基于vhdl八音符電子琴電路設(shè)計(jì)(已修改)
2025-07-21 09:05 本頁(yè)面
【正文】 目錄 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 ……………………… …………… … 1 二、 總體框圖 …………………………………………… 2 三、 選擇器件 …………………………………………… 5 四、 功能模塊 …………………………………………… 6 1. Songer 模塊 ……………………………… 6 NoteTabs 模塊 ? ????? ?? ? 6 ToneTaba 模塊 ????????? 11 Speakera 模塊 ????????? 13 2. div 模塊 ????? ????? ???? 16 3. 七段譯碼器模塊 ??????????? 18 五、 總體設(shè)計(jì)電路圖 ??????????????? 21 1. 頂層設(shè)計(jì)的電路原理圖 ? ???? ??? 21 2. 頂層設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果 ????????? 23 3. 電路的管腳圖 ???????????? 23 六、 結(jié)束語……………………………………………… 24 七、 心得體會(huì)…………………………………………… 25 1 八音符 電子琴電路設(shè)計(jì) 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 在 EDA 開發(fā)平臺(tái)上利用 VHDL 語言設(shè)計(jì)一個(gè)八音符電子琴，由鍵盤輸入控制音響 或 自動(dòng)演奏。用戶可以將自己編制的樂曲存入電子琴，演奏時(shí)可以選擇鍵盤輸入樂曲或者自動(dòng)演奏已存入的樂曲。 二 、總體框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案： 方案一： 采用單個(gè)的邏輯器件組合實(shí)現(xiàn)。這樣雖然比較直觀，邏輯器件分工鮮明，思路也比清晰，一目了然。但是由于元器件種類、個(gè)數(shù)繁多，而過于復(fù)雜的硬件電 路也容易引起系統(tǒng)的精度不高、體積過大等不利因素。例如八個(gè)不同的音符是由八個(gè)不同的頻率來控制發(fā)出的，而采用方案一就需要運(yùn)用不同的分頻器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同程度的分頻。所用儀器之多顯而易見。 方案二 ： 采用 VHDL 語言編程來實(shí)現(xiàn)電子琴的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)主要由電子琴發(fā)聲模塊、選擇控制模塊和儲(chǔ)存器模塊組成。和方案一相比較，方案二就顯得比較籠統(tǒng)，只是把整個(gè)系統(tǒng)分為了若干個(gè)模塊，而不牽涉到具體的硬件電路。但是我們必須看到用超高速硬件描述語言 VHDL 的優(yōu)勢(shì)，它不僅具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力而且通俗易懂。 經(jīng)過對(duì)以上兩種方案的分析、比較和總結(jié)，我們選用方案二來進(jìn)行八音符電子琴的設(shè)計(jì)。 八音符電子琴設(shè)計(jì)總體框圖 ，如圖 1： 分頻器 NOTETABS TONETABA SPEAKERA 揚(yáng)聲器 譯碼器 2 圖 1 八音符電子琴設(shè)計(jì)總體框圖 該系統(tǒng)由三個(gè)模塊： Songer、 Div 和 SEG7（ 7 段譯碼器）組成。 1. Songer 模塊：此模塊包括 3 個(gè)小模塊，分別是 NoteTabs 模塊， ToneTab模塊和 Speakera 模塊。此外，還需建立一個(gè)名為“ music”的 LPM_ROM 模塊與 NoteTabs 模塊連接。 1． NoteTabs 模塊：該模塊的功能就是定義音符數(shù)據(jù) ROM“ music”隨著該模塊中的計(jì)數(shù)器控制時(shí)鐘頻率速率作加法計(jì)數(shù)時(shí)，即地址值遞增時(shí)，音符數(shù)據(jù) ROM 中的音符數(shù)據(jù)。將從 ROM 中通過 ToneIndex[3..0]端口輸向 ToneTaba 模塊，演奏《采茶舞曲》。 2． ToneTaba 模塊：是樂曲簡(jiǎn)譜碼對(duì)應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查找表電路，其中設(shè)置了樂曲的全部音符所對(duì)應(yīng)的分頻置數(shù)，每一音符的停留時(shí)間由音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊 NoteTabs 的 CLK 的輸入頻率決定，這些值由對(duì)應(yīng)于 ToneTaba 的 4 位輸入值 Index[3..0]確定，最多有 16 種可選值。