基于FPGA的電子琴設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

? ? 　電子琴設(shè)計原理

　　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(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(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

　　1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)系如圖2-1所示：

　　產(chǎn)生各音符所需的頻率使用一分頻器來實(shí)現(xiàn)，由于各音符對應(yīng)的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，所以必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整數(shù)。若分頻器時鐘頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整數(shù)后的誤差較大；若時鐘頻率過高，雖然誤差變小，但分頻數(shù)將會變大。在實(shí)際的設(shè)計中應(yīng)綜合考慮這兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的時鐘頻率。實(shí)際上，只要各個音符間的相對頻率關(guān)系不變，演奏出的樂曲聽起來都不會走調(diào)。

　　設(shè)計的音樂電子琴選取12MHZ的系統(tǒng)時鐘頻率。在數(shù)控分頻器模塊，首先對時鐘頻率進(jìn)行12分頻，得到1MHZ的輸入頻率，然后再次分頻得到各音符的頻率。由于數(shù)控分頻器輸出的波形是脈寬極窄的脈沖波，為了更好的驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，在到達(dá)揚(yáng)聲器之前需要均衡占空比，從而生成各音符對應(yīng)頻率的對稱方波輸出。這個過程實(shí)際上進(jìn)行了一次二分頻，頻率變?yōu)樵瓉淼亩种患?.5MHZ。

　　因此，分頻系數(shù)的計算可以按照下面的方法進(jìn)行。以中音1為例，對應(yīng)的頻率值為523Hz，它的分頻系數(shù)應(yīng)該為：

　　至于其他音符，可由上式求出對應(yīng)的分頻系數(shù)，這樣利用程序可以很輕松地得到相應(yīng)的樂聲。

　　各音名對應(yīng)的分頻系數(shù)如圖2-2所示：

　　音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。因此，要控制音符的音長，就必須知道樂曲的速度和每個音符所對應(yīng)的節(jié)拍數(shù)。如果將全音符的持續(xù)時間設(shè)為1s的話，那么一拍所應(yīng)該持續(xù)的時間為0.25秒，則只需要提供一個4HZ的時鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時長。

　　至于音長的控制，在自動演奏模塊，每個樂曲的音符是按地址存放的，播放樂曲時按4HZ的時鐘頻率依次讀取簡譜，每個音符持續(xù)時間為0.25秒。如果樂譜中某個音符為三拍音長，那又該如何控制呢？其實(shí)只要在3個連續(xù)地址存放該音符，這時就會發(fā)三個0.25秒的音長，即持續(xù)了三拍的時間，通過這樣一個簡單的操作就可以控制音長了。

　　2.2.1分頻模塊設(shè)計方法

　　方法一：使用加法計數(shù)器。在計數(shù)器值小于分頻系數(shù)值時，保持分頻的時鐘信號不變，當(dāng)計數(shù)器加到分頻系數(shù)值時，令分頻時鐘信號發(fā)生跳變，同時將零設(shè)為此時的計數(shù)器值，這樣分頻時鐘信號就會再次發(fā)生跳變。但是這種占空比不等于50%的信號是無法驅(qū)動實(shí)驗板上的揚(yáng)聲器發(fā)聲的。

　　方法二：使用減法計數(shù)器，計數(shù)器的數(shù)值由分頻系數(shù)值向下遞減，在減為零時跳變并重新賦值，原理與第一種類似。

　　方法三：先對時鐘脈沖進(jìn)行分頻得到1MHZ的脈沖，然后按照輸入的分頻系數(shù)對1MHZ的再次分頻，得到所需的音符頻率，最后在音調(diào)輸出時再進(jìn)行二分頻，將脈沖展開能夠直接得到占空比為50%的分頻信號，將脈沖展寬，使揚(yáng)聲器有足夠發(fā)生功率。在思索一番后，最終確定了這一個方案，相比較與以上兩種實(shí)現(xiàn)方法，這種方法的好處在于能夠直接得到占空比為50%的分頻信號。