可編程音樂演奏電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、開放實(shí)驗(yàn)報(bào)告課題名稱 可編程音樂演奏電路 學(xué) 院 通信與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師 張瑛 學(xué) 號(hào) B10011234 姓 名 可可丁 目錄 一 技術(shù)指標(biāo) - 1.1 基本指標(biāo)- 1.1.1 樂曲要求- 1.1.2 演奏要求- 1.1.3 電氣指標(biāo)- 1.2 選做指標(biāo)- 1.3 設(shè)計(jì)條件- 二 音樂常識(shí)的補(bǔ)充說明 - 2.1 電子樂器信號(hào)的簡述- 2.2 樂器的標(biāo)準(zhǔn)頻率介紹- 2.3 音名和唱名的介紹- 2.4 樂曲與頻率的關(guān)系介紹- 2.5 音的長短和休止符介紹 - 三 整體電路設(shè)計(jì) - 3.1 整體方案 - 3.2 系統(tǒng)流程圖 - 3.3 ASM圖 - 3.4 音階信號(hào)產(chǎn)生方案 - 3.5 元件清

2、單 -四 單元電路設(shè)計(jì) - 4.1 選曲電路設(shè)計(jì)- 4.2 音節(jié)電路設(shè)計(jì)- 4.3 十二音階分頻電路 - 4.4 八度分頻電路設(shè)計(jì) - 4.5 音長控制電路設(shè)計(jì) -五 電路功能測試及誤差分析 -5.1 振蕩源檢測 -5.2 12音階和8度分頻電路檢測- 5.3 開關(guān)和選曲電路檢測- 5.4 整體功能檢測- 5.5 頻率誤差分析- 5.6 課程設(shè)計(jì)中的問題及改進(jìn)- 5.7 參考文獻(xiàn) -六 總結(jié)實(shí)驗(yàn)周過程 6.1 電路設(shè)計(jì)及連線驗(yàn)錯(cuò)過程 6.2 心得與體會(huì) 6.3 實(shí)驗(yàn)周所學(xué)所得 音樂電子線路成果圖第一階段1、系統(tǒng)功能要求 可編程電子音樂自動(dòng)演奏電路可以通過開關(guān)選擇預(yù)先設(shè)定好的音樂曲目，曲目選定后

3、則自動(dòng)演奏所選曲目。（1）樂曲要求 樂曲數(shù)目3首。 每首樂曲長度20S30S。 所選擇的樂曲應(yīng)在4個(gè)8度內(nèi)，以第6個(gè)8度作為最高的8度。 樂曲演奏速度為100拍/min 120拍/min。（2）演奏要求 用1個(gè)自復(fù)鍵K1選擇所需的樂曲，用3個(gè)LED表示選中對應(yīng)樂曲，當(dāng)3個(gè)LDE均不亮?xí)r，表示沒有選中，電路沒有樂曲輸出。 一旦選中某一首樂曲，電路將自動(dòng)循環(huán)放送所選的樂曲。（3）電氣指標(biāo)音頻功放輸入為方波。音階頻率誤差E5生。負(fù)載（喇叭）阻抗為8，功率為1/8W（也可采用蜂鳴器）。輸出音量可調(diào)。4、選做指標(biāo) 加入顫音效果。 加入節(jié)拍的強(qiáng)弱變化。5、設(shè)計(jì)條件電源條件：使用+5V電源。 電路設(shè)計(jì)不允許

4、采用試湊法，必須采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法畫出算法流程圖、ASM圖，并依照ASM圖設(shè)計(jì)處理器和控制器。第二階段（一）、音樂常識(shí)的補(bǔ)充說明1、電子樂器信號(hào)的簡述電子樂器是一種應(yīng)用電子技術(shù)模仿各種樂器的聲音（例如，鋼琴、笛子、提琴、鑼鼓等）的樂器。模仿各種樂器的基本原理是：先將某種樂器的聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再分析該樂器的電信號(hào)的波形和頻譜，利用電子技術(shù)產(chǎn)生與該樂器相仿的電信號(hào)。 電子樂器所模仿的各種樂器時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)具有各自不同的特點(diǎn)，若對電子樂器所模仿的各種樂器的電信號(hào)進(jìn)行分析，其區(qū)別主要是頻譜的不同。在演奏電子樂器時(shí)，除了演奏員在情感上的處理之外，僅從樂器發(fā)出的信號(hào)電特性而言，其表現(xiàn)力主要體現(xiàn)在四個(gè)方面

