可编程电子音乐自动演奏电路

可编程电子音乐自动演奏电路电子电路课程设计2014年9月15日至9月26日一、课程设计的基本要求电子电路课程设计是门集中性的实践类教学课程，共2周时间。目的是让学生巩固和深化前期电子电路类所学的理论课程，进一步提高电子电路的设计能力和实践能力。通过综合型、系统型电子电路课题的设计与实现，使学生在电子电路设计、装配、调测、故障处理和文档整理等方面的能力得到进一步的提高。为此，我们对这段时间的学习提出如下要求：一、课程设计的基本要求1、遵守作息时间：上午8:00~11:30下午13:45~16:552、不允许在实验室吃东西，保持实验室内的环境卫生。每天清理桌面，自己保管好自己所用的工具及元器件，养成良好的工作习惯。3、在设计课题之前，认真学习《电子电路课程设计》指导书第一章至第五章的内容。了解电子系统的特点、设计与实现的大致过程。在设计时应考虑的主要因素及设计工具等；学习电子系统中技术指标的分析、算法研究和整体方案的拟定等；学习数字电路、模拟电路设计的一般原则。学习电子电路中电磁兼容的基本概念；学习电子电路的装配、调测、故障分析等；学习电子电路设计中资料的查找与技术文档的整理等。一、课程设计的基本要求4、要端正学习态度，独立思考，立足于自己。有困难时大家讨论、研究。要善于思考，不要依赖别人。5、装配调试过程中要耐心细致，成功与否在于你能否坚持到最后一刻。二、日程安排日内程容第一天第二天第三天第四天第五天第六天第七天第八天第九天第十天讲课查资料、设计安装调试验收写交报告还料打扫说明：除查资料、设计外，其余时间均在实验室。三、成绩评定方法预习装水平配操作基本指标附加指标报告新颖性考勤10分10分30分20分10分20分加分减分说明：1、以上所列各项，前六项相加为100分，后两项在此基础上加减。2、新颖性加分不得超过10分。3、考勤扣分：无故旷课：－10分/天；迟到、早退：－2分/次。4、操作是学生动手能力的反映，由指导教师根据学生能力打分。5、有事请假，需经辅导员批准，带课老师无权批准。四、设计提示(一)、技术指标1、系统功能要求可编程电子音乐自动演奏电路可以通过开关选择预先设定好的音乐曲目，曲目选定后则自动演奏所选的曲目。四、设计提示2、系统结构要求可编程电子音乐演奏电路的结构框图如下：3、基本指标(1)乐曲要求：乐曲数目3首，长度20S~30S，乐曲应在4个8度内，以第6个8度为最高8度。演奏速度为每分钟100拍~120拍。(2)演奏要求用1个自复键K1选择所需乐曲，用3个LED表示选中对应乐曲，3个均不亮时，表示没有选中，电路无乐曲输出。一旦选中，则自动循环放送所选乐曲。四、设计提示(3)电气指标音频功放输入为方波；音阶频率误差E≤5生；负载(喇叭)阻抗为8Ω，功率为1/8W(也可采用蜂鸣器)；输出音量可调。(4)选做指标加入颤音效果、加入节拍的强弱变化。(5)设计条件必须采用系统设计方法，用ASM图设计出控制电路。四、设计提示(二)电子乐器信号介绍将各种乐器所发出的声音转换为电信号，分析其频率和波形，然后，用电子技术去模仿这些频率和波形，产生出相似的效果，这就是电子乐器。在演奏电子乐器时，除演奏员在情感上的处理外，仅从乐器发出的信号特性而言，主要表现力集中在四个方面：音高(频率)、长短(音的时值，同一频率持续的时间)、强弱(信号的电压幅度或功率输出)、音色(信号的波形与频谱)。四、设计提示乐器的标准频率特点：相邻两音阶的频率比为1：≈1.0595，相邻两度的频率比为2。122四、设计提示音名和唱名音名的音高是固定不变的，任何乐器或人发出的音高是相同的。其实就是音调。唱名随音调的不同而不同。