音樂播放控制電路設計方案

隨著電子技術發展，電子電路的形式趨向復雜化，面對這一狀況，人們已經清醒地認識到，要分析和設計復雜的電子系統人工的方法已不適用。依靠傳統的實驗教學已遠不能滿足社會對高新技術人才的培養需要。本文就一個綜合性的實例“音樂播放控制電路”的設計過程具體說明了FPGA在電子電路設計中所起的作用。

　　1 總體方案的設計

　　設計一個具有3個八度音程的電子音樂自動循環播放電路，具體曲目可以由設計者自由編輯，以簡譜的二進制編碼形式存放在ROM的數據文件中。
設計要求如下：

　　(1)采用5位二進制碼表示音高信息，曲譜碼存儲器的地址由時值計數器控制，計數頻率按樂曲的演奏速度選擇，每個脈沖周期是所選曲譜中最短音符的時值。存儲器在時值計數脈沖作用下順序輸出音高碼控制分頻器。

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

　　音樂播放控制電路設計方案原理框圖如圖1所示。

　　2 設計任務分析

　　2．1 音高編碼和分頻控制

　　計數器模值控制的方法很多，改變預置數控制模值是比較簡單的一種。分頻計數器的預置數與分頻率和計數方式、預置方式有關。當采用減計數器、并以計數器的溢出信號(Carry Out)實現異步預置控制時，計數器的模(分頻率)等于預置數。比如，當計數脈沖頻率為10 MHz時，若希望產生音高“5”，并考慮占空比整形的二分頻作用，分頻系數(計數器的模)應該是3 188．9，四舍五入后的計數器預置數應該是3 189。其溢出信號的頻率為3 135．8 Hz，控制蜂鳴器的信號頻率為1 567．9 Hz，滿足音高頻率要求。若采用同步預置方式，則計數器的預置數應該是模減1，為3 188。由于計數器的溢出信號可能出現冒險干擾，采用同步預置的方法比較安全。

　　分析表1可見，表中3個不同音程相同音名(同一行)的信號頻率都相差一倍。

　　即音程升、降8度時，頻率增加或減小一倍。所以，若分頻計數器的計數脈沖頻率降低一倍時，蜂鳴器發出的音調降低8度。比如，當分頻率仍為3 189，但計數脈沖頻率為5 MHz時，控制蜂鳴器的信號頻率為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數器實現信號分頻，可根據音程碼選擇分頻計數器的輸入脈沖頻率fs、根據音名碼控制分頻計數器的模值N，如圖2所示。

　　這樣，分頻系數表只需考慮7個音高。由于計數脈沖只能分頻降低，所以表中應該存儲高音程7個不同音名對應的計數器預置值，其他兩個音程可通過降低分頻計數器的脈沖頻率實現。

　　3個8度音程的21個音高至少需要5位二進制碼表示。為了控制方便，考慮將音名和音程分別編碼：7個音名和休止符采用3位二進制碼表示，控制分頻器計數器的預置數實現模值N修改；3個音程用2位二進制碼表示，控制分頻器的計數脈沖頻率fs。