简易音节发生器.doc

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简易音阶发生器

一、课题目的：
1、 学习和掌握硬件电路的设计方法；
2、 学习和研究用 EDA、MCU 等不同的手段、方法来完成本科的设计任务，并从中
逐渐学会方案的比较和选择；
3、 学习电路的模块化调试和软硬件结合调试方法
二、课题要求：
（1）产生 C 调八个音阶的振荡频率："1，2，3，4，5，6，7，1"八个音阶，由按键
分别控制。
音阶的振荡频率和周期表：
（2）按下对应键从扬声器发出相应的音阶，同时按下两个数字键号时，只发出一个
音阶频率信号。
（3）模拟通道的频宽为 30Hz～10kHz。
（4）功率放大器的负载电阻 RL=8 欧，最大功率输出 Pomax³0.5W、效率h ³50%。
（5） 扩展要求） *可以设置自动播放和手动弹奏两种工作模式。自动播放时按下播 （
放键，自动播出预存的音乐；手动弹奏模式时，按下音阶键发出相应的声音。
三、课题的设计方案和方案比较：
方案一：利用 RC 振荡电路来实现。
震荡器的原理很简单，就是正反馈原理，LC 决定震荡的频率，普通晶体震 荡器的晶体可以等效一个 Q 值很高的电感，利用电容的充放电产生震荡。在逆变器电 路中多用 RC 组成的多谐振荡器。也有用变压器反馈式的自激振荡器。逆变器一般输
出的是方波。

按键输入 频率控制器 正弦波发生器 衰减器 音符功率放大器 扬声器

图1 RC 振荡系统结构图
方案二：利用 555 定时器来实现。
555 定时器的基本原理。R = R1+RW，当电源接通后，VCC 通过电阻 R 向
电容 C 充电， 电容 VC 上升到 2VCC/3 时 RS 触发器置 0， 输出 Vo 为低电平，
待 即
同时电容 C 通过三极管 T 放电。当触发端的外接输入信号电压 Vi<VCC /3 时，RS 触发器置 1，即输出 Vo 为高电平，同时三极管 T 截止。电源 VCC 再次通过电阻 R 向电容 C 充电。输出维持高电平的时间取决于 RC 的充电时间，输出电压的脉宽
Tw =RCIn3»1.1RC，一般 R 取 1kΩ ~10MΩ。

按键输入 555定时器 波形变换 功率放大器 扬声器

图2 555 定时器系统结构图
方案三：利用 FPGA 来实现。

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实验原理：主系统由 3个模块组成，例 6-29 是顶层设计文件，其内部有两个
功能模块 TONE.VHD 和 SPEAKER.VHD是音阶发生器，当 8位发声控制输入 。模块 TONE
INDEX 中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口 TONE 作为获得该 输出，
音阶的分频预置值；同时由 CODE 输出对应该音阶简谱的显示数码，如'5，并由 HIGH '
输出指示音阶高 8度显示。由例 6-28 可见，其语句结构只是类似与真值表的纯组合
电路描述，其中的音阶分频预置值，如 Tone <= 1290 是根据产生该音阶频率所对
应的分频比获得的。
图3 FPGA 系统结构图
方案四：利用单片机来实现。
单片机因其体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。本设计中采用
AT89C51 单片机设计微型电子琴的方法，仅需 AT89C51 最小系统，扩展一组小键盘
（这里以 4×4 键盘为例，可按需要扩展） 再加一片 LM386 做音频小功放，输出到扬 ，
声器。电源可由三节 5 号电池提供。
图4 单片机系统结构图
本设计采用方案四。
四、硬件模块设计原理：
在方案四中， 我们选择 Atmel 公司提供的 8 位单片机 Atmega16L 作为频率控制器，
直接利用 IO 口产生对应频率的 PWM 波形；通过键盘来控制音阶和播放音乐；由于 IO 出来的是方波带有一定的高次谐波分量，声音变得不够纯；因此在输出口外加滤波
器使输出的方波平滑为较理想的正弦波，末级外加功率放大推动扬声器发出声音。具
体的系统框图如图 4 所示：
1、键盘模块
在这里采用矩阵式排列键盘，如图一所示，这样可以合理应用硬件资源，把 16 只按键排列成 4*4 矩阵形式，用一个 8 位 I/O 口控制如图所示。P1 口 是 4x4 键盘的 驱动口，P1.0-P1.3 是行线 P1.4-P1.7 是列线。程序设计中采用经典 4*4 键盘扫描函数 即可。具体方法使使某一行设置成输出，然后读取键盘的值，依次就能够得到 16 个
不同的值，在这里具体功能是 0-8 产生单独的音频，9 自动播放音乐。
图 5 键盘原理图
2、 PWM 波产生模块
本系统所用的单片机为 Atmel 公司提供的 8 位单片机 AT89S52，其引脚如图 6 所示：
图 6 AT89S52 的引脚图
PWM 产生可以通过单片机的定时器定时中断，将单片机上对应蜂鸣器的 I/O 口
来回取反，或者说来回清零，置位，从而让蜂鸣器发出声音，为了让单片机发出不同
频率的声音，我们只需将定时器予置不同的定时值就可实现。那么怎样确定一个频率
所对应的定时器的定时值呢？以标准音高 A 为例：
A 的频率 f = 440 Hz,其对应的周期为：
T = 1/ f = 1/440 =2272m s
由上图可知,单片机上对应蜂鸣器的 I/O 口来回取反的时间应为：
t = T/2 = 2272/2 = 1136m s
这个时间 t 也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。一般情况下，单片机奏 乐时，其定时器为工作方式 1，它以振荡器的十二分频信号为计数脉冲。设振荡器频

