音樂(lè)播放控制電路設(shè)計(jì)方案

隨著電子技術(shù)發(fā)展，電子電路的形式趨向復(fù)雜化，面對(duì)這一狀況，人們已經(jīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，要分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的電子系統(tǒng)人工的方法已不適用。依靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)高新技術(shù)人才的培養(yǎng)需要。本文就一個(gè)綜合性的實(shí)例“音樂(lè)播放控制電路”的設(shè)計(jì)過(guò)程具體說(shuō)明了FPGA在電子電路設(shè)計(jì)中所起的作用。

　　1 總體方案的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)一個(gè)具有3個(gè)八度音程的電子音樂(lè)自動(dòng)循環(huán)播放電路，具體曲目可以由設(shè)計(jì)者自由編輯，以簡(jiǎn)譜的二進(jìn)制編碼形式存放在ROM的數(shù)據(jù)文件中。
設(shè)計(jì)要求如下：

　　(1)采用5位二進(jìn)制碼表示音高信息，曲譜碼存儲(chǔ)器的地址由時(shí)值計(jì)數(shù)器控制，計(jì)數(shù)頻率按樂(lè)曲的演奏速度選擇，每個(gè)脈沖周期是所選曲譜中最短音符的時(shí)值。存儲(chǔ)器在時(shí)值計(jì)數(shù)脈沖作用下順序輸出音高碼控制分頻器。

　　(2)采用20 Hz～20 kHz的音頻脈沖信號(hào)控制蜂鳴器，可以使其根據(jù)控制信號(hào)頻率發(fā)出不同的音調(diào)。

　　音樂(lè)播放控制電路設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。

　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)分析

　　2．1 音高編碼和分頻控制

　　計(jì)數(shù)器模值控制的方法很多，改變預(yù)置數(shù)控制模值是比較簡(jiǎn)單的一種。分頻計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)與分頻率和計(jì)數(shù)方式、預(yù)置方式有關(guān)。當(dāng)采用減計(jì)數(shù)器、并以計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)(Carry Out)實(shí)現(xiàn)異步預(yù)置控制時(shí)，計(jì)數(shù)器的模(分頻率)等于預(yù)置數(shù)。比如，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖頻率為10 MHz時(shí)，若希望產(chǎn)生音高“5”，并考慮占空比整形的二分頻作用，分頻系數(shù)(計(jì)數(shù)器的模)應(yīng)該是3 188．9，四舍五入后的計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)應(yīng)該是3 189。其溢出信號(hào)的頻率為3 135．8 Hz，控制蜂鳴器的信號(hào)頻率為1 567．9 Hz，滿(mǎn)足音高頻率要求。若采用同步預(yù)置方式，則計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)應(yīng)該是模減1，為3 188。由于計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)可能出現(xiàn)冒險(xiǎn)干擾，采用同步預(yù)置的方法比較安全。

　　分析表1可見(jiàn)，表中3個(gè)不同音程相同音名(同一行)的信號(hào)頻率都相差一倍。

　　即音程升、降8度時(shí)，頻率增加或減小一倍。所以，若分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率降低一倍時(shí)，蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)降低8度。比如，當(dāng)分頻率仍為3 189，但計(jì)數(shù)脈沖頻率為5 MHz時(shí)，控制蜂鳴器的信號(hào)頻率為784 Hz，為中音“5”。

　　因此若采用模值和輸入脈沖頻率都可控的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分頻，可根據(jù)音程碼選擇分頻計(jì)數(shù)器的輸入脈沖頻率fs、根據(jù)音名碼控制分頻計(jì)數(shù)器的模值N，如圖2所示。

　　這樣，分頻系數(shù)表只需考慮7個(gè)音高。由于計(jì)數(shù)脈沖只能分頻降低，所以表中應(yīng)該存儲(chǔ)高音程7個(gè)不同音名對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器預(yù)置值，其他兩個(gè)音程可通過(guò)降低分頻計(jì)數(shù)器的脈沖頻率實(shí)現(xiàn)。

　　3個(gè)8度音程的21個(gè)音高至少需要5位二進(jìn)制碼表示。為了控制方便，考慮將音名和音程分別編碼：7個(gè)音名和休止符采用3位二進(jìn)制碼表示，控制分頻器計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)實(shí)現(xiàn)模值N修改；3個(gè)音程用2位二進(jìn)制碼表示，控制分頻器的計(jì)數(shù)脈沖頻率fs。