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與技術專業(yè)的學生，了解這些電子產(chǎn)品的基本的組成和設計原理是十分必要的，我們學習過了計算機組成的理論知識，而我所做的課程設計正是對我學習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 硬件描述語言設計系統(tǒng)核心部件， 再配以適當?shù)耐鈬娐?，可從琴鍵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。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關系下圖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)各部分電路設計

　　2.1 基準頻率產(chǎn)生器

　　電路由晶振與反相器 CC4069 構成時鐘脈沖振蕩器。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容： 鍵盤輸入編碼及樂曲自動演奏。其 VHDL 程序的結構如圖 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 個全音音符需重復記錄 4次 ， 2/4 拍音符重復記錄 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， 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 ， Index2［0］～Index2［11］分別接鍵盤上的12 個琴鍵， HIGH0， med0， low0 分別輸出音調的音區(qū)信息（ 分別對應高音、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。

　　2.3 音符產(chǎn)生電路模塊（ Tone 模塊）

　　該模塊的作用是產(chǎn)生各音符的分頻預置值。根據(jù)各音名與頻率的關系（ 如表 1） 以及聲音輸出控制模塊（ speaker 模塊） 中數(shù)控分頻器的設計， 分別計算出高音區(qū)、中音區(qū)、低音區(qū)不同音符的分頻預置值， 如表 2 所示。（ 在表 1、表 2 中， 音符 1、2、3、4、5、6、7 對應電子琴的 7 個白色琴鍵， 音符 1*、2*、4*、5*、6* 對應電子琴的 5個黑色琴鍵。） 程序中 Index 為 AUTOMUSIC 模塊傳入的音符編碼， high0， med0， low0 為 AUTOMUSIC 模塊傳入表示音符所處音區(qū)， 如 high0=‘1’表示音符處于高音區(qū) ; low0=‘1’表 示音符處于低音區(qū) ; 程序中 Tone 為輸出音符分頻預置值， 因最大的預置數(shù)為 6 668， 為節(jié)省硬件資源及提高系統(tǒng)運行速度， 將 Tone 取值范圍定為0～16#1E00#; HIGH， med， low 輸出音符所處音區(qū)， 接外電路的發(fā)光二極管 ， 高電平有效 ; CODE 端口接數(shù)碼管， 輸出音符的顯示數(shù)碼。該模塊 VHDL 程序的結構如圖 4 所示， 程序主要部分 se 進程流程圖如圖 5 所示。

　　2.4 聲音輸出控制模塊（ speaker 模塊）

　　該模塊主要電路為數(shù)控分頻器。其 VHDL 程序結構如圖 6 所示。程序中 CLK1 輸入系統(tǒng)的基準頻率 6 MHz， TONE1 接 Tone 模塊傳來的分頻預置值， SPKS 輸出端接音色產(chǎn)生器， 輸出各音符所對應的頻率。該程序包括 3 個進程 ， 其中 DivideCLK ： PROCESS（ clk1） 進程功能將系統(tǒng)的基準頻率 6 MHz 進行 3 分頻得到 2 MHz 的頻率， 由信號 PreCLK 傳給 GenSpkS:PROCESS（ PreCLK， Tone1） 進程。在設計中 PreCLK 頻率太大，會使在 GenSpkS 進程分頻中占用太多的硬件資源 ，PreCLK 頻率太小 GenSpkS 進程分頻后輸出音符頻率誤差太大， 綜合考慮這兩個方面， PreCLK 選用 2 MHz的頻率。GenSpkS 進程由一個初值可變的加法計數(shù)器構成， 初值為 Tone 模塊傳來的分頻預置值（ Tone1） 。分頻后得到的頻率 FullSpkS 為對應的音符頻率的 2 倍。由于 FullSpkS 頻率的脈寬很窄， 為便于驅動揚聲器， 將FullSpkS 信 號 傳 給 進 程 DelaySpkS:PROCESS （ Full-SpkS） ， 在此進程中利用一個 D 觸發(fā)器將 FullSpkS 信號進行二分頻， 使到達揚聲器的波形為對稱方波， 此時輸出的頻率即達到所對應音符的實際頻率。

　　2.4 在 FPGA 芯片中頂層文件的原理圖該原理圖

　　如圖 7 所示。輸入端 CLK1， CLK 接系統(tǒng)的基準頻率 6 MHz， AUTO 接鍵盤輸入演奏與自動演奏的切換開關 ， 總線 INDEX2［11..0］接鍵盤上的 12 個琴鍵， HIGH2， MED2， LOW2 分別接鍵盤上高、中、低音的控制開關; 輸出端 HIGH， MED， LOW 分別接發(fā)光二極管， 指示音調的音區(qū)信息（ 分別對應高音、中音、低音區(qū)） ， CODE［7..0］接 LED 數(shù)碼管， 輸出音符的顯示數(shù)碼，SPKS 輸出端接音色產(chǎn)生器，輸出各音符所對應的頻率。

　　2.6 音色產(chǎn)生器

　　音色指樂音的音域范圍、頻譜成分及其包絡特性等。音色產(chǎn)生器的功能是模擬各種傳統(tǒng)樂器如笛子、小　　號、雙簧、風琴等的樂音。這些樂音的區(qū)別表現(xiàn)在發(fā)同風琴一音符時， 波形的頻譜與包絡特性不同。由此設計的一種簡單音色產(chǎn)生電路如圖 8 所示。其中， 74LS93 的輸入脈沖 CLK0 來自 FPGA 芯片的音符頻率輸出端　　spks; 74LS93 的輸出端 Q0～Q3 為音符頻率 spks 的 2，4， 8 及 16 分頻信號。電阻 R1～R10 組成權電阻相加網(wǎng)絡， 可產(chǎn)生由不同頻率成分與不同幅度組成的各種波形。適當選擇 R1～R10 的阻值或一定比值（ 與樂器標準音比較后定） ， 可獲得如圖 8 所示的笛子、小號、雙簧、風琴等的基本樂音。再經(jīng) RC 濾波輸出， 以改善音色。

　　該設計將電子琴系統(tǒng)的核心部分集成在可編程邏輯器件FPGA 芯片上， 大大簡化了外部電路， 較以前的傳統(tǒng)設計， 既減少了所用芯片的種類和數(shù)量 ，縮小了體積， 降低了功耗， 提高了系統(tǒng)的整體性能，對系統(tǒng)在使用中的故障率大為減少。此外， 這種基于可編程邏輯器件以 VHDL 硬件描述語言進行設計， 在電子設計的各個階段、各個層次進行計算機模擬驗證， 保證設計過程的正確性， 可降低設計成本 ， 縮短設計周期， 具有廣闊的應用前景。