我們生活在一個信息高速發達的時代，各種各樣電子產品層出不窮。對于廣大老百姓來說，電子琴可以說已經不再是什么“新鮮玩意”了，它現在作為一種休閑和娛樂的產品早就推出市面，面向百姓，進入了我們的生活。作為一個電子信息科學與技術專業的學生，了解這些電子產品的基本的組成和設計原理是十分必要的，我們學習過了計算機組成的理論知識，而我所做的課程設計正是對我學習的理論進行實踐和鞏固。

　　電子琴作為音樂與科技的產物，在電子化和信息化的時代，為音樂的大眾化做出了很大的貢獻，歌曲的制作大多數都要由電子琴來完成，然后通過媒介流傳開來，電視劇和電影的插曲、電視節目音效、甚至你的手機鈴聲，都很可能包含電子琴的身影。

　　電子琴因其操作簡單， 且能模擬各種傳統樂器的音色， 而深受消費者喜愛。筆者介紹了一種電子琴的設計方法。該系統基于可編程邏輯器件 FPGA（ FieldProgrammable Logical Device） 芯片 ， 利用 VHDL 硬件描述語言設計系統核心部件， 再配以適當的外圍電路，可從琴鍵上進行演奏也可自動進行樂曲演奏， 可模擬傳統樂器笛、風琴、小號、單簧、基準頻率產生器雙簧等音色。該電子琴共有12 個琴鍵 （ 7 個白色琴鍵 ， 5個黑色琴鍵） ， 分高音、中音、低音 3 個音區， 演奏時音名可動態顯示。

　　原理分析

　　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l至高音1之間每個音符的頻率。簡譜音名與頻率對應關系下圖2-1所示：

　　1 系統組成

　　該電子琴系統組成框圖如圖 1 所示。

　　2 系統各部分電路設計

　　2.1 基準頻率產生器

　　電路由晶振與反相器 CC4069 構成時鐘脈沖振蕩器。振蕩器輸出的頻率為 6 MHz， 作為系統的基準頻率。

　　自動演奏及鍵盤編碼模塊（ AUTOMUSIC 模塊）

　　該模塊主要包括兩大內容： 鍵盤輸入編碼及樂曲自動演奏。其 VHDL 程序的結構如圖 2 所示， 包括 3 個進 程 ： p01:process （ clk， Auto） 進程完成對系統時鐘 6 MHz 的 1 500 000 分頻， 得到 4 Hz 的信號 clk2， 作為另一進程的計數時鐘， 用來控制每個音階之間的停頓時間; p02： process（ clk2） 進程為地址計數器， 計數范圍為0～音樂存貯模塊中音符的最大地址數。完成自動演奏樂曲的地址累加， 同時實現樂曲循環演奏; music： pro-cess （ count0， Auto， index2） 進程主要用來記錄所選樂曲的樂譜、根據樂譜產生 12 位發聲控制輸出 index0 信號。當 auto 為“0”時， 將存儲在此模塊中的 12位二進制數作為發聲控制信號 ， 自動演奏樂曲。在記錄樂譜時 ， 若將 1 拍的時間長度定為1 s， 因地址計數器的時鐘頻率為 4 Hz， 即 1/4 拍時間為 0.25 s，則 1 個全音音符需重復記錄 4次 ， 2/4 拍音符重復記錄 2 次， 該進程的流程圖如圖 3所示。

　　該模塊程序中 clk 接基準頻率產生器， 輸入系統的基準頻率 6 MHz; auto 為鍵盤輸入演奏與自動演奏的切換開關， 即當 auto=“0”時， 選擇音樂存儲器里的樂曲 ， 自動演奏 ; auto=“1”時 ， 選擇鍵盤輸入的信號 ， 從琴鍵上演奏。high2， med2， low2 分別接鍵盤上高、中、低音的控制開關 ， Index2［0］～Index2［11］分別接鍵盤上的12 個琴鍵， HIGH0， med0， low0 分別輸出音調的音區信息（ 分別對應高音、中音、低音區） ; Index0［0］～Index0［11］輸出琴鍵編碼或音樂存儲器里的樂曲的音符編碼。