可編程電子音樂自動演奏電路設(shè)計

1、第1章 技術(shù)指標(biāo)1.1 系統(tǒng)功能要求 可編程電子音樂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，曲目選定后則自動演奏所選曲目。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求 可編程電子音樂自動演奏電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求如圖1-1所示。圖中K1用于選擇預(yù)先設(shè)置在電路中的樂曲，選中某一樂曲后對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，音樂演奏電路反復(fù)自動演奏所選的樂曲，經(jīng)功率放大后由喇叭播出，直至選中下一首為止。1.3 基本指標(biāo) 樂曲要求(a)樂曲數(shù)目3首。(b)每首樂曲長度20s30s。(c)所選擇的樂曲應(yīng)在4個8度內(nèi)，以第6個8度作為最高的8度。(d)樂曲演奏速度為100拍/min120拍/min. 演奏要求第1頁(a)用1個自復(fù)鍵K1選擇所需

2、的曲目，用3個LED表示選中對應(yīng)曲目，當(dāng)3個LED都不亮?xí)r，表示沒有選中，電路沒有樂曲輸出。(b)一旦選中某一首樂曲，電路將自動循環(huán)放送所選的樂曲。 電氣指標(biāo)(a)音頻功放輸入為方波。(b)音階頻率誤差E5生。(c)負(fù)載（喇叭）阻抗為8，功率為1/8W。(d)輸出音量可調(diào)。1.4 設(shè)計條件 電源電壓為5V。 電路設(shè)計，不允許采用試湊法，必須采用系統(tǒng)設(shè)計方法畫出ASM圖，并根據(jù)ASM圖設(shè)計控制電路?？晒┻x擇的元器件范圍如表1-1所示。序號元件型號數(shù)量序號元件型號數(shù)量11/8W喇叭1只1174LS1612片2LED發(fā)光二極管3只1274LS1632片310K電位器1個1374LS3931片474L

3、S001片1474LS1741片574LS041片15GAL16V81片674LS201片1628C64B1片774LS742片17LM5552片874LS1321片18單刀單位自復(fù)開關(guān)1片974LS1381片19LM3861片1074LS1531片 表 1-1 第2頁 第2章 整體方案設(shè)計2.1 設(shè)計分析電子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，再分析該樂器的電信號的波形和頻譜，最后利用電子技術(shù)產(chǎn)生與該樂器相仿的電信號。僅從電子樂器發(fā)出的信號電特性來看，其表現(xiàn)力主要體現(xiàn)在4個方面：音高（基本頻率），長短，強(qiáng)弱（信號的電壓幅度或輸出功率）和音色（信號的波形和頻譜）。由于

4、本課程設(shè)計所研究的電子樂器在演奏時，它所產(chǎn)生的信號是方波，其波形是占空比為50%的脈沖波，頻譜中僅含有基頻和其奇次諧波。所以，再設(shè)計本課程設(shè)計時，在保證輸出信號是方波的前提之下，主要考慮如何用電子電路控制音高（頻率），長短（音的時值）和強(qiáng)弱（信號幅度）這3個電子樂器的基本特性。樂器的標(biāo)準(zhǔn)頻率樂器的整個音域范圍分成108個音高，相鄰兩個音高的頻率比為1.0595，如果兩個信號的頻率值相差1倍，則稱這兩個音相差8度。將108個音高分為9組8度音程，每個8度音程里含有12個音調(diào)（C,#C,D,#D,E,F,B）,如表2-1所示，相鄰之間的音調(diào)差被稱為半音。表中“#”號為半音符號。國際上將440Hz作

5、為標(biāo)準(zhǔn)音高。8度編號音 調(diào)C#CD#DEF#FG#GA#AB016.35117.32418.35419.44520.60121.82723.12424.49925.95627.529.13530.867132.70334.64836.70838.89141.20343.65446.24948.99951.9135558.2761.735265.40669.29673.41677.78282.40787.30792.49997.999103.83110116.54123.473130.81138.59146.83155.56164.81174.61184.99195.99207.65220233

6、.08246.944261.62277.18293.67311.13329.63349.23369.99391.99415.31440466.16493.885523.25554.36587.33622.25659326698.46739.99783.99830.61880932.32987.7661046.51108.71174.71244.51318.51396.91479.91567.91661.217601864.71975.5720932217.52349.3248926372739.82959.93136.93322.435203729.33951.1841864434.94698

