隨著電子技術(shù)發(fā)展，電子電路的形式趨向復(fù)雜化,，面對這一狀況,，人們已經(jīng)清醒地認(rèn)識到，要分析和設(shè)計復(fù)雜的電子系統(tǒng)人工的方法已不適用,。依靠傳統(tǒng)的實驗教學(xué)已遠(yuǎn)不能滿足社會對高新技術(shù)人才的培養(yǎng)需要,。本文就一個綜合性的實例“音樂播放控制電路”的設(shè)計過程具體說明了FPGA在電子電路設(shè)計中所起的作用。

　　1 總體方案的設(shè)計

　　設(shè)計一個具有3個八度音程的電子音樂自動循環(huán)播放電路,，具體曲目可以由設(shè)計者自由編輯,，以簡譜的二進(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,，曲譜碼存儲器的地址由時值計數(shù)器控制,，計數(shù)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(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的音頻脈沖信號控制蜂鳴器，可以使其根據(jù)控制信號頻率發(fā)出不同的音調(diào),。

　　音樂播放控制電路設(shè)計方案原理框圖如圖1所示,。

 　　2 設(shè)計任務(wù)分析

　　2．1 音高編碼和分頻控制

　　計數(shù)器模值控制的方法很多,，改變預(yù)置數(shù)控制模值是比較簡單的一種。分頻計數(shù)器的預(yù)置數(shù)與分頻率和計數(shù)方式,、預(yù)置方式有關(guān),。當(dāng)采用減計數(shù)器、并以計數(shù)器的溢出信號(Carry Out)實現(xiàn)異步預(yù)置控制時,，計數(shù)器的模(分頻率)等于預(yù)置數(shù),。比如，當(dāng)計數(shù)脈沖頻率為10 MHz時,，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)(計數(shù)器的模)應(yīng)該是3 188．9,，四舍五入后的計數(shù)器預(yù)置數(shù)應(yīng)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(yù)置方式，則計數(shù)器的預(yù)置數(shù)應(yīng)該是模減1,，為3 188,。由于計數(shù)器的溢出信號可能出現(xiàn)冒險干擾，采用同步預(yù)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(shù)器的計數(shù)脈沖頻率降低一倍時，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，但計數(shù)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(shù)器實現(xiàn)信號分頻,，可根據(jù)音程碼選擇分頻計數(shù)器的輸入脈沖頻率fs,、根據(jù)音名碼控制分頻計數(shù)器的模值N，如圖2所示,。

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

　　3個8度音程的21個音高至少需要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個音名和休止符采用3位二進(jìn)制碼表示,，控制分頻器計數(shù)器的預(yù)置數(shù)實現(xiàn)模值N修改；3個音程用2位二進(jìn)制碼表示,，控制分頻器的計數(shù)脈沖頻率fs,。

　　曲譜存儲單元的數(shù)據(jù)輸出時間是時值計數(shù)脈沖的一個周期，決定了該單元音符的持續(xù)時間,。所以,，與計數(shù)脈沖周期相同時值的音符為音長的度量單位，其音符碼占1個存儲單元,。其他音符根據(jù)其時值長短占據(jù)不同數(shù)量的存儲單元,。比如，若以8分音符的時值作為存儲器地址計數(shù)器的脈沖周期,，則8分音符碼占 1個存儲單元,，4分音符占2個存儲單元，2分音符占4個存儲單元,，以此類推,。

　　因此，可以所選曲譜的最短音符作為時值的度量單位,。比如,，圖3所示的《梁祝》曲譜中最短的音符為8分音,，若其編碼存放1個存儲單元,，則時值計數(shù)脈沖周期為一個8分音長時間，可選O．5 s,。曲譜中的四分音符碼需要存放2個單元,，一拍延長音也需要2個單元。該段曲譜有8個音節(jié),，每個音節(jié)是一個全音(8個8分音),，演奏總時值為8×8個8分音。所以,，存儲曲譜編碼的存儲器需要64個存儲單元,。

 　　2．3 音強控制

　　音的強度也稱音的力度，體現(xiàn)了樂曲的情感元素。由于本設(shè)計實現(xiàn)的是簡單的電子音樂播放,，無法表現(xiàn)音強的不同,。而且，參考方案還不能區(qū)別相同音高的音符連續(xù)與否,。比如,，兩個八分音符“11”的總時值與一個四分音符“1”的時值相同，但體現(xiàn)的樂聲是不同的,。前者是兩個強8分音,，而后者可以認(rèn)為是一個強8分音和一個弱8分音構(gòu)成。為了解決這個問題,，可以在連續(xù)的相同強音間加一個極短促的間斷區(qū)別兩者的不同,，間斷時間可以是幾個毫秒。這樣,，在音符編碼中應(yīng)該有一位碼控制,。

　　如果間斷音碼單獨占1個存儲單元，可設(shè)置間斷音標(biāo)志,，控制時值計數(shù)器狀態(tài)為間斷信息單元地址時計數(shù)頻率改變,，使間斷碼輸出的時間為間斷音長；如果間斷音碼與強音碼存放同一單元,，可觸發(fā)數(shù)字單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生問斷控制信號EN,。

2．4 樂曲的循環(huán)播放控制

　　為了實現(xiàn)樂曲的循環(huán)播放，應(yīng)該在樂曲結(jié)束時使曲譜表的查表地址回到初始值,?？稍谇V表的最后一個單元中存放一個結(jié)束符，結(jié)束符的編碼可以利用音程碼的冗余碼,。電路采用邏輯門對音程碼進(jìn)行判斷,，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)束符碼時控制時值計數(shù)器復(fù)位，樂曲重新開始演奏,。

2．5 曲譜編碼舉例

　　設(shè)音符的6位二進(jìn)制編碼中,，最高位為間斷音控制,，中間2位為音程碼,，最低3位為音名碼。每個8分音存放于1個存儲單元,，四分音符碼占2個存儲單元,。若音名碼用其簡譜數(shù)符對應(yīng)的二進(jìn)制碼表示，而低,、中,、高三個音程分別用"01”，“00",，“10”三組碼表示,，“11”為結(jié)束符碼,，則圖3曲譜碼存儲表如表2 所示。表中6位二進(jìn)制音符碼用2位八進(jìn)制數(shù)表示,。

 　　3 電路的實現(xiàn)

　　根據(jù)設(shè)計電路原理框圖,，曲譜碼以分頻數(shù)編碼，音高信號分頻由一個可預(yù)置的模N計數(shù)器實現(xiàn),。分頻系數(shù)表和曲譜表都存儲在ROM中,。若希望控制蜂鳴器的信號占空比為50％，分頻器的輸出信號采用二分頻電路實現(xiàn)占空比整形,，但注意信號頻率被降低一半,。電路原理框圖中M分頻器的作用是產(chǎn)生合適的時值計數(shù)脈沖頻率。電路的頂層原理圖如圖4所示,。

 　　4 結(jié)語

　　FPGA技術(shù)已成為電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域現(xiàn)代化的標(biāo)志,。本文將FPGA用于電子技術(shù)課程設(shè)計，取得了較好的效果,。通過本設(shè)計激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,，拓寬了學(xué)生的思路，為學(xué)生今后的畢業(yè)設(shè)計和從事電子技術(shù)方面的科研,、開發(fā)工作打下了良好的基礎(chǔ),。