如下例：四、设计提示音的长短简谱中用短横线表示音的长短，不带短横线的基本音符为四分音符，如5。“5-”：短横线在基本音符右侧，称为增时线，每增加一个增时线，就表示延长一个4分音符。“5”：短横线在基本音符下面，称为减时线，每增加一条减时线，就表示原来的音缩短一半时间。“5.”：附点表示延长前面音值的一半，即5.=5+5。四、设计提示音乐的速度、节奏、节拍乐曲演奏的快慢称为速度。五线谱中用J=120表示以4分音符为一拍，1分钟内演奏120拍。节奏和节拍在音乐中是同时存在的，它们以音的长短、强弱及其相互关系的固定性和准确性来组织音乐。从狭义观点来定义，音的长短关系称为节奏。带重音和不带重音的同样的时间段按照一定的次序循环重复称为节拍。例如：某只乐曲为4/4拍，其中一个小节中重音变化的要求是“强拍、弱拍、次强拍、弱拍”。四、设计提示(三)方案设计由前面所介绍的电子乐器的知识可知，电子乐器主要解决四个方面的问题：音高、音值、音色、音强弱。本次课题的基本指标是完成前两项，后两项为选做。总体结构如图：四、设计提示控制器根据选曲电路给出的第几首乐曲，发出一个相应的乐曲在存储器中存储的首地址，将存储的乐曲取出，并演奏出来。当控制器接收到存储器给出的乐曲结束信号，将自动回到该首乐曲的首地址，重复播放。存储器存储的内容给音高产生电路，产生相应地音乐频率，音长是依靠在存储器中存储的次数来表示的(单元电路设计中可介绍)，供给功率放大器。555振荡器产生的信号供给地址电路，其频率是根据乐曲演奏的速度而定的。音高电路的时钟频率是根据乐曲的频率而定的，这些将在单元电路设计中介绍。四、设计提示(四)、单元电路设计1、控制器用算法状态机图即ASM图来设计该控制器，是一种最好的方法。ASM图是时序状态机功能的一种抽象，是模拟其行为的关键工具，类似于软件流程图。但是显示的是计算动作的时间顺序，以及在状态机输入影响下发生的时序步骤。ASM图描述的是状态机的行为动作，而不是存储组件所存储的内容。我们把系统要进行的某种操作用状态或条件输出来表示。用一些外部输入和某操作的完成作为状态转移的判断条件，用状态的转移顺序来表示事件的发展顺序，这样写出整个系统的ASM图。四、设计提示系统流程图根据系统的工作顺序，画出系统流程图。开机后，系统等待选曲信号，一旦乐曲选中，并按下播放键后，系统自动播放被选中的乐曲开始重复播放，直至选曲信号选择其他乐曲，系统待原乐曲演奏完，开始演奏新乐曲为止。系统流程图如右图：系统流程图四、设计提示由系统流程图转为ASM图从流程图转换到ASM图可见：共有两个状态，等待状态和演奏状态。当选曲信号为零时，状态不变，当不为零时，分三种情况，若选曲电路XY=01，表示选中第一首乐曲，控制器给出第一首乐曲的首地址，用字母Q1(Q意曲)表示，以此类推。同时，进入演奏状态，来一个时钟，地址加一，直至曲结束信号(end)到来为止.四、设计提示若采用触发器代表状态，而且一态一触发器，则触发器的激励方程和信号输出方程为：D0=S0&!X&!Y+S1ED1=S0(X+Y)+S1&!EQ1=S0&!X&YQ2=S0&X&!YQ3=S0&X&YA=S1&!EALL-CLR=S1&E说明：E为end的缩写四、设计提示2、处理器的设计(1)、选曲电路和选曲指示电路图中两个D触发器构成加法计数器作选曲电路，CP为手动按键，按一下，选择一首乐曲。由2-4线译码器推动指示灯发亮。四、设计提示(2)、存储器地址题目要求：每首乐曲长度为20~30S，音乐演奏速度为J=120，表示以4分音符为一拍，1分钟演奏120拍。若一首乐曲为30S，则为120/60*30=60拍。存储乐曲是按最短音存储一个单元，一般乐曲最短音是16音符，则四分音符要存四次，60拍需存60*4=240个存储单元。