基于FPGA的乐曲演奏电路的设计.docVIP

1 引言 1.1 选题的背景 电子琴的结构较为简单，音源是由晶体管产生的电振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波调制产生颤音效果，由振幅调制产生各种乐器的音效。电子琴的外形很像普通键盘乐器，只是某些种类多一排脚踏键盘，而且手触键盘也往往分为两层。键盘式电子琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色，可以作为独特的乐器进行演奏，还能代替传统的风琴、钢琴供音乐课教学。 传统乐器的声音是通过机械的方法产生的，电子琴的声音是用“电”产生的。 振荡器是根据需要产生一定频率的振荡信号，振荡信号通过分频器分解成不同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动扬声器发出声音。键盘实际是一些开关，如果没有键盘，许多种频率的信号一齐进到放大器里，通过扬声器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐。按下键盘的一支键，就等于接通一只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。 电子琴价格合理，功能强大而且结构简单，广泛应用于各个领域。而作为专用集成电路(ASIC)概念上的一个新型范畴和门类，FPGA以其自上至下的设计方法，功耗小，能够现场编程和反复改写的新颖功能，体现出了十分诱人的应用前景。本文采用ALTERA公司生产的最具性价比的cyclone系列FPGA，利用VHDL语言来实现电子琴的设计。整个设计采用自顶向下的设计思路，实现了用键盘演奏乐曲、音乐自动播放、音符的显示及高低音的显示。 1.2 国内外发展现状 电子琴属于电子乐器，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如合唱声，风雨声，宇宙声等）。另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震音和颤音等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。但电子琴的局限性也十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。常见的电子琴是普及型的，或业余型的。事实上，还有专业型的电子琴：立式，上面两排手键盘，下面一排大号的双脚掌或和脚跟弹的键盘，还有一两个踏板和一个膝盖靠垫。学名电子管风琴，在亚洲常称为双排键电子琴。这种琴才是电子琴诞生是本来的样子。起源于管风琴。电子管风琴的音乐节奏非常好，以至于可以自由编辑制作。它的触键除了人们常知道的力度键之外（触前），还有触后感应（弹下去之后再压键盘音量变大）和水平触键感应（像“揉弦”）。它不很强调自动和弦，而提倡每一个乐音音符都是演奏者现场弹奏，难度非常大。它的效果很震撼，大部分人们，甚至包括不少电子管风琴学习者，都可能听不出一首乐曲到底是乐队演奏还是一架电子琴演奏。但是它存在的价值并不在于要取代传统乐器，而是有自己的方向，为了让人们更好地驾驭音乐、享受艺术、陶冶情操、丰富生活。这也是一切乐器的一个目的。 目前中国好一些的音乐学院，均设有电子管风琴的专业，需要经过专门的学习，对于专业人员的演奏和创作能力都有很高的要求。只是由于它目前比较贵，所以还不普及。中国有关企业正在努力地研制高性能低成本的电子琴。 双排键电子琴学名电子管风琴，因演奏方式与管风琴相似而得名。它的演奏方式使其具有了多声部用不同音色同时演奏的可能，从而可以模仿庞大乐队的演奏效果。?听上去丰富复杂的音乐，?每一个音符却都是演奏者现场弹奏出来的。它有强大的节奏编辑功能，可以自由编辑制作乐曲的打击乐部分。它的键盘十分敏感，?有触前感应，触后感应和水平触键感应等多种参数。这为表现乐曲提供了更大空间，同时也提高了演奏者控制的难度。 虽然双排键在中国发展起步较晚，但它以卓越的演奏效果以及丰富的音乐表现力?正被越来越多的人们熟知并喜爱。 FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。 FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、