电路模块 - 基于fpga电子琴电路图分析

　　2.3 音符产生电路模块（ Tone 模块）

　　该模块的作用是产生各音符的分频预置值。根据各音名与频率的关系（ 如表 1） 以及声音输出控制模块（ speaker 模块） 中数控分频器的设计， 分别计算出高音区、中音区、低音区不同音符的分频预置值， 如表 2 所示。（ 在表 1、表 2 中， 音符 1、2、3、4、5、6、7 对应电子琴的 7 个白色琴键， 音符 1*、2*、4*、5*、6* 对应电子琴的 5个黑色琴键。） 程序中 Index 为 AUTOMUSIC 模块传入的音符编码， high0， med0， low0 为 AUTOMUSIC 模块传入表示音符所处音区， 如 high0=‘1’表示音符处于高音区 ; low0=‘1’表 示音符处于低音区 ; 程序中 Tone 为输出音符分频预置值， 因最大的预置数为 6 668， 为节省硬件资源及提高系统运行速度， 将 Tone 取值范围定为0～16#1E00#; HIGH， med， low 输出音符所处音区， 接外电路的发光二极管 ， 高电平有效 ; CODE 端口接数码管， 输出音符的显示数码。该模块 VHDL 程序的结构如图 4 所示， 程序主要部分 se 进程流程图如图 5 所示。

　　

　　

　　2.4 声音输出控制模块（ speaker 模块）

　　该模块主要电路为数控分频器。其 VHDL 程序结构如图 6 所示。程序中 CLK1 输入系统的基准频率 6 MHz， TONE1 接 Tone 模块传来的分频预置值， SPKS 输出端接音色产生器， 输出各音符所对应的频率。该程序包括 3 个进程 ， 其中 DivideCLK ： PROCESS（ clk1） 进程功能将系统的基准频率 6 MHz 进行 3 分频得到 2 MHz 的频率， 由信号 PreCLK 传给 GenSpkS:PROCESS（ PreCLK， Tone1） 进程。在设计中 PreCLK 频率太大，会使在 GenSpkS 进程分频中占用太多的硬件资源 ，PreCLK 频率太小 GenSpkS 进程分频后输出音符频率误差太大， 综合考虑这两个方面， PreCLK 选用 2 MHz的频率。GenSpkS 进程由一个初值可变的加法计数器构成， 初值为 Tone 模块传来的分频预置值（ Tone1） 。分频后得到的频率 FullSpkS 为对应的音符频率的 2 倍。由于 FullSpkS 频率的脉宽很窄， 为便于驱动扬声器， 将FullSpkS 信 号 传 给 进 程 DelaySpkS:PROCESS （ Full-SpkS） ， 在此进程中利用一个 D 触发器将 FullSpkS 信号进行二分频， 使到达扬声器的波形为对称方波， 此时输出的频率即达到所对应音符的实际频率。

　　

　　2.4 在 FPGA 芯片中顶层文件的原理图该原理图

　　如图 7 所示。输入端 CLK1， CLK 接系统的基准频率 6 MHz， AUTO 接键盘输入演奏与自动演奏的切换开关 ， 总线 INDEX2［11..0］接键盘上的 12 个琴键， HIGH2， MED2， LOW2 分别接键盘上高、中、低音的控制开关; 输出端 HIGH， MED， LOW 分别接发光二极管， 指示音调的音区信息（ 分别对应高音、中音、低音区） ， CODE［7..0］接 LED 数码管， 输出音符的显示数码，SPKS 输出端接音色产生器，输出各音符所对应的频率。

　　

　　2.6 音色产生器

　　音色指乐音的音域范围、频谱成分及其包络特性等。音色产生器的功能是模拟各种传统乐器如笛子、小　　号、双簧、风琴等的乐音。这些乐音的区别表现在发同风琴一音符时， 波形的频谱与包络特性不同。由此设计的一种简单音色产生电路如图 8 所示。其中， 74LS93 的输入脉冲 CLK0 来自 FPGA 芯片的音符频率输出端　　spks; 74LS93 的输出端 Q0～Q3 为音符频率 spks 的 2，4， 8 及 16 分频信号。电阻 R1～R10 组成权电阻相加网络， 可产生由不同频率成分与不同幅度组成的各种波形。适当选择 R1～R10 的阻值或一定比值（ 与乐器标准音比较后定） ， 可获得如图 8 所示的笛子、小号、双簧、风琴等的基本乐音。再经 RC 滤波输出， 以改善音色。

　

　　该设计将电子琴系统的核心部分集成在可编程逻辑器件FPGA 芯片上， 大大简化了外部电路， 较以前的传统设计， 既减少了所用芯片的种类和数量 ，缩小了体积， 降低了功耗， 提高了系统的整体性能，对系统在使用中的故障率大为减少。此外， 这种基于可编程逻辑器件以 VHDL 硬件描述语言进行设计， 在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证， 保证设计过程的正确性， 可降低设计成本 ， 缩短设计周期， 具有广阔的应用前景。