5、：音高（基本頻率）、長短（也稱音的時(shí)值，指某一頻率持續(xù)的時(shí)間）、強(qiáng)弱（信號(hào)的電壓幅度或輸出功率）和音色（信號(hào)的波形和頻譜）。本課題是一種簡易的電子樂器，它沒有模仿特定的樂器，音色單一。演奏時(shí)它所產(chǎn)生的信號(hào)是方波，其波形是占空比為50%的脈沖波，頻譜僅含基頻與其偶次諧波。所以，在設(shè)計(jì)本課題時(shí)，在保證輸出信號(hào)為方波的前提下，主要考慮如何用電子電路控制音高（頻率）、長短（音的時(shí)值）和強(qiáng)弱(信號(hào)幅度) 電子樂器信號(hào)這三方面的基本特性。如果兩個(gè)信號(hào)的頻率值相差1倍則稱為兩個(gè)音相差八度。 將108個(gè)音高分為9組八度音程（08），每個(gè)八度音程里包括12個(gè)音調(diào)（C 、#C、D、#D、E、F、#F、G、#G、A

6、、#A、B），如表1所列，相鄰之間的音調(diào)差別稱為半音，表中“#”號(hào)為半音符號(hào)。表1中為了使用方便，將鋼琴鍵盤中央一組的八度稱為小字一組，該組的第一個(gè)鍵的音名稱為中央C，這一組音調(diào)A的頻率為440HZ。國際上將440HZ作為標(biāo)準(zhǔn)音高。2、樂器的標(biāo)準(zhǔn)頻率說明人對音調(diào)（頻率）辨別力不是線性的，當(dāng)頻率由40HZ變到了50HZ，人們很容易察覺到有10HZ的頻率差，如果頻率由4000HZ變到4010HZ，雖頻率其差仍為10HZ，但人們幾乎聽不出有任何差異。實(shí)驗(yàn)證明，人們對音調(diào)高低度及響度兩者的感覺都是對數(shù)關(guān)系。 根據(jù)人們對聲音的聽覺特性以及電子樂器發(fā)生的特性，人們可以將樂器的整個(gè)音域范圍內(nèi)分成108個(gè)音高

7、，相鄰兩個(gè)音高的頻率比為1： 。根據(jù)兩個(gè)相鄰音階的頻率比M = 1.0595的關(guān)系，可以推算出中央C組12個(gè)音調(diào)對應(yīng)的頻率，再根據(jù)相鄰組同名音調(diào)的音階相差八度（頻率相差1倍）的關(guān)系，便可以推算出108個(gè)音高所對應(yīng)的所有頻率。如果兩個(gè)信號(hào)的頻率值相差1倍則稱為兩個(gè)音相差八度。 將108個(gè)音高分為9組八度音程（08），每個(gè)八度音程里包括12個(gè)音調(diào)（C 、#C、D、#D、E、F、#F、G、#G、A、#A、B），如表1所列，相鄰之間的音調(diào)差別稱為半音，表中“#”號(hào)為半音符號(hào)。表1中為了使用方便，將鋼琴鍵盤中央一組的八度稱為小字一組，該組的第一個(gè)鍵的音名稱為中央C，這一組音調(diào)A的頻率為440HZ。國際上

8、將440HZ作為標(biāo)準(zhǔn)音高。表1：十二音調(diào)等調(diào)整音階標(biāo)準(zhǔn)頻率表八度音編 號(hào)音調(diào)C# CD# DEF# F016.35117.32418.35419.44520.60121.82723.124132.70334.64836.70838.89141.20343.65446.249265.40669.29673.41677.78282.40787.30792.4993130.81138.59146.83155.56164.81174.61184.994261.62277.18293.67311.13329.63349.23369.995523.25554.36587.33622.25659.26698

9、.46739.9961046.51108.71174.71244.51318.51396.91479.972093.02217.52349.32489.02637.02739.82959.984186.04434.94698.64978.05274.05587.75919.9 G# GA# AB24.49925.95627.5029.13530.86748.99951.91355.0058.27061.73597.999103.83110.00116.54123.47195.99207.65220.00233.08246.94391.99415.31440.00466.16493.88783.