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率为 f0，则定时器的予置初值由下式来确定：
t = 12 *（TALL -THL）/ f0
式中 TALL = 216 = 65536,TCNT1 为定时器待确定的计数初值。因此定时器的
高低计数器的初值为：

TCNT1H = THL / 256 = ( TALL - t* f0/12) / 256
TCNT1L = THL % 256 = ( TALL - t* f0/12) %256
将 t=1136m s 代入上面两式 （注意： 计算时应将时间和频率的单位换算一致） ，
即可求出标准音高 A 在单片机晶振频率 f0=12Mhz，定时器在工作方式 1 下的定时器
高低计数器的予置初值为 ：
TH440Hz = (65536 - 1136 * 12/12) /256 = FBH
TL440Hz = (65536 - 1136 * 12/12)%256 = 90H
根据上面的求解方法，我们就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。
音符的节拍我们可以举例来说明。在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，
4 3

如 1=C
4
、1=G ¼¼ 等等，这里 1=C,1=G 表示乐谱的曲调，和我们前面所谈的音
4

43 3
调有很大的关联， 、 就是用来表示节拍的。以 为例加以说明，它表示乐谱中
44 4
以四分音符为节拍，每一小结有三拍。比如：
其中 1 、2 为一拍，3、4、5 为一拍，6 为一拍共三拍。1 、2 的时长为四分音
符的一半，即为八分音符长，3、4 的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5 的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6 的时长为四分音符长。那么一拍到底
该唱多长呢？一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为 400—500ms 。
我们以一拍的时长为 400ms 为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为
400ms，八分音符的时长就为 200ms，十六分音符的时长就为 100ms。
可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。首先，我
们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么， 对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为八分音符， 则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。
通过上面关于一个音符音调和节拍的确定方法，我们就可以在单片机上实现演奏 音乐了。具体的实现方法为：将乐谱中的每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参 数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器中，通过程序取出一个音符的相 关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数¼¼，如此直 到播放完毕最后一个音符，根据需要也可循环不停地播放整个乐曲。另外，对于乐曲
中的休止符，一般将其音调参数设为 FFH，FFH，其节拍参数与其他音符的节拍参数
确定方法一致，乐曲结束用节拍参数为 00H 来表示。
本系统用的是单片机内部 RC 振荡频率 f0=12Mhz。定时器高低计数器的予置初值
如表 3 所示：
表 3 定时器 1 初值设定
音阶 1 2 3 4 5 6 7 0
TCNT1H 0xfb 0xfc 0xfc 0xfc 0xfd 0xfd 0xfd 0xfc
TCNT1L 0xe9 0x20 0x80 0xef 0x45 0x92 0xd6 0x3a

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