可编程电子音乐演奏电路(LU)

电子电路课程设计可编程电子音乐自动演奏电路卢庆莉编写一、课程概况简介二、课题技术指标三、设计提示四、预习要求主要授课内容:一、课程概况简介课程名称:电子电路课程设计（32学时，两周）课程性质:必修（2学分）教材:《电子电路课程设计》教学目的:1.提高模拟电路、数字电路理论和实验的综合能力。2.掌握综合型电子电路的设计、装配和调测方法。3.掌握电子元器件资料和电路资料的检索方法。4.提高设计报告的撰写能力。5.全面培养学生科技工作素质。教学进程：1.设计要求和提示（在实验室教师授课，半天）查阅资料、设计电路（同学独立完成，1天半）。2.讲述装配方法和调测要求（2学时）。3.调测（第一周星期三至第二周星期三）。4.验收（第一周星期三至第二周星期四）。5.撰写报告（第二周星期五）、讲评、收尾。教学方法：1.教法：①在实验室集中，分3次讲解。*电路设计提示。*装配要求、调测方法。*实验报告撰写要求。②辅导实验、最后逐一验收。2.学习方法：*认真自学《电子电路课程设计》相关章节。*独立完成设计。*独立装配、调测、撰写设计报告。课程纪律：1.缺少实验达三分之一以上无成绩，必须重修。2.设计报告必须手写，不得用打印机打印。3.预习报告和设计报告抄袭他人者，报告成绩按0分论处。4.迟到、早退3次成绩降档。成绩评定：1.评分项目：预习报告、装配水平、调测水平、完成指标、报告。2.成绩分档：优秀、良好、中等、及格、不及格、不及格必须重修，没有补考。二、课题技术指标2.1设计课题名称可编程电子音乐自动演奏电路2.2技术指标(见教材)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曲目。2、系统结构要求可编程电子音乐演奏电路的系统结构要求如图1所示。图中K1用于选择预先设置在电路中的乐曲，选中某一乐曲后对应的发光二极管亮，音乐演奏电路反复自动演奏所选的乐曲，经功率放大后由喇叭播出，直至选中下一首为止。3、基本技术指标（1）乐曲要求①乐曲数目3首。②每首乐曲长度20S～30S。③所选择的乐曲应在4个8度内，以第6个8度作为最高的8度。④乐曲演奏速度为100拍/min～120拍/min。（2）演奏要求①用1个自复键K1选择所需的乐曲，用3个LED表示选中对应乐曲，当3个LDE均不亮时，表示没有选中，电路没有乐曲输出。②一旦选中某一首乐曲，电路将自动循环放送所选的乐曲。（3）电气指标①音频功放输入为方波。②音阶频率误差E≤5生。③负载（喇叭）阻抗为8Ω，功率为1/8W（也可采用蜂鸣器）。④输出音量可调。4、选做指标①加入颤音效果。5、设计条件①电源条件：使用+5V电源。②电路设计不允许采用试凑法，必须采用系统设计方法画出算法流程图、ASM图，并依照ASM图设计处理器和控制器。②加入节拍的强弱变化。序号元件型号数量序号元件型号数量11/8W喇叭1117416122LED发光二极管312741632310K电位器1137439314740011474174157404115GAL16V816742011628C64B177474217LM5552874132(或7414)118单刀单位自复开关1974138119分立元件自备1074153120特需元件临时领用21LM38616、元件清单三、设计提示1、电子乐器信号的简述电子乐器是一种应用电子技术模仿各种乐器的声音（例如，钢琴、笛子、提琴、锣鼓等）的乐器。模仿各种乐器的基本原理是：先将某种乐器的声音转换为电信号，再分析该乐器的电信号的波形和频谱，利用电子技术产生与该乐器相仿的电信号。电子乐器所模仿的各种乐器时所产生的电信号具有各自不同的特点，若对电子乐器所模仿的各种乐器的电信号进行分析，其区别主要是频谱的不同。（一）、音乐常识的补充说明在演奏电子乐器时，除了演奏员在情感上的处理之外，仅从乐器发出的信号电特性而言，其表现力主要体现在四个方面：音高（基本频率）、长短（也称音的时值，指某一频率持续的时间）、强弱（信号的电压幅度或输出功率）和音色（信号的波形和频谱）。