7、.6497852745587.75919.96271.96644.970407458.67902.1 表 2-1第3頁音名和唱名音名和唱名之間的對應(yīng)關(guān)系如下表2-2所示。 表 2-2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，其音高相同。唱名的高度因調(diào)號的不同而異。例如，對于調(diào)號1=C來說，把標(biāo)準(zhǔn)的1(do)唱成和C4音一樣高，把2(re)唱成和D4音一樣高，把3(mi)唱成和E音一樣高。其中，音名的E-F，B-C第4頁是半音，其余為全音。唱名的3-4，7-1是半音，其余為全音。 音的長短 簡樸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，如1。短橫線在基本音符右側(cè)時稱

8、為增時線，每增加一個增時線表示延長一個4分音符如1-。短橫線在基本音符下面時稱為減時線，每增加一條減時線表示原來的音縮短一半的時間。另外，還可以用附點表示音的長短，附點表示延長其前面音值的一半。2.2 整體方案 整體電路結(jié)構(gòu) 根據(jù)圖1-1所示，將整體電路分為“選取電路”，“音樂演奏電路”和“功率放大”3個主要部分。 音階信號產(chǎn)生方案 在設(shè)計電路之前，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4個8度內(nèi)。 根據(jù)一個8度組內(nèi)有12個音階的特點，相鄰兩個8度組同名音名為8度關(guān)系，可以采用圖2-1或圖2-2來產(chǎn)生12個音階和8度變化，使輸出信號f為唱名所對應(yīng)的頻率值。 第5頁(1)振蕩電路 振蕩

9、電路應(yīng)能產(chǎn)生一個時鐘信號CP。選擇CP的頻率時，應(yīng)考慮經(jīng)過12音階分頻電路和8度分頻電路后，輸出信號頻率f應(yīng)滿足要求?？紤]到樂曲的音域應(yīng)在4個8度內(nèi)，即樂曲的所有音域在第3，4，5，和6個8度內(nèi)，故取第7個8度內(nèi)的最低頻率2093Hz，再乘以256(兩級74161級聯(lián)后的計數(shù)器模值)，這樣就得到了應(yīng)該產(chǎn)生的振蕩器的頻率535808Hz。(2)12音節(jié)分頻電路 音階分頻電路應(yīng)能在分頻控制電路的控制下，產(chǎn)生12個音階頻率中的一個。當(dāng)CP信號確定后，應(yīng)考慮尋求能夠比較方便地控制分頻比的分頻方法。分頻方法不同，分頻控制電路的結(jié)構(gòu)不同。(3)8度分頻電路 2個8度信號就是2分頻的關(guān)系，4個8度信號就是4

10、個有2分頻關(guān)系的信號。設(shè)計這一點路試，應(yīng)考慮用何種方式可以使分頻電路和8度分頻的控制電路最為簡便。 第6頁(4)控制電路 數(shù)字系統(tǒng)，按其定義可分為控制器和數(shù)據(jù)處理器兩部分，圖2和圖3中控制器已標(biāo)出，其余的均為數(shù)據(jù)處理電路。演奏器的控制電路的邏輯操作可參考圖2-3所示的邏輯流程圖。它的邏輯流程可概括為：開機(jī)啟動后進(jìn)入“等待”狀態(tài)，此狀態(tài)下不演奏樂曲；如果此時有樂曲信號，則根據(jù)選取信號的編碼得到樂曲在EEPROM中的首地址；得到某一樂曲首地址后，進(jìn)入演奏狀態(tài)，每奏出一個最小時值單位的樂符判斷一次是否有演奏結(jié)束信號；若未結(jié)束，則ROM地址加1，從下一個字節(jié)中取出分頻控制信號；若從ROM取出的信號有結(jié)

11、束標(biāo)志，則返回“等待”狀態(tài)。如果此時選取信號未取消，則按上述邏輯操作進(jìn)行操作。 此數(shù)字系統(tǒng)的時鐘，若與樂曲中最小的時值相同，則可以使電路簡化。第7頁 設(shè)計分頻控制信號應(yīng)考慮如下因素：(a) 首先分析樂曲中最短的音符，以該音符的長度作為演奏過程中最小的時間單位Tmin，其它音的音值長度都是最小時間單位的整數(shù)倍。(b) 分頻控制電路應(yīng)能產(chǎn)生一個可控制12音階分頻電路作相應(yīng)的音頻的音階控制碼，同時還應(yīng)能產(chǎn)生一個可控制8度分頻電路產(chǎn)生相應(yīng)的8度分頻的8度控制碼。(c) 將一首樂曲每一個音的兩個控制碼存在EEPROM中，按樂曲演奏的順序逐個取出，從而得到演奏過程中的信號。(d) 演奏的樂曲中如果有休止符

