? ? 　電子琴設計原理

　　樂曲都是由一連串的音符組成，按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應的頻率，就可以在揚聲器上連續地發出各個音符的音調。為了準確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚聲器能夠發出聲音是遠遠不夠的，還必須準確地控制樂曲的節奏，即每個音符的持續時間。由此可見，樂曲中每個音符的發音頻率以及音符持續的時間是樂曲能夠連續演奏的兩個關鍵因素。

　　樂曲的12平均率規定：每2個八度音之間的頻率要相差1倍，比如簡譜中的中音2與高音2。在2個八度音之間，又可分為12個半音。另外，音符A（簡譜中的低音5）的頻率為392Hz，音符E到F之間、B到C之間為半音，其余為全音。由此可以計算出簡譜中從低音

　　1至高音1之間每個音符的頻率。簡譜音名與頻率對應關系如圖2-1所示：

　　產生各音符所需的頻率使用一分頻器來實現，由于各音符對應的頻率多為非整數，而分頻系數又不能為小數，所以必須將計算得到的分頻數四舍五入取整數。若分頻器時鐘頻率過低，則由于分頻系數過小，四舍五入取整數后的誤差較大；若時鐘頻率過高，雖然誤差變小，但分頻數將會變大。在實際的設計中應綜合考慮這兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的時鐘頻率。實際上，只要各個音符間的相對頻率關系不變，演奏出的樂曲聽起來都不會走調。

　　設計的音樂電子琴選取12MHZ的系統時鐘頻率。在數控分頻器模塊，首先對時鐘頻率進行12分頻，得到1MHZ的輸入頻率，然后再次分頻得到各音符的頻率。由于數控分頻器輸出的波形是脈寬極窄的脈沖波，為了更好的驅動揚聲器發聲，在到達揚聲器之前需要均衡占空比，從而生成各音符對應頻率的對稱方波輸出。這個過程實際上進行了一次二分頻，頻率變為原來的二分之一即0.5MHZ。

　　因此，分頻系數的計算可以按照下面的方法進行。以中音1為例，對應的頻率值為523Hz，它的分頻系數應該為：

　　至于其他音符，可由上式求出對應的分頻系數，這樣利用程序可以很輕松地得到相應的樂聲。

　　各音名對應的分頻系數如圖2-2所示：

　　音符的持續時間須根據樂曲的速度及每個音符的節拍數來確定。因此，要控制音符的音長，就必須知道樂曲的速度和每個音符所對應的節拍數。如果將全音符的持續時間設為1s的話，那么一拍所應該持續的時間為0.25秒，則只需要提供一個4HZ的時鐘頻率即可產生四分音符的時長。

　　至于音長的控制，在自動演奏模塊，每個樂曲的音符是按地址存放的，播放樂曲時按4HZ的時鐘頻率依次讀取簡譜，每個音符持續時間為0.25秒。如果樂譜中某個音符為三拍音長，那又該如何控制呢？其實只要在3個連續地址存放該音符，這時就會發三個0.25秒的音長，即持續了三拍的時間，通過這樣一個簡單的操作就可以控制音長了。

　　2.2.1分頻模塊設計方法

　　方法一：使用加法計數器。在計數器值小于分頻系數值時，保持分頻的時鐘信號不變，當計數器加到分頻系數值時，令分頻時鐘信號發生跳變，同時將零設為此時的計數器值，這樣分頻時鐘信號就會再次發生跳變。但是這種占空比不等于50%的信號是無法驅動實驗板上的揚聲器發聲的。

　　方法二：使用減法計數器，計數器的數值由分頻系數值向下遞減，在減為零時跳變并重新賦值，原理與第一種類似。

　　方法三：先對時鐘脈沖進行分頻得到1MHZ的脈沖，然后按照輸入的分頻系數對1MHZ的再次分頻，得到所需的音符頻率，最后在音調輸出時再進行二分頻，將脈沖展開能夠直接得到占空比為50%的分頻信號，將脈沖展寬，使揚聲器有足夠發生功率。在思索一番后，最終確定了這一個方案，相比較與以上兩種實現方法，這種方法的好處在于能夠直接得到占空比為50%的分頻信號。