本课题是一种简易的电子乐器，它没有模仿特定的乐器，音色单一。演奏时它所产生的信号是方波，其波形是占空比为50%的脉冲波，频谱仅含基频与其偶次谐波。所以，在设计本课题时，在保证输出信号为方波的前提下，主要考虑如何用电子电路控制音高（频率）、长短（音的时值）和强弱(信号幅度)电子乐器信号这三方面的基本特性。2、乐器的标准频率说明人对音调（频率）辨别力不是线性的，当频率由40HZ变到了50HZ，人们很容易察觉到有10HZ的频率差，如果频率由4000HZ变到4010HZ，虽频率其差仍为10HZ，但人们几乎听不出有任何差异。实验证明，人们对音调高低度及响度两者的感觉都是对数关系。根据人们对声音的听觉特性以及电子乐器发生的特性，人们可以将乐器的整个音域范围内分成108个音高，相邻两个音高的频率比为1：。M0595.1212M0595.1212如果两个信号的频率值相差1倍则称为两个音相差八度。将108个音高分为9组八度音程（0～8），每个八度音程里包括12个音调（C、#C、D、#D、E、F、#F、G、#G、A、#A、B），如表1所列，相邻之间的音调差别称为半音，表中“#”号为半音符号。表1中为了使用方便，将钢琴键盘中央一组的八度称为小字一组，该组的第一个键的音名称为中央C，这一组音调A的频率为440HZ。国际上将440HZ作为标准音高。表1：十二音调等调整音阶标准频率表八度音编号音调（Hz）C#CD#DEF#FG#GA#AB016.35117.32418.35419.44520.60121.82723.12424.49925.95627.5029.13530.867132.70334.64836.70838.89141.20343.65446.24948.99951.91355.0058.27061.735265.40669.29673.41677.78282.40787.30792.49997.999103.83110.00116.54123.473130.81138.59146.83155.56164.81174.61184.99195.99207.65220.00233.08246.944261.62277.18293.67311.13329.63349.23369.99391.99415.31440.00466.16493.885523.25554.36587.33622.25659.26698.46739.99783.99830.61880.00932.32987.7661046.51108.71174.71244.51318.51396.91479.91567.91661.21760.001864.71975.572093.02217.52349.32489.02637.02739.82959.93135.93322.43520.03729.33951.184186.04434.94698.64978.05274.05587.75919.96271.96644.97040.07458.67902.1如表1所列，相邻之间的音调差别称为半音，表中“#”号为半音符号。表1中为了使用方便，将钢琴键盘中央一组的八度称为小字一组，该组的第一个键的音名称为中央C，这一组音调A的频率为440HZ。国际上将440HZ作为标准音高。根据两个相邻音阶的频率比M=1.0595的关系，可以推算出中央C组12个音调对应的频率，再根据相邻组同名音调的音阶相差八度（频率相差1倍）的关系，便可以推算出108个音高所对应的所有频率。电子乐器输出的信号频率总是有一定的误差的，为了衡量各个音高所对应的频率是否准确，在电子乐器中引入了称为“生”的单位。将半音分为100份，则每份称为1“生”。质量较好的电子乐器，频率偏差在1“生”以下。3、音名和唱名的说明音名和唱名之间的对应关系如表2所示。音名的音高是固定不变的，一切乐器和人声发出的C音，D音等，其音高都相同。唱名的高度则根据调号的不同而异。例如，对于调号1=C来说。