2.3 音符產生電路模塊（ Tone 模塊）

　　該模塊的作用是產生各音符的分頻預置值。根據各音名與頻率的關系（ 如表 1） 以及聲音輸出控制模塊（ speaker 模塊） 中數控分頻器的設計， 分別計算出高音區、中音區、低音區不同音符的分頻預置值， 如表 2 所示。（ 在表 1、表 2 中， 音符 1、2、3、4、5、6、7 對應電子琴的 7 個白色琴鍵， 音符 1*、2*、4*、5*、6* 對應電子琴的 5個黑色琴鍵。） 程序中 Index 為 AUTOMUSIC 模塊傳入的音符編碼， high0， med0， low0 為 AUTOMUSIC 模塊傳入表示音符所處音區， 如 high0=‘1’表示音符處于高音區 ; low0=‘1’表 示音符處于低音區 ; 程序中 Tone 為輸出音符分頻預置值， 因最大的預置數為 6 668， 為節省硬件資源及提高系統運行速度， 將 Tone 取值范圍定為0～16#1E00#; HIGH， med， low 輸出音符所處音區， 接外電路的發光二極管 ， 高電平有效 ; CODE 端口接數碼管， 輸出音符的顯示數碼。該模塊 VHDL 程序的結構如圖 4 所示， 程序主要部分 se 進程流程圖如圖 5 所示。

　　2.4 聲音輸出控制模塊（ speaker 模塊）

　　該模塊主要電路為數控分頻器。其 VHDL 程序結構如圖 6 所示。程序中 CLK1 輸入系統的基準頻率 6 MHz， TONE1 接 Tone 模塊傳來的分頻預置值， SPKS 輸出端接音色產生器， 輸出各音符所對應的頻率。該程序包括 3 個進程 ， 其中 DivideCLK ： PROCESS（ clk1） 進程功能將系統的基準頻率 6 MHz 進行 3 分頻得到 2 MHz 的頻率， 由信號 PreCLK 傳給 GenSpkS:PROCESS（ PreCLK， Tone1） 進程。在設計中 PreCLK 頻率太大，會使在 GenSpkS 進程分頻中占用太多的硬件資源 ，PreCLK 頻率太小 GenSpkS 進程分頻后輸出音符頻率誤差太大， 綜合考慮這兩個方面， PreCLK 選用 2 MHz的頻率。GenSpkS 進程由一個初值可變的加法計數器構成， 初值為 Tone 模塊傳來的分頻預置值（ Tone1） 。分頻后得到的頻率 FullSpkS 為對應的音符頻率的 2 倍。由于 FullSpkS 頻率的脈寬很窄， 為便于驅動揚聲器， 將FullSpkS 信 號 傳 給 進 程 DelaySpkS:PROCESS （ Full-SpkS） ， 在此進程中利用一個 D 觸發器將 FullSpkS 信號進行二分頻， 使到達揚聲器的波形為對稱方波， 此時輸出的頻率即達到所對應音符的實際頻率。

　　2.4 在 FPGA 芯片中頂層文件的原理圖該原理圖

　　如圖 7 所示。輸入端 CLK1， CLK 接系統的基準頻率 6 MHz， AUTO 接鍵盤輸入演奏與自動演奏的切換開關 ， 總線 INDEX2［11..0］接鍵盤上的 12 個琴鍵， HIGH2， MED2， LOW2 分別接鍵盤上高、中、低音的控制開關; 輸出端 HIGH， MED， LOW 分別接發光二極管， 指示音調的音區信息（ 分別對應高音、中音、低音區） ， CODE［7..0］接 LED 數碼管， 輸出音符的顯示數碼，SPKS 輸出端接音色產生器，輸出各音符所對應的頻率。

　　2.6 音色產生器

　　音色指樂音的音域范圍、頻譜成分及其包絡特性等。音色產生器的功能是模擬各種傳統樂器如笛子、小　　號、雙簧、風琴等的樂音。這些樂音的區別表現在發同風琴一音符時， 波形的頻譜與包絡特性不同。由此設計的一種簡單音色產生電路如圖 8 所示。其中， 74LS93 的輸入脈沖 CLK0 來自 FPGA 芯片的音符頻率輸出端　　spks; 74LS93 的輸出端 Q0～Q3 為音符頻率 spks 的 2，4， 8 及 16 分頻信號。電阻 R1～R10 組成權電阻相加網絡， 可產生由不同頻率成分與不同幅度組成的各種波形。適當選擇 R1～R10 的阻值或一定比值（ 與樂器標準音比較后定） ， 可獲得如圖 8 所示的笛子、小號、雙簧、風琴等的基本樂音。再經 RC 濾波輸出， 以改善音色。

　　該設計將電子琴系統的核心部分集成在可編程邏輯器件FPGA 芯片上， 大大簡化了外部電路， 較以前的傳統設計， 既減少了所用芯片的種類和數量 ，縮小了體積， 降低了功耗， 提高了系統的整體性能，對系統在使用中的故障率大為減少。此外， 這種基于可編程邏輯器件以 VHDL 硬件描述語言進行設計， 在電子設計的各個階段、各個層次進行計算機模擬驗證， 保證設計過程的正確性， 可降低設計成本 ， 縮短設計周期， 具有廣闊的應用前景。