12、，此時沒有輸出信號，在設(shè)計控制碼時，應(yīng)考慮休止符的產(chǎn)生。(e) 為了使樂曲能夠自動循環(huán)演奏，應(yīng)考慮識別某一曲目的結(jié)尾以及如何控制電路返回到該樂曲的開始點。 音頻功率放大器 設(shè)計音頻功率放大器時，應(yīng)考慮負(fù)載（喇叭）的額定功率，一是功率放大器輸出應(yīng)能夠驅(qū)動負(fù)載，二是輸出功率不能大于負(fù)載（喇叭）的額定功率，否則就將燒壞負(fù)載（喇叭）。2.3 整體方框圖整體方框圖如圖2-4所示：第8頁第3章 單元電路設(shè)計3.1 節(jié)拍發(fā)生器的設(shè)計 用555定時器來實現(xiàn)8Hz的節(jié)拍發(fā)生器，如圖3-1所示?；局笜?biāo)中要求樂曲的演奏速度為100120拍/min,，現(xiàn)取演奏速度為120拍/min。如果樂曲中的音全為4分音符，則節(jié)

13、拍發(fā)生器產(chǎn)生的頻率應(yīng)為f=120拍/1 min=120拍/ 60 s =2Hz,但考慮到一首樂曲中最短的音為16分音符，故f=120拍/60s *4=8Hz。 由于圖3-1產(chǎn)生的頻率為f=1/T=1.43/(RA+2RB)C, 故取C=47uF,RB=lK, RA=1.8K。3.2 消抖開關(guān)設(shè)計采用D觸發(fā)器來設(shè)計消抖動電路，如圖3-2所示：第9頁圖中電阻R的值取1K。3.3 地址計數(shù)器的設(shè)計 采用74393來構(gòu)成M=256的地址計數(shù)器，如圖3-3所示。 第10頁 圖3-3中CR的具體接法見方框圖3-5 曲尾識別電路設(shè)計。3.4 選曲電路和曲目顯示電路設(shè)計 圖3-4中用74163構(gòu)成2位二進(jìn)制計

14、數(shù)器，由于地址計數(shù)器電路3-3中已經(jīng)占用了28C64的A0A7地址端，故只能用A9和A8兩個地址端來選擇樂曲。A9A8A7A6A5A4A3A2A1A016進(jìn)制數(shù)010000000010010000000002001100000000300 表 3-1 由表3-1可見，第一首歌曲在存儲器中的地址應(yīng)從16進(jìn)制的100開始，第二首歌曲在存儲器中的地址應(yīng)從16進(jìn)制的200開始，第第11頁三首歌曲在存儲器中的地址應(yīng)從16進(jìn)制的300開始。3.5 存儲器中8度音選擇信號，12音階預(yù)置數(shù)的設(shè)計，曲尾識別設(shè)計和歌曲編碼 8度音選擇信號和12音階預(yù)置數(shù)的設(shè)計原理可以用下表3-2來解釋。表中的fo=535808H

15、z(推理過程見(1)。 表 3-2第12頁 表3-2中，分頻預(yù)置數(shù)是通過計算得到的?，F(xiàn)以C7為例，說明分頻預(yù)置數(shù)的由來。首先，Tc7=1/fc7=1/2093=477.78us , Tcp= Tc7/256=1.87us , 故得到C7的分頻預(yù)置數(shù)Xc7=256Tc7/ Tcp0。表3-2中的其它分頻預(yù)置數(shù)可以依此類推得到。 為了使樂曲能夠自動循環(huán)演奏，應(yīng)考慮識別某一樂曲的結(jié)尾以及如何控制電路返回到該樂曲的開始點?，F(xiàn)規(guī)定當(dāng)存儲器的I/OoI/O4輸出都為1時，則此時已經(jīng)到了樂曲的結(jié)尾，應(yīng)該返回到樂曲的開頭重新演唱。 曲尾識別電路的方框圖見下圖3-5。 樂曲編碼格式說明： 每個唱名的代碼由3個數(shù)

16、組成，從左往右： 第一位是8度音編號，用16進(jìn)制數(shù)的0，1，2，3分別代表8度音編碼中的第6，5，4，3度編號，存放在EEPROM的D5D4位。第二位是音調(diào)編號，用16進(jìn)制數(shù)的1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B和C分別代表12音階C，#C，D，#D，E，F(xiàn)，#F，G，# G，和，用代表休止符，用進(jìn)制數(shù)代表樂曲的結(jié)尾。第三位指出前兩位碼值在EEPROM存放的次數(shù)。三首歌的編碼見附錄三。3.6 4-8線譯碼器的設(shè)計 第13頁用GAL16V8來實現(xiàn)4-8線譯碼器。GAL的輸入輸出關(guān)系見下表3-3。經(jīng)圖3-6卡諾圖化簡后，F(xiàn)0=!D3&!D2&!D0 # !D3&D2&

