电子琴设计与方正

刘晓邦

童金

车玥玮王明宝

林倩倩设计要求利用可编程逻辑器件FPGA，设计一个乐曲硬件演奏电路。由硬件输入控制音响，同时可自动演奏乐曲。演奏时可选择键盘输入乐曲或者已存入的乐曲，并配以一个小扬声器。设计的主体是数控扬声器，对输入的频率进行分频，得到各个音阶对应的频率作为输出。设计框图基准时钟

24MHz模式选择手动输入时钟电路音乐节拍产生电路音符查表电路数控分频

扬声器器电路原理描述产生音乐的两个因素是音乐频率和音乐的持续时间。如果不借助于功能强大的EDA工具盒硬件描述语言，凭借传统的数字逻辑技术，即使最简单的演奏电路也难以实现。根据设计要求，电子琴主要由数控分频器和乐曲存储模块组成。数控分频器对FPGA的基准频率进行分频，得到与各个音阶对应的频率输出。乐曲存储模块产生节拍控制和音节选择信号，即在此模块中可存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号。原理描述简谱中的音名与频率的关系音名频率（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电子琴中最小的节拍是1拍，1拍的时长是0.25秒，占空比为50%软件流程图总体设计VHDL采用的是自顶向下的设计方式，顶层模块由乐曲自动演奏（automusic），音调发生器（tone）和数控分频器（speaker）三个模块组成。系统实现使用硬件描述语言VHDL按模块方式进行设计，然后进行时序仿真、电路功能验证，奏出美妙的乐曲。电路图由于设计分模块组成，每个单独的模块都是一个完整的源程序，分别实现不同性质的功能，但是每个模块又是紧密关联的，前一个模块的输出很可能是后一模块的输入，另外时钟脉冲信号在设计中用得最多，一般情况下时钟信号处上升沿有效，判断和控制各个计数器计数多少。自动演奏Clk为系统时钟信号，index2为手控输入的音符数据；auto为手动/自动选择按钮，auto=0为自动演奏，auto=1时为手动输入，index为输出显示，作为tone模块的输入自动演奏——功能仿真数控分频器数控分频器对FPGA的基准频率进行分频，得到与各个音节对应的频率输出。数控分频模块是由一个初值可变的11位加法计数器构成。音调发生器音调发生器模块的作用是产生音阶的分频预置值。当八位发生控制输入信号中的某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将输出，该数值即为该音阶的分频预置值，分频预置值控制数控分频模块进行分频，由此得到每个音节对应的频率音调发生器——功能仿真数控分频器对FPGA的按照tone1输入的分频系数对8MHz的脉冲再次分频，得到所需要的音符频率，然后再音调输出是再进行2分频，将脉冲展宽，使之占空比为50%，使扬声器有足够的发生功率。数控分频器自动演奏的原理低音时，tone1值小，分频比大，进位信号周期长，扬声器发出的声音低，tone1随音乐的乐谱而变化，自动控制分频比，从而实现数控分频，发生信号的频率与tone1成正比，