把1（do）唱成和C音一样高，3(mi)唱成和E音一样高……，音名C,D……A,B七个音的相互高低关系是一致的。音名的E—F，B—C是半音，其余为全音。唱名的3—4，7—ⅰ是半音，其余为全音。所以对1=C而言，音名C、D、E、F、G、A、B七个音分别唱成1、2、3、4、5、6、7。而对其它各调来说，各个唱名的高度就要发生变化。例对调号1=D来说，把1（do）唱成和D音一样高，2（rê）唱成和E音一样高，而3（mì）唱成和#F音（而不是F音）一样高…，依此类推。因此只要知道调号就可得到音名和唱名的对应关系。表2：音名与唱名的对应关系举例低八度高八度以钢琴键举例的说明：钢琴琴键由9组八度音程组成（即：9×7=63个白键，9×5=45个黑键），构成108个音高。其中，1）黑与白之间相差半个音高。2）E和F键之间相差半个音高。3）B和C键之间相差半个音高。以1=C为例：以1=D为例：4、如何确定乐曲与频率的关系说明确定调号：如1=C,找出该调号下唱名1234567所对应的音名，再根据音名找出1～7对应的频率，将乐曲简谱中的唱名用对应的频率替换，相邻频率分频比为1.0595,如果直接控制分频比电路设计就比较复杂，我们可以采用预置数的方法获得所需的频率，即：两个八度之间分频比为2.5、音的长短和休止符说明①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，例如：5。②短横线在基本音符右侧时称为增时线，每增加一个增时线表示延长一个四分音符，例如：5–。③短横线在基本音符下面时称为减时线，每增加一条减时线表示原来的音缩短一半的时间，例如，5。④此外，还可以用附点表示音的长短，附点表示延长其前面音值的一半。例如，5.=5+5。⑤8分音符，5。⑥16分音符，5。⑦休止符06、音乐的速度、节奏与节拍的说明乐曲演奏的快慢称为速度。一首2/4拍的乐曲，速度不同，其演奏所需的时间也不同。五线谱中用J=120表示以4分音符为一拍，1秒钟演奏120拍。简谱中乐曲演奏速度常用“快速”“慢速”等词语表示，也可用每分钟多少拍子来定义。节奏和节拍在音乐中是同时并存的，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。从狭义的观点来定义，音的长短关系称为节奏。带重音和不带重音的在同样的时间片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，其一个小节中重音变化的要求是“强拍、弱拍、次强拍、弱拍”。（二）设计提示1、整体方案的设计提示1)整体电路结构可参考图1所示的整体电路结构，将整体电路分为“选曲电路”、“音乐演奏电路”和“功率放大”三个主要部分。①在设计电路之前，应选择3首乐曲，乐曲的音域应尽量符合指标要求，在四个八度内。②考虑基本技术指标时，主要考虑如何产生乐曲所要求的所有音的频率以及如何控制音的长短。根据一个八度组内有12个音阶的特点，相邻两个八度组同名音名为八度关系（即，频率为2倍关系）的特点，可以用图2或图3方框图，产生12个音阶以及八度变化，使输出信号的频率fo为唱名所对应的频率值。2）音阶信号产生方案提示演奏电路方案的设计提示：2、振荡电路的设计提示振荡电路应能产生1个时钟信号CP，选择CP的频率时应考虑经过12音阶分频电路和八度分频电路后，输出信号频率fo应满足要求。同时还应产生一个节拍信号。振荡电路根据以上的要求并考虑到乐曲的音域应在4个8度内，即：乐曲的所有音域在第3、4、5和6个8度内，选择对第七个8度的C调进行分频，用8位计数器时，分频比为1：256。换句话说就是取第7个8度内最低频率2093Hz，再乘以256（即：用两级74161级联后的计数器模值），这样就得到了应该产生的振荡器的频率535808Hz。振荡电路：74132、510Pf和10KΩ3、12音阶分频电路的设计提示（1）工作原理根据人们对声音的听觉特性及电子乐器发生的特性，人们将乐器的整个音域范围内分成108个音高，相邻两个音高的频率