基于声卡的数字信号发生器与数字电子琴的实现

本文主要是介绍基于声卡的数字信号发生器与数字电子琴的实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. 概述

随着计算机软硬件技术的发展，越来越多现实物品的功能能够由计算机实现。信号发生器原本是模拟电子技术发展的产物，到后来的数字信号发生器也是通过硬件实现的，本文将给出的则是通过计算机软件实现的数字信号发生器。

目前有许多功能强仿真软件(如LabView、EWB)提功了各种模拟信号发生器的功能，从而并没有多少人专门去开发数字信号发生器软件，即使是特殊功能的信号发生器也是基于仿真软件完成的，但是数字信号发生器的软件模块可以用来开发一些别的软件，如数字电子琴。数字电子琴的编程实现已经有许多人已经做过了(例如基于BASIC的模拟电子琴^[1])，也出现了很多功能较强大的模拟电子琴软件，如HappyEO、MidiPiano等。

2. 软件设计

2.1. 软件的功能

软件的功能由数字信号发生器和数字电子琴两部分组成。

(1)数字信号发生器的功能

能够产生正弦波、方波、三角波等常见的波形的数字信号，并且提供了图形界面用于选择波形、频率、幅值与相位。能够根据用户指定的波形和参数产生相应的数字信号，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，最后由声卡播放出相应的声音。

(2)数字电子琴的功能

数字电子琴的功能是基于数字信号发生器的，通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音，从而达到虚拟的电子琴的功能，界面中包含A、B、…、O共15个琴键，鼠标按下时即发声，松开时发声停止。

2.2. 设计原理

数字信号发生器的功能就是将数字信号通过D/A转换变成所需要的模拟信号。由于声卡本身具有D/A转换的功能，从而可以利用声卡在计算机了模拟信号发生器。

声卡的D/A转换机理是定时将声卡缓冲区中的内容转换成模拟信号并输出，所以软件所做的即是向声卡缓冲区中写数据。以正弦信号为例，其模拟信号计算公式如下

为了实现数字信号的发生，在程序中先根据式(2)计算出需要存放到缓冲区的数据，以数组的形式存放，然后将数据放入声卡的缓冲区。

对于其它波形，可以用类似方法实现。

对于方波，

式(3)

对于三角波，

式(4)

式中，x=fn/Fs+φ/2π。

软件的流程如图 1所示。

图 1 数字电子琴的流程图

2.3. 模块划分

模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。根据人类解决一般问题的经验，如果一个问题由两个问题组合而成，那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和，也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的根据。

在模块划分时应遵循如下规则^[2]：改进软件结构提高模块独立性；模块规模应该适中；深度、宽度、扇出和扇入都应适当；模块的作用域应该在控制域之内；力争降低模块接口的复杂程度；设计单入口单出口的模块；模块功能应该可以预测。

本着上述的启发式规则，对软件进行如图 2所示的模块划分。