我們生活在一個信息高速發(fā)達的時代，各種各樣電子產(chǎn)品層出不窮。對于廣大老百姓來說，電子琴可以說已經(jīng)不再是什么“新鮮玩意”了，它現(xiàn)在作為一種休閑和娛樂的產(chǎn)品早就推出市面，面向百姓，進入了我們的生活。作為一個電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，了解這些電子產(chǎn)品的基本的組成和設(shè)計原理是十分必要的，我們學(xué)習(xí)過了計算機組成的理論知識，而我所做的課程設(shè)計正是對我學(xué)習(xí)的理論進行實踐和鞏固。

　　電子琴作為音樂與科技的產(chǎn)物，在電子化和信息化的時代，為音樂的大眾化做出了很大的貢獻，歌曲的制作大多數(shù)都要由電子琴來完成，然后通過媒介流傳開來，電視劇和電影的插曲、電視節(jié)目音效、甚至你的手機鈴聲，都很可能包含電子琴的身影。

　　電子琴因其操作簡單， 且能模擬各種傳統(tǒng)樂器的音色， 而深受消費者喜愛。筆者介紹了一種電子琴的設(shè)計方法。該系統(tǒng)基于可編程邏輯器件 FPGA（ FieldProgrammable Logical Device） 芯片 ， 利用 VHDL 硬件描述語言設(shè)計系統(tǒng)核心部件， 再配以適當?shù)耐鈬娐罚蓮那冁I上進行演奏也可自動進行樂曲演奏， 可模擬傳統(tǒng)樂器笛、風(fēng)琴、小號、單簧、基準頻率產(chǎn)生器雙簧等音色。該電子琴共有12 個琴鍵 （ 7 個白色琴鍵 ， 5個黑色琴鍵） ， 分高音、中音、低音 3 個音區(qū)， 演奏時音名可動態(tài)顯示。

　　原理分析

　　樂曲都是由一連串的音符組成，按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應(yīng)的頻率，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(diào)。為了準確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚聲器能夠發(fā)出聲音是遠遠不夠的，還必須準確地控制樂曲的節(jié)奏，即每個音符的持續(xù)時間。由此可見，樂曲中每個音符的發(fā)音頻率以及音符持續(xù)的時間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個關(guān)鍵因素。

　　樂曲的12平均率規(guī)定：每2個八度音之間的頻率要相差1倍，比如簡譜中的中音2與高音2。在2個八度音之間，又可分為12個半音。另外，音符A（簡譜中的低音5）的頻率為392Hz，音符E到F之間、B到C之間為半音，其余為全音。由此可以計算出簡譜中從低音l至高音1之間每個音符的頻率。簡譜音名與頻率對應(yīng)關(guān)系下圖2-1所示：

　　1 系統(tǒng)組成

　　該電子琴系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示。

　　2 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計

　　2.1 基準頻率產(chǎn)生器

　　電路由晶振與反相器 CC4069 構(gòu)成時鐘脈沖振蕩器。振蕩器輸出的頻率為 6 MHz， 作為系統(tǒng)的基準頻率。

　　自動演奏及鍵盤編碼模塊（ AUTOMUSIC 模塊）

　　該模塊主要包括兩大內(nèi)容： 鍵盤輸入編碼及樂曲自動演奏。其 VHDL 程序的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示， 包括 3 個進 程 ： p01:process （ clk， Auto） 進程完成對系統(tǒng)時鐘 6 MHz 的 1 500 000 分頻， 得到 4 Hz 的信號 clk2， 作為另一進程的計數(shù)時鐘， 用來控制每個音階之間的停頓時間; p02： process（ clk2） 進程為地址計數(shù)器， 計數(shù)范圍為0～音樂存貯模塊中音符的最大地址數(shù)。完成自動演奏樂曲的地址累加， 同時實現(xiàn)樂曲循環(huán)演奏; music： pro-cess （ count0， Auto， index2） 進程主要用來記錄所選樂曲的樂譜、根據(jù)樂譜產(chǎn)生 12 位發(fā)聲控制輸出 index0 信號。當 auto 為“0”時， 將存儲在此模塊中的 12位二進制數(shù)作為發(fā)聲控制信號 ， 自動演奏樂曲。在記錄樂譜時 ， 若將 1 拍的時間長度定為1 s， 因地址計數(shù)器的時鐘頻率為 4 Hz， 即 1/4 拍時間為 0.25 s，則 1 個全音音符需重復(fù)記錄 4次 ， 2/4 拍音符重復(fù)記錄 2 次， 該進程的流程圖如圖 3所示。

　　該模塊程序中 clk 接基準頻率產(chǎn)生器， 輸入系統(tǒng)的基準頻率 6 MHz; auto 為鍵盤輸入演奏與自動演奏的切換開關(guān)， 即當 auto=“0”時， 選擇音樂存儲器里的樂曲 ， 自動演奏 ; auto=“1”時 ， 選擇鍵盤輸入的信號 ， 從琴鍵上演奏。high2， med2， low2 分別接鍵盤上高、中、低音的控制開關(guān) ， Index2［0］～Index2［11］分別接鍵盤上的12 個琴鍵， HIGH0， med0， low0 分別輸出音調(diào)的音區(qū)信息（ 分別對應(yīng)高音、中音、低音區(qū)） ; Index0［0］～Index0［11］輸出琴鍵編碼或音樂存儲器里的樂曲的音符編碼。