10、99830.61880.00932.32987.761567.91661.21760.001864.71975.53135.93322.43520.03729.33951.16271.96644.97040.07458.67902.1如表1所列，相鄰之間的音調(diào)差別稱為半音，表中“#”號(hào)為半音符號(hào)。表1中為了使用方便，將鋼琴鍵盤中央一組的八度稱為小字一組，該組的第一個(gè)鍵的音名稱為中央C，這一組音調(diào)A的頻率為440HZ。國際上將440HZ作為標(biāo)準(zhǔn)音高電子樂器輸出的信號(hào)頻率總是有一定的誤差的，為了衡量各個(gè)音高所對應(yīng)的頻率是否準(zhǔn)確，在電子樂器中引入了稱為“生”的單位。將半音分為100份，則每份稱為1“

11、生”。質(zhì)量較好的電子樂器，頻率偏差在1“生”以下。3、音名和唱名的說明音名和唱名之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。音名的音高是固定不變的，一切樂器和人聲發(fā)出的C音，D音等，其音高都相同。唱名的高度則根據(jù)調(diào)號(hào)的不同而異。例如，對于調(diào)號(hào)1=C來說。把1（do）唱成和C音一樣高，3(mi)唱成和E音一樣高 ，音名C,D A,B七個(gè)音的相互高低關(guān)系是一致的。音名的EF，BC是半音，其余為全音。唱名的34，7是半音，其余為全音。所以對1=C而言，音名C、D、E、F、G、A、B七個(gè)音分別唱成1、2、3、4、5、6、7。而對其它各調(diào)來說，各個(gè)唱名的高度就要發(fā)生變化。例對調(diào)號(hào)1=D來說，把1（do）唱成和D音一樣高，

12、2（rê）唱成和E音一樣高，而3（mì）唱成和#F音（而不是F音）一樣高，依此類推。因此只要知道調(diào)號(hào)就可得到音名和唱名的對應(yīng)關(guān)系。表2 ：音名與唱名的對應(yīng)關(guān)系舉例 以鋼琴鍵舉例的說明：鋼琴琴鍵由9組八度音程組成（即：9×7=63個(gè)白鍵，9×5=45個(gè)黑鍵） ，構(gòu)成108個(gè)音高。其中，1）黑與白之間相差半個(gè)音高。2）E和F鍵之間相差半個(gè)音高。3）B和C鍵之間相差半個(gè)音高。4、如何確定樂曲與頻率的關(guān)系說明確定調(diào)號(hào)： 如1=C,找出該調(diào)號(hào)下唱名1 2 3 4 5 6 7 所對應(yīng)的音名，再根據(jù)音名找出17對應(yīng)的頻率，將樂曲簡譜中的唱名用對應(yīng)的頻率替換，相鄰頻率分

13、頻比為1.0595,如果直接控制分頻比電路設(shè)計(jì)就比較復(fù)雜，我們可以采用預(yù)置數(shù)的方法獲得所需的頻率，即：兩個(gè)八度之間分頻比為2.5、音的長短和休止符說明 簡譜中用短橫線表示音的長短，不帶短橫線的基本音符為四分音符，例如：5 。 短橫線在基本音符右側(cè)時(shí)稱為增時(shí)線，每增加一個(gè)增時(shí)線表示延長一個(gè)四分音符，例如：5 。 短橫線在基本音符下面時(shí)稱為減時(shí)線，每增加一條減時(shí)線表示原來的音縮短一半的時(shí)間，例如，5。 此外，還可以用附點(diǎn)表示音的長短，附點(diǎn)表示延長其前面音值的一半。例如，5.= 5 + 5 。 8分音符， 5 。 16分音符，5。 休止符 0 6、音樂的速度、節(jié)奏與節(jié)拍的說明樂曲演奏的快慢稱為速度。

14、一首2/4拍的樂曲，速度不同，其演奏所需的時(shí)間也不同。五線譜中用J=120表示以4分音符為一拍，1秒鐘演奏120拍。簡譜中樂曲演奏速度常用“快速”“慢速”等詞語表示，也可用每分鐘多少拍子來定義。節(jié)奏和節(jié)拍在音樂中是同時(shí)并存的，它們以音的長短、強(qiáng)弱及其相互關(guān)系的固定性和準(zhǔn)確性來組織音樂。從狹義的觀點(diǎn)來定義，音的長短關(guān)系稱為節(jié)奏。帶重音和不帶重音的在同樣的時(shí)間片段按照一定的次序循環(huán)重復(fù)稱為節(jié)拍。 例如： 某只樂曲為4/4拍，其一個(gè)小節(jié)中重音變化的要求是“強(qiáng)拍、弱拍、次強(qiáng)拍、弱拍”。整體方案的設(shè)計(jì)整體電路結(jié)構(gòu) 可參考圖1所示的整體電路結(jié)構(gòu)，將整體電路分為“選曲電路”、“音樂演奏電路”和“功率放大”三