輸向 ToneTaba 中 Index[3..0]的值 ToneIndex[3..0]的輸出值與持續(xù)的時(shí)間由模塊 NoteTabs 決定。 3． Speakera 模塊：是一個(gè)數(shù)控分頻器，音符的頻率可由此模塊獲得。由 CLK 端輸入一具有較高頻率的信號(hào)，通過 Speakera 分頻后由 SPKOUT輸出。由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號(hào)是脈寬極窄的脈沖式信號(hào)。為了利用驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，需加一個(gè) D 觸發(fā)器以均衡其占空比，頻率將是原來的 1/2。 Speakera 對(duì) CLK 輸入信號(hào)的分頻比由預(yù)置數(shù) Tone決定。 SPKOUT 的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)。 2. Div 模塊：由于所使用的硬件設(shè)備不能滿足設(shè)計(jì)所需要的兩個(gè) CLK 輸出 的頻率，所以使用一個(gè)分頻器來實(shí)現(xiàn)把一個(gè) 50MHz 的晶體振蕩頻率分成一個(gè) 12MHz，一個(gè) 8Hz 兩個(gè)分頻率，再把兩個(gè)頻率分別給所需的兩個(gè)模塊。 3. EG7 模塊： SEG7 模塊是一個(gè)七段譯碼器，作用是在硬件上顯示音頻的高 低， 用 0到 7分別對(duì)應(yīng)空節(jié)拍 do、 ri、 mi、 fa、 suo、 la、 xi，高音時(shí) ， LED 燈亮，數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)數(shù)字。 發(fā)音原理： 1. 樂曲演奏的原理 組成樂曲的每個(gè)音符的頻率值（音調(diào)）及其持續(xù)時(shí)間（音長(zhǎng)）是樂 曲能連續(xù)演奏所需的兩個(gè)基本數(shù)據(jù)，因此只要控制輸出到揚(yáng)聲器的激勵(lì) 信號(hào)的頻率的高低和持續(xù)時(shí)間，就可以使揚(yáng)聲器發(fā)出連續(xù)的樂曲聲 。 : 頻率的高低決定了音調(diào)的高低。 基準(zhǔn)頻率 f0 的選取 所有不同頻率的信號(hào)都是從同一個(gè)基準(zhǔn)頻 率 f0 分頻而得到的。由于音節(jié)頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，因此必須將計(jì)算所得的分頻數(shù)四舍五入取整。若基準(zhǔn)頻率過高，則分頻比太小，取整后誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過高，雖然誤差減小，但分頻數(shù)變大。綜合這兩方面因素，在盡量減小頻率誤差的前 3 提下取合適的基準(zhǔn)頻率， 在此取 f0=12MHz。 分頻系數(shù) ，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的容量 N 和 預(yù)置數(shù)的 選取 分頻系數(shù) A=f0/音名頻率 分頻系數(shù) n=f0/音名頻率 /2 N〉 =MAX{分頻系數(shù) n} 由表 1可得最大分頻系數(shù)為 1274，因此 N=2048 為 2的 11次方。因此二進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)為 11位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)容量為 2048，計(jì)數(shù)的最大值為 2047。 預(yù)置數(shù) =N分頻系數(shù) n 表 1為各音階的頻率、對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)及預(yù)置數(shù)： 3. 音長(zhǎng)的控制： 音符的持續(xù)時(shí)間須根據(jù)樂曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來確定 4 的。《采茶舞曲》中最短的音符為四分音符，如果全音符的持續(xù)時(shí)間為1s,則四分音符的持續(xù)時(shí)間為 ，二分音符持續(xù)的時(shí)間為 等等，只需再提供一個(gè) 4Hz 的時(shí)鐘頻率。每來一個(gè)脈沖計(jì)一次數(shù)，每一計(jì)數(shù)值的停留時(shí)間為 ，即要輸入一個(gè)全音符時(shí)需要計(jì)四次數(shù)才行，則應(yīng)在 Rom 表格中輸出相應(yīng)音符四次，表示一個(gè)全音符的持續(xù)時(shí)間。 三、選擇器件 QuartusII 軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái)。 段數(shù)碼管 燈一個(gè) ：使用 altera 公司生產(chǎn)的 Cyclone 系列芯
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