乐曲演奏电路设计原理

组成乐曲的每一个音符的频率值（音调）及其持续的时间（音长）是乐曲演奏所需的两个基本数据，只要控制输出到扬声器的激励信号的频率高低和持续时间，就可以使扬声器发出连续的乐曲声。

1.音调的控制

乐曲是由不同音符编制而成的，音符中有7个音名：C、D、E、F、G、A、B，每个音名都有一个固定的振动频率，频率的高低决定了音调的高低。音乐的十二平均率规定：每两个八度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差1倍。在两个八度音之间又可以分为12个半音，每两个半音的频率比为。另外，音名A的频率为440Hz，音名B～C之间、E～F之间为半音，其余为全音。因此可以计算出简谱中从低音1～高音1之间每个音名对应的频率，如表5-4所示。

表5-4 简谱中的音频与频率的关系

所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到的。这里采用Xilinx Virtex Ⅱ-Pro开发板，所选的基准频率为100MHz的时钟频率，为了减小输出的偶次谐波分量，最后输出到扬声器的波形应为对称方波，因此在到达扬声器之前有一个2分频的分频器。据此，可求出不同的分频系数，例如，中音1的频率为523Hz，则其分频系数为100000000÷523.3÷2=95547。

以演奏《两只老虎》的片段为例，其曲谱如图5-65所示。

图5-65 《两只老虎》曲谱

采用以上方法可以求出《两只老虎》片段中各音名的分频系数，如表5-5所示。

表5-5 《两只老虎》片段中各音名的频率、分频系数和预置数

从表5-5可以看出，最大的分频系数为127551，故采用17位二进制计数器（Count）分频可满足需要（最大计数2¹⁷-1=131071）。在表5-5中，除给出了分频比以外，还给出了对应于各个音阶频率计数器不同的预置数。预置数等于131071减去相应的分频系数，对于不同的分频系数，只要加载不同的预置数即可。

此外，对于乐曲中的休止符，可将分频系数设为0，即加载预置数131071，此时，蜂鸣器不会发声。(www.xing528.com)

2.音长的控制

乐曲中的音符不单有音调的高低，还要有音的长短，如有的音要唱四分之一拍，有的音要唱两拍等。在节拍符号中，如用×代表某个音的唱名，×下面无短横线为四分音符，有一条短横线代表八分音符，有两条横线代表十六分音符，×右边有一条短横线代表二分音符，×右边有三条短横线代表全音符，有“·”的音符为符点音符。

如果提供一个4Hz（0.25s）的时钟频率来产生四分音符的时长，则各节拍的音长如表5-6所示。

为了产生4Hz的脉冲，可以把100MHz的时钟进行12500000分频（用计数器CNT统计分频次数），变为8Hz（周期为0.125s），然后，使4Hz信号每0.125s取反一次，则变为4Hz的信号（周期为0.25s）。

表5-6 节拍的音长

控制音长可通过计数器预置数的停留时间来实现，预置数停留的时间越长，则该音符演奏的时间也越长，以演示《两只老虎》片段为例，最短的音符为四分音符（0.25s），由于没有符点音符，因此，每个音符的演奏时间都是0.25s的整数倍。

另外，为了能使演奏循环进行，需另设一个时长计数器CNT，当乐曲演奏完成时，可以自动从头开始演奏。

当reset=0时，所有输出为0；当reset=1时，该乐曲演奏电路正常工作，音符的显示由high，med，low分别代表高、中、低音符在数码管上显示出来，声音由song_out输出的频率信号送到扬声器产生。

乐曲演奏电路的原理框图如图5-66所示。

图5-66 乐曲演奏电路原理框图