15、個(gè)主要部分。2）音階信號(hào)產(chǎn)生方案在設(shè)計(jì)電路之前，應(yīng)選擇3首樂曲，樂曲的音域應(yīng)盡量符合指標(biāo)要求，在四個(gè)八度內(nèi)。 考慮基本技術(shù)指標(biāo)時(shí)，主要考慮如何產(chǎn)生樂曲所要求的所有音的頻率以及如何控制音的長短。根據(jù)一個(gè)八度組內(nèi)有12個(gè)音階的特點(diǎn)，相鄰兩個(gè)八度組同名音名為八度關(guān)系（即，頻率為2倍關(guān)系）的特點(diǎn)，可以用圖2或圖3方框圖，產(chǎn)生12個(gè)音階以及八度變化，使輸出信號(hào)的頻率fo為唱名所對應(yīng)的頻率值。2、振蕩電路的設(shè)計(jì)振蕩電路應(yīng)能產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CP，選擇CP的頻率時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)過12音階分頻電路和八度分頻電路后，輸出信號(hào)頻率fo應(yīng)滿足要求。同時(shí)還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)節(jié)拍信號(hào)。振蕩電路根據(jù)以上的要求并考慮到樂曲的音域應(yīng)在4個(gè)8

16、度內(nèi)，即：樂曲的所有音域在第3、4、5和6個(gè)8度內(nèi)，選擇對第七個(gè)8度的C調(diào)進(jìn)行分頻，用8位計(jì)數(shù)器時(shí)，分頻比為1：256。換句話說就是取第7個(gè)8度內(nèi)最低頻率2093Hz，再乘以256（即：用兩級74161級聯(lián)后的計(jì)數(shù)器模值），這樣就得到了應(yīng)該產(chǎn)生的振蕩器的頻率535808Hz。振蕩電路： 7414、103和10K3、12音階分頻電路的設(shè)計(jì)（1）工作原理 根據(jù)人們對聲音的聽覺特性及電子樂器發(fā)生的特性，人們將樂器的整個(gè)音域范圍內(nèi)分成108個(gè)音高，相鄰兩個(gè)音高的頻率比為：M=1.0595。如果兩個(gè)信號(hào)的頻率值相差1倍，則稱為兩個(gè)音相差八度。將108個(gè)音高分別分為9組八度音程（08），每個(gè)八度音程里包括

17、12個(gè)音調(diào)（C、#C、D、······、B）。 如果選擇采用的是圖2演奏方案一，因此先利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方法產(chǎn)生一個(gè)度的12個(gè)音階頻率中的一個(gè)。實(shí)現(xiàn)的方法是采用置最小數(shù)法。計(jì)數(shù)初值可以通過以下公式計(jì)算： （計(jì)數(shù)初值）10 =A-(fci/fi) ×255 ,其中A=256，i=7,6, ······,0.（計(jì)數(shù)初值）10 =A-(fci/fi) ×255 , 其中A=256，i=7,6, ······

18、;,0.例如以第7個(gè)8度為例： fci=2093Hz,fi=2093,則 （計(jì)數(shù)初值）10 = 1 fci=2093Hz,fi=2217.5,則 （計(jì)數(shù)初值）10 = 15 fci=2093Hz,fi=3951.1,則 （計(jì)數(shù)初值）10 = 121(2)12音階分頻電路的設(shè)計(jì)音階分頻電路采用兩片74161進(jìn)行同步級聯(lián)構(gòu)成，一個(gè)8位計(jì)數(shù)器。由于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值不同即：有12種。因此，第二級74161的QCC端子出來的脈沖也有12種，即12種計(jì)數(shù)初值可使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生出12種不同的音階頻率。電路圖如下：4、八度分頻電路設(shè)計(jì)（1）工作原理兩個(gè)八度信號(hào)就是2分頻的關(guān)系，4個(gè)八度就是4個(gè)有2分頻關(guān)系的信號(hào)。