17、amp;!D1 # D2&D1&D0 ;同理可得：F1=!D3&!D2&!D0 # D3&!D2&!D1&D0 # D2&D1&D0 ;第14頁F2=!D3&!D2&!D0 # !D3&!D2&D1 # !D3&D2&!D1&D0 # D3&!D2&!D1 # D3&D2&D1&D0 ; F3=!D3&!D2&!D0 # !D3&D1&D0 # D3&!D2&!D1&D0

18、# !D2&D1&!D0 # D2&!D1&!D0 # D2&D1&!D0 ; F4=!D3&D2&!D1&D0 # !D2&!D1&!D0 # D3&!D2&!D1 # !D2&D1&D0 # D3&!D1&!D0 # D3&D1&D0 ; F5=!D3&!D1&!D0 # !D3&D2&!D1 # D3&!D2&D1 # D2&!D1&!D0 # D3&D1&D

19、0 ; F6=!D2&!D1&!D0 # !D3&D2&D1 # D3&!D2 # D3&!D1&D0 # D2&D1&D0 ; F7=!D3&!D2&!D1 & !D0 # D3&D2&D1&D0;圖3-7為GAL16V8的輸入輸出關(guān)系圖。3.7 12音階分頻器及其時鐘設(shè)計 時鐘用施密特觸發(fā)器來設(shè)計，產(chǎn)生535808Hz的振蕩器，如圖3-8所示。第15頁圖3-8中，C=330pF，由于要得到的f=535808Hz，可得R=2.8K。12音階分頻器采用2個74161同步級聯(lián)來

20、構(gòu)成0256的分頻器，如圖3-9 所示。第16頁3.8 8度分頻器電路設(shè)計 采用一片74163來構(gòu)成8度分頻器，如圖3-10所示。3.9 8度輸出選擇電路設(shè)計用74153來控制正確的8度輸出，如圖3-11所示。第17頁3.10 功放電路設(shè)計用LM386構(gòu)成放大器，如圖3-12所示。3.11 整體電路圖 整體電路的方框圖見下圖3-13。第18頁具體的整體電路見附錄一。3.12 整機(jī)元件清單序號元件型號數(shù)量序號元件型號數(shù)量11/8W喇叭1只1374LS741片2LED發(fā)光二極管3只1474LS1321片310K電位器3個1574LS1381片41K電阻1個1674LS1531片5100電阻1個17

21、74LS1612片60.01uF電容1個1874LS1632片747uF電容2個1974LS3931片8330pF電容1個20GAL16V81片974LS001片2128C64B1片1074LS041片22LM5551片1174LS201片23單刀自復(fù)開關(guān)1只12LM3861片 表 3-4第19頁第四章 測試與調(diào)整4.1 節(jié)拍發(fā)生器的調(diào)測 目標(biāo)：產(chǎn)生8Hz振蕩器。 測試方法：用信號發(fā)生器的計數(shù)輸入端測量，因為(b)中要求頻率誤差小于5生，而示波器的測量誤差已有5%，故必須用頻率計測試。 測試結(jié)果：(經(jīng)調(diào)整)輸出頻率f=8.09,基本符合要求。4.2 消抖開關(guān)的調(diào)測 目標(biāo)：開關(guān)“按下”和“彈起”

22、分別呈現(xiàn)2個不同的狀態(tài)，且機(jī)械開關(guān)在完成一次開關(guān)動作后產(chǎn)生的機(jī)械抖動，沒有使電路造成邏輯混亂。 測試方法：把D觸發(fā)器的Q輸出端接到示波器上(或用萬用表)，觀測開關(guān)“按下” 和“彈起”時Q的狀態(tài)。 測試結(jié)果：按下時： 彈起時： 圖 4-1第20頁波形完好，可見達(dá)到了消抖開關(guān)的目的。4.3 地址計數(shù)器的調(diào)測 目標(biāo)：74393的8個輸出端構(gòu)成M=256的計數(shù)器。 測試方法：先把8Hz振蕩器輸入和74393的1QA輸出一起接到示波器的兩個通道，比較一下，1QA是否是8Hz的2分頻，然后再逐一比較1QA和1QB，1QB和1QC，1QC和1QD，1QD和2QA，2QA和2QB，2QB和2QC，2QC和2Q