地址线数为n=logX/log2=log240/0.3=7.93,取整为8。分配地址，第一首乐曲地址存储范围为(00~FF)，第二首为(100~1FF)，第三首为(200~2FF)。四、设计提示(3)、地址产生电路由前分析，最高地址为2FF，即需要10根地址线。电路图为：高位地址A8与A9由选曲电路XY来决定，经分析得出上述电路。四、设计提示(4)、存储器的存储内容a、用四位二进制数的不同组合代表12音阶。b、用二位二进制数代表四个8度。C0001#C0010D0011#D0100E0101F0110#F0111G1000#G1001A1010#A1011B1100分度6度5度4度3度代码00011011c、强(10)，次强(01)，弱(00)四、设计提示课题提供的存储器：28C64，每个存储字单元有8位。8位的安排如下：一首曲目的结束符号定义为全(1)。D7D6D5D4D3D2D1D0强弱8度12音阶四、设计提示(5)、12音阶的实现12音阶最终以不同的频率出现，如何实现这些频率？现介绍一种方法。定时预置计数法。即固定时钟频率，改变预置数，实现分频。若采用同步置数法，则计算公式为：f=1/T=1/[(2n-预置数)Tcp]式中：f为输出频率、T为输出周期、Tcp为分频器的时钟周期，n为分频器的输出位数。四、设计提示Tcp的计算：以七度最低频率2093HZ为基准，则Tc7=1/2093=477.78uS，用同步置数法，且预置数为“0”，根据公式：T=(2n-预置数)Tcp，用两个74161实现分频，则Tcp=T/256=1.86uS，取Tcp为2uS。预置数=256-Tc7/Tcp=17.11=(00010001)B计算误差：fc7=1/(256-17)*2=1/478=2092HZ允许误差：(相邻音阶之差/100)*5=6.255HZ预置数是8位，存储器若位数多，则可直接存储预置数，现存储的是12音阶(音调)的代码。需进行编码。四、设计提示(6)、编码器将7度12音阶的预置数计算出来，分别对应存储器的12音阶代码，例如：音名对应预置数Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0存储器代码D3D2D1D0C7000100010001说明：题目要求驱动喇叭的信号为方波，因此需对12音阶输入的单脉冲进行二分频，可得到方波，同时得到了C6音名信号。四、设计提示(7)、各8度信号的获得存储器中D5、D6位存储的是乐曲中的8度信号代码，各代码与8度音之间的关系如下表分度3度4度5度6度代码11100100各代码的信号作为4选1数选的地址，选择出各分度的频率信号。如：四、设计提示(8)、音时值的实现音时值就是音的长短，通常最短音符为16音符(有些乐谱有64音符，这里是简易演奏器)，若以1/16拍演奏1次，1/8拍就是两次，1/4拍就是4次，电路中只要在存储器中重复写入同样的信号就可实现音的不同时值。四、设计提示(9)、演奏速度指标要求，每分钟演奏100~120拍，以120拍为准，每拍需要0.5S，若以4分音符为1拍，且考虑歌曲中最短音为16音符，即为1/4拍，则需时间为0.5*(1/4)=(1/8)S，频率为f=1/T=8HZ。电路中决定演奏速度的是读取存储器数据的时间，读取的越快，演奏的速度就越快，因此，存储器地址计数器的时钟频率应该为8HZ。四、设计提示(10)、功率放大器用运算放大器实现功率放大，并实现输出音量可调，去推动喇叭发音。四、设计提示(四)、器件型号1、用可编程器件95108PC84实现，振荡频率可不用设计。2、用小规模集成电路实现，提供的器件有：见P183(元件清单)