19、將十二音階分頻電路中輸出即：第二級74161的輸出QCC作為計(jì)數(shù)器74163的CP就可以分頻，74163的Q0端的輸出為2分頻，Q1端輸出為4分頻，Q2端輸出為8分頻，Q3端輸出為16分頻。通過4選1數(shù)據(jù)選擇器及八度控制碼（來至E2PROM的I/O5和I/O4）進(jìn)行八度分頻。（2）電路設(shè)計(jì)5、音長控制電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求樂曲演奏速度為100120拍/min，為設(shè)計(jì)方便，規(guī)定樂曲演奏速度為120拍/min。由于4分音符為一拍，若以16分音符為基準(zhǔn)，那么一分鐘就要演奏480個(gè)16分音符，每個(gè)音符演奏1/8S。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為8Hz的振蕩電路。 利用555定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)8Hz的振蕩器。8

20、Hz的振蕩器的設(shè)計(jì)：6、音調(diào)控制碼譯碼電路的設(shè)計(jì)（1）實(shí)現(xiàn)原理音調(diào)控制碼譯碼電路可以通過對GAL16V8進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。GAL16V8內(nèi)應(yīng)存儲(chǔ)對E2PROM內(nèi)樂曲的代碼的解碼程序，相當(dāng)于一個(gè)譯碼器，譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)數(shù)初值（8位），送至十二音階分頻電路。由公式： （計(jì)算初值）10 =256-255×（Tci/Ti） 其中，(i=7,6,5,····,0)由公式可以計(jì)算出12個(gè)音符預(yù)置十進(jìn)制數(shù)，并且轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制。若以C7為例，計(jì)算結(jié)果如表所示。 （計(jì)算初值）10 =256-255×（2093/f） 經(jīng)卡諾圖化簡后：F7=0；F6=D3&a

21、mp;!D2#!D3&D2&D1；F5=!D3&D2&!D1#!D2&D1&D0#D3&!D2&D0 #D3&!D2&D1；F4=!D3&D2&!D1#!D3&D2&D0#D3&!D2&D1 #D3&!D2 &!D0#D1&!D2&!D0；F3=!D3&!D2&!D1#D3&!D2&D0#!D3&!D1&D0#!D3&!D2&D1 #!D3&D1&!D2；F

22、2=!D3&D2#!D3&!D1&!D0#!D3&D1&!D0 #D3&!D2&!D1&!D0；F1=!D3&!D2&D0#!D3&D1&D0#!D3&D2&!D1&!D0 #D3&!D2&!D1&!D0 ；F0=!D2&D0#!D3&!D1&D0#D3&!D2&D1&!D0；7、功放電路的設(shè)計(jì)用LM386構(gòu)成放大器，電路如圖所示VCCLM386信號(hào)輸入34106529、樂曲編碼本次課題設(shè)計(jì)是“可編程”電

23、子音樂。因此，先將預(yù)先送好的3首樂曲存儲(chǔ)在EEPROM中，然后通過不同的地址將相應(yīng)的樂曲讀出演奏。3首樂曲的簡譜和編碼如下：編碼(部分)E4 E4 E4 E4 E2 E2 E4 E4 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E2 E2 E0 E0 E0 E0 E0 E0 E4 E4 E0 E0 E0 E0 E4 E4 E2 E2 E0 E0 E4 E4 E2 E2 E2 E4 E4 E7 E7 E7 E7 E9 E9 F0 F0 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E5 E5 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E0 E0 E5 E5 E4 E4 E2 E2 E0 E0 E2 E2 E

24、0 E0 E0 E0 00（2）找朋友編碼：E7 E7 E9 E9 E7 E7 E9 E9 E7 E7 E9 E9 E7 E7 E7 E7 E7 E7 D0 D0 EA EA E9 E9 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E5 E5 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E5 E5 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E0 E0 E5 E5 E4 E4 E2 E2 E0 E0 E2 E2 E0 E0 E0 E0 00（3）世上只有媽媽好編碼：E9 E9 E9 E9 E9 E9 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E7 E7 E7 E7 D0 D0 D0 D0 E9 E9 E7 E7 E9 E9 E9 E9 E9 E9 E9 E9 E4 E4 E4 E4 E7 E7 E9 E9 E7 E7 E7 E7 E4 E4 E4 E4 E0 E0 F9 F9 E7 E7 E4 E4 E2 E2 E2 E2 E2 E2 E2 E2 E2 E2 F2 F2 E2 E2 E4 E4 E7 E7 E7 E7 E7 E7 E9 E9 E4 E4 E4 E4 E2 E2