23、D。 測試結(jié)果：在它們的比較中，后者總是前者的2分頻，例如圖4-2表示了CP和1QA的波形關(guān)系： 顯然.，其構(gòu)成了M=256的計數(shù)器。4.4 選取電路和曲目顯示電路設(shè)計的調(diào)測 目標(biāo)：(a)開關(guān)不按時，3個LED都不亮； (b)第一次按下開關(guān)時，只有第1個LED亮； (c)第二次按下開關(guān)時，只有第2個LED亮； (d)第三次按下開關(guān)時，只有第3個LED亮； (e) 第四次按下開關(guān)時，3個LED都不亮。 依次往復(fù)。測試方法：人工按開關(guān)調(diào)測。 測試結(jié)果：符合要求。第21頁4.5 存儲器中曲尾識別，8度音選擇信號，12音階預(yù)置數(shù)的調(diào)測 曲尾識別調(diào)測。目標(biāo)：樂曲能夠自動循環(huán)演奏。 測試方法：待一首樂曲演

24、奏完之后，觀察是否循環(huán)演奏。 測試結(jié)果：樂曲能夠自動循環(huán)演奏8度音選擇信號和12音階預(yù)置數(shù)的調(diào)測(只能定性地判斷):目標(biāo)：存儲器28C64的I/OoI/O3,I/O4和I/O5的輸出都應(yīng)在0，1之間變化，而不可能始終出高，或者始終出低。 測試方法：用示波器(或萬用表)調(diào)測。 測試結(jié)果：存儲器28C64的I/Oo I/O5的輸出都在0，1之間變化。4.6 4-8線譯碼器的調(diào)測(只能定性地判斷) 目標(biāo)：GAL16V8的8個輸出F7F0都應(yīng)在0，1之間變化，而不可能始終出高，或者始終出低。測試方法：用示波器(或萬用表)調(diào)測。 測試結(jié)果：GAL16V8的8個輸出F7F0都在0，1之間變化。 4.7 1

25、2音階分頻器及其時鐘電路的調(diào)測 時鐘電路的調(diào)測；目標(biāo)：產(chǎn)生535808Hz振蕩器。 測試方法：用信號發(fā)生器的計數(shù)輸入端測量，因為(b)中要求頻率誤差小于5生，而示波器的測量誤差已有5%，故必須用頻率計測試。 測試結(jié)果：(經(jīng)調(diào)整)輸出頻率f=535510Hz,基本符合要求。 12音階分頻器的調(diào)測： 目標(biāo)：2個74161級聯(lián)后的8個輸出Q7Q0構(gòu)成0256的分頻器。 測試方法：先把525808Hz振蕩器輸入和2個74161級聯(lián)后8個輸出中的1QA輸出一起接到示波器的兩個通道，比較一下，1QA是否是535808Hz的2分頻，然后再逐一比較1QA和1QB，1QB和1QC，1QC和1QD，1QD和2QA

26、，2QA和2QB，2QB和2QC，2QC和2QD。 測試結(jié)果：在它們的比較中，后者總是前者的2分頻，例如圖 第22頁4-3表示了CP和1QA的波形關(guān)系： 顯然.，其構(gòu)成了0256的分頻器。4.8 8度分頻器電路的調(diào)測 目標(biāo)：74163的4個輸出端構(gòu)成M=16的計數(shù)器。 測試方法：先把輸入CP和74163的QA輸出一起接到示波器的兩個通道，比較一下，QA是否是CP的2分頻，然后再逐一比較QA和QB，QB和QC，QC和QD。 測試結(jié)果：在它們的比較中，后者總是前者的2分頻， 第23頁例如圖4-4表示了CP和QA的波形關(guān)系：顯然.，其構(gòu)成了M=16的計數(shù)分頻器。4.9 8度輸出選擇電路的調(diào)測(只能定

27、性地判斷) 目標(biāo)：74153的輸出1Y應(yīng)在0，1之間變化，而不可能始終出高，或者始終出低。 測試方法：用示波器(或萬用表)調(diào)測。 測試結(jié)果：74153的輸出1Y在0，1之間變化。4.10 功放電路調(diào)測 目標(biāo)：通過改變電位器的阻值使得輸出音量可調(diào)。 測試方法：人工改變電位器的阻值。 測試結(jié)果：改變電位器阻值的同時，喇叭輸出音量大小跟著變化。4.11 整體指標(biāo)測試 目標(biāo)：(a)開關(guān)不按時，3個LED都不亮，沒有樂曲演奏； (b)第一次按下開關(guān)時，只有第1個LED亮，演奏第一首樂曲，并且循環(huán)演奏； (c)第二次按下開關(guān)時，只有第2個LED亮，演奏第二首樂曲，并且循環(huán)演奏； 第24頁 (d)第三次按下開關(guān)時，只有第3個LED亮，演奏第三首樂曲，并且循