音階的分頻預(yù)置值。當(dāng)八位發(fā)生控制輸入信號(hào)中的某一位為高電平時(shí)，則對(duì)應(yīng)某一音階的數(shù)值將輸出，該數(shù)值即為該音階的分頻預(yù)置值，分頻預(yù)置值控制數(shù)控分頻模塊進(jìn)行分頻，由此得到每個(gè)音節(jié)對(duì)應(yīng)的頻率音調(diào)發(fā)生器——功能仿真數(shù)控分頻器對(duì)FPGA的按照tone1輸入的分頻系數(shù)對(duì)8MHz的脈沖再次分頻，得到所需要的音符頻率，然后再音調(diào)輸出是再進(jìn)行2分頻，將脈沖展寬，使之占空比為50%，使揚(yáng)聲器有足夠的發(fā)生功率。數(shù)控分頻器自動(dòng)演奏的原理低音時(shí)，tone1值小，分頻比大，進(jìn)位信號(hào)周期長(zhǎng)，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音低，tone1隨音樂(lè)的樂(lè)譜而變化，自動(dòng)控制分頻比，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控分頻，發(fā)生信號(hào)的頻率與tone1成正比，