我們生活在一個(gè)信息高速發(fā)達(dá)的時(shí)代，各種各樣電子產(chǎn)品層出不窮。對(duì)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(jìn)入了我們的生活。作為一個(gè)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(jì)原理是十分必要的，我們學(xué)習(xí)過了計(jì)算機(jī)組成的理論知識(shí)，而我所做的課程設(shè)計(jì)正是對(duì)我學(xué)習(xí)的理論進(jìn)行實(shí)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(shí)代，為音樂的大眾化做出了很大的貢獻(xiàn)，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(jī)鈴聲，都很可能包含電子琴的身影。

　　電子琴因其操作簡(jiǎn)單， 且能模擬各種傳統(tǒng)樂器的音色， 而深受消費(fèi)者喜愛。筆者介紹了一種電子琴的設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)核心部件， 再配以適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，可從琴鍵上進(jìn)行演奏也可自動(dòng)進(jìn)行樂曲演奏， 可模擬傳統(tǒng)樂器笛、風(fēng)琴、小號(hào)、單簧、基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器雙簧等音色。該電子琴共有12 個(gè)琴鍵 （ 7 個(gè)白色琴鍵 ， 5個(gè)黑色琴鍵） ， 分高音、中音、低音 3 個(gè)音區(qū)， 演奏時(shí)音名可動(dòng)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(duì)應(yīng)的頻率，就可以在揚(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個(gè)音符的音調(diào)。為了準(zhǔn)確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚(yáng)聲器能夠發(fā)出聲音是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須準(zhǔn)確地控制樂曲的節(jié)奏，即每個(gè)音符的持續(xù)時(shí)間。由此可見，樂曲中每個(gè)音符的發(fā)音頻率以及音符持續(xù)的時(shí)間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

　　樂曲的12平均率規(guī)定：每2個(gè)八度音之間的頻率要相差1倍，比如簡(jiǎn)譜中的中音2與高音2。在2個(gè)八度音之間，又可分為12個(gè)半音。另外，音符A（簡(jiǎn)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(jì)算出簡(jiǎn)譜中從低音l至高音1之間每個(gè)音符的頻率。簡(jiǎn)譜音名與頻率對(duì)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(jì)

　　2.1 基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器

　　電路由晶振與反相器 CC4069 構(gòu)成時(shí)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(zhǔn)頻率。

　　自動(dòng)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(dòng)演奏。其 VHDL 程序的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示， 包括 3 個(gè)進(jìn) 程 ： p01:process （ clk， Auto） 進(jìn)程完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘 6 MHz 的 1 500 000 分頻， 得到 4 Hz 的信號(hào) clk2， 作為另一進(jìn)程的計(jì)數(shù)時(shí)鐘， 用來控制每個(gè)音階之間的停頓時(shí)間; p02： process（ clk2） 進(jìn)程為地址計(jì)數(shù)器， 計(jì)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(dòng)演奏樂曲的地址累加， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)樂曲循環(huán)演奏; music： pro-cess （ count0， Auto， index2） 進(jìn)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(hào)。當(dāng) auto 為“0”時(shí)， 將存儲(chǔ)在此模塊中的 12位二進(jìn)制數(shù)作為發(fā)聲控制信號(hào) ， 自動(dòng)演奏樂曲。在記錄樂譜時(shí) ， 若將 1 拍的時(shí)間長度定為1 s， 因地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為 4 Hz， 即 1/4 拍時(shí)間為 0.25 s，則 1 個(gè)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(jìn)程的流程圖如圖 3所示。

　　該模塊程序中 clk 接基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器， 輸入系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率 6 MHz; auto 為鍵盤輸入演奏與自動(dòng)演奏的切換開關(guān)， 即當(dāng) auto=“0”時(shí)， 選擇音樂存儲(chǔ)器里的樂曲 ， 自動(dòng)演奏 ; auto=“1”時(shí) ， 選擇鍵盤輸入的信號(hào) ， 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］～I(xiàn)ndex2［11］分別接鍵盤上的12 個(gè)琴鍵， HIGH0， med0， low0 分別輸出音調(diào)的音區(qū)信息（ 分別對(duì)應(yīng)高音、中音、低音區(qū)） ; Index0［0］～I(xiàn)ndex0［11］輸出琴鍵編碼或音樂存儲(chǔ)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(yù)置值。根據(jù)各音名與頻率的關(guān)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(shè)計(jì)， 分別計(jì)算出高音區(qū)、中音區(qū)、低音區(qū)不同音符的分頻預(yù)置值， 如表 2 所示。（ 在表 1、表 2 中， 音符 1、2、3、4、5、6、7 對(duì)應(yīng)電子琴的 7 個(gè)白色琴鍵， 音符 1*、2*、4*、5*、6* 對(duì)應(yīng)電子琴的 5個(gè)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(yù)置值， 因最大的預(yù)置數(shù)為 6 668， 為節(jié)省硬件資源及提高系統(tǒng)運(yùn)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(jié)構(gòu)如圖 4 所示， 程序主要部分 se 進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖 6 所示。程序中 CLK1 輸入系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率 6 MHz， TONE1 接 Tone 模塊傳來的分頻預(yù)置值， SPKS 輸出端接音色產(chǎn)生器， 輸出各音符所對(duì)應(yīng)的頻率。該程序包括 3 個(gè)進(jìn)程 ， 其中 DivideCLK ： PROCESS（ clk1） 進(jìn)程功能將系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率 6 MHz 進(jìn)行 3 分頻得到 2 MHz 的頻率， 由信號(hào) PreCLK 傳給 GenSpkS:PROCESS（ PreCLK， Tone1） 進(jìn)程。在設(shè)計(jì)中 PreCLK 頻率太大，會(huì)使在 GenSpkS 進(jìn)程分頻中占用太多的硬件資源 ，PreCLK 頻率太小 GenSpkS 進(jìn)程分頻后輸出音符頻率誤差太大， 綜合考慮這兩個(gè)方面， PreCLK 選用 2 MHz的頻率。GenSpkS 進(jìn)程由一個(gè)初值可變的加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成， 初值為 Tone 模塊傳來的分頻預(yù)置值（ Tone1） 。分頻后得到的頻率 FullSpkS 為對(duì)應(yīng)的音符頻率的 2 倍。由于 FullSpkS 頻率的脈寬很窄， 為便于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器， 將FullSpkS 信 號(hào) 傳 給 進(jìn) 程 DelaySpkS:PROCESS （ Full-SpkS） ， 在此進(jìn)程中利用一個(gè) D 觸發(fā)器將 FullSpkS 信號(hào)進(jìn)行二分頻， 使到達(dá)揚(yáng)聲器的波形為對(duì)稱方波， 此時(shí)輸出的頻率即達(dá)到所對(duì)應(yīng)音符的實(shí)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(zhǔn)頻率 6 MHz， AUTO 接鍵盤輸入演奏與自動(dòng)演奏的切換開關(guān) ， 總線 INDEX2［11..0］接鍵盤上的 12 個(gè)琴鍵， HIGH2， MED2， LOW2 分別接鍵盤上高、中、低音的控制開關(guān); 輸出端 HIGH， MED， LOW 分別接發(fā)光二極管， 指示音調(diào)的音區(qū)信息（ 分別對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(luò)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(hào)、雙簧、風(fēng)琴等的樂音。這些樂音的區(qū)別表現(xiàn)在發(fā)同風(fēng)琴一音符時(shí)， 波形的頻譜與包絡(luò)特性不同。由此設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)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(hào)。電阻 R1～R10 組成權(quán)電阻相加網(wǎng)絡(luò)， 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(dāng)選擇 R1～R10 的阻值或一定比值（ 與樂器標(biāo)準(zhǔn)音比較后定） ， 可獲得如圖 8 所示的笛子、小號(hào)、雙簧、風(fēng)琴等的基本樂音。再經(jīng) RC 濾波輸出， 以改善音色。

　　該設(shè)計(jì)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(jiǎn)化了外部電路， 較以前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)， 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(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)， 在電子設(shè)計(jì)的各個(gè)階段、各個(gè)層次進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證， 保證設(shè)計(jì)過程的正確性， 可降低設(shè)計(jì)成本 ， 縮短設(shè)計(jì)周期， 具有廣闊的應(yīng)用前景。