EDA樂曲播放電路課程設(shè)計報告

1、目錄一.課程設(shè)計概述11.設(shè)計的題目2 2.設(shè)計要求2 3.設(shè)計構(gòu)思2二.總體框圖4三.具體各功能模塊（模塊圖像，程序，波形圖像，波形分析）21.計數(shù)器模塊2 2.選擇器模塊4 3.數(shù)據(jù)翻譯模塊6 4.數(shù)控分頻模塊7 5.樂曲ROM的三個模塊10 6.頂層文件的設(shè)計12 四.總體電路圖（RLT電路圖）14 五.課程設(shè)計總結(jié)15一.課程設(shè)計概述1.設(shè)計的題目樂曲播放電路2.設(shè)計要求：學(xué)習(xí)利用數(shù)控分頻器設(shè)計硬件樂曲演奏電路，在實驗四的基礎(chǔ)上，改建電路的設(shè)計，增加功能自動選擇曲目，可選的歌曲不少于3首。3.設(shè)計構(gòu)思（1）音樂硬件演奏電路基本原理 硬件電路的發(fā)聲原理，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，

2、若能利用程序來控制FPGA芯片某個引腳輸出一定頻率的矩形波，接上揚聲器就能發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。樂曲中的每一音符對應(yīng)著一個確定的頻率，要想FPGA發(fā)出不同音符的音調(diào)，實際上只要控制它輸出相應(yīng)音符的頻率即可。樂曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應(yīng)的頻，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(diào)。而要準(zhǔn)確地演奏出一首樂曲，僅僅讓揚聲器能夠發(fā)生是不夠的，還必須準(zhǔn)確地控制樂曲的節(jié)奏，即樂曲中每個音符的發(fā)生頻率及其持續(xù)時間是樂曲能夠連續(xù)演奏的兩個關(guān)鍵因素。（2） 音符頻率的獲得多個不同頻率的信號可通過對某個基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻器獲得。由于各個音符的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為

3、小數(shù)，故必須將計算機(jī)得到的分頻系數(shù)四舍五入取整。若基準(zhǔn)頻率過低，則分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準(zhǔn)頻率過高，雖然可以減少頻率的相對誤差，但分頻結(jié)構(gòu)將變大。實際上應(yīng)該綜合考慮這兩個方面的因素，在盡量減少誤差的前提下，選取合適的基準(zhǔn)頻率。本設(shè)計中選取1MHz的基準(zhǔn)頻率。數(shù)控分頻器采用12位二進(jìn)制計數(shù)器，樂曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值=4095，此時揚聲器不會發(fā)聲。根據(jù)分頻系數(shù)，可計算數(shù)控分頻器得到的初始值。（語言已經(jīng)無法描述其中的原理了，程序可以說明此問題，關(guān)于初始值的解釋，請看下文給出的程序）初始值的計算公式如下：由于所設(shè)計的數(shù)控分頻計采用12MHZ作為時鐘源，并通

4、過一次12分頻給出頻率為1MHZ的脈沖溢出信號，再對該1MHZ的溢出信號進(jìn)行12位2進(jìn)制碼的帶預(yù)置數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并給出一個頻率隨預(yù)置數(shù)變化的脈沖信號。由于該脈沖信號不具有驅(qū)動蜂鳴器的能力，故對此脈沖信號進(jìn)行2分頻以推動蜂鳴器發(fā)聲（3） 樂曲節(jié)奏的控制 一般樂曲最小的節(jié)拍為1/4拍，若將1拍的時間定為1秒，則只需要輸出4Hz的1/4拍的時長（0.25秒），對于其它占用時間較長的節(jié)拍（必為1/4拍的整數(shù)倍）則只需要將該音符連續(xù)輸出相應(yīng)的次數(shù)即可。計數(shù)時鐘信號作為輸出音符快慢的控制信號，時鐘快時輸出節(jié)拍速度就快，演奏的速度也就快，時鐘慢時輸出節(jié)拍的速度就慢，演奏的速度自然降低，由于最后的蜂鳴器前需加一

5、個二分頻的程序，因此計數(shù)器的時鐘信號應(yīng)為4Hz的2倍，即8Hz。（4） 樂譜的發(fā)生本設(shè)計將樂譜中的音符數(shù)據(jù)存儲在LPM-ROM中，若某音在邏輯中停留了4個時鐘節(jié)拍，即1秒的時間，相應(yīng)地，該音符就要在LPM-ROM中連續(xù)的四個地址上都存儲。當(dāng)一個4Hz的時鐘來時，相應(yīng)地就從LPM-ROM中輸出一個音符數(shù)據(jù)。（5） 選擇模塊 選擇模塊將用一個4位數(shù)的控制信號控制樂譜模塊數(shù)據(jù)的選擇性。梁祝二.總體框圖時鐘計數(shù)器數(shù)控分頻器選擇器生日快樂隱形的翅膀時鐘三.具體各功能模塊1.計數(shù)器模塊在notetabs中設(shè)置了一個8位二進(jìn)制計數(shù)器(計數(shù)最大值為138)，作為音符數(shù)據(jù)ROM的地址發(fā)生器。這個計數(shù)器的計數(shù)頻率

6、為4HZ，即每一計數(shù)值的停留時間為0.25秒，恰為當(dāng)全音符設(shè)為1秒時，四四拍的4分音符持續(xù)的時間。例如，notetabs在以下的VHDL邏輯描述中，梁祝樂曲的第一個音符為“3”，此音在邏輯中停留了4個時鐘節(jié)拍，即1秒的時間，相應(yīng)的，所對應(yīng)的“3”音符分頻預(yù)制值為1036，在speakera中的輸入端停留1秒。隨著notetabs中計數(shù)器按4HZ的時鐘頻率作加法計數(shù)時，即隨地址值遞增時，音符數(shù)據(jù)ROM中的音符從ROM中通過tonelndex端口輸向tonetaba模塊，梁祝樂曲開始連續(xù)自然地演奏起來。（1）模塊圖像：（2）模塊程序library ieee;use ieee.std_logic_1

7、164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity notetabs is port (clk:in std_logic; counter:inout std_logic_vector(7 downto 0);end;architecture one of notetabs is begin cnt8:process(clk,counter) begin if counter =138 then counter =00000000; elsif (clkevent and clk=1) then counter b=0001; INDEX b=0010

8、; INDEX b=0011; INDEX null; END CASE; END PROCESS; END a;（3）波形圖（4）波形分析由波形分析可知，當(dāng)a輸入為0001時，輸出信號b與Q1信號相同，即播放第一首樂曲，此時b的信號輸出為0001，因此該模塊的功能符合要求。3.數(shù)據(jù)翻譯模塊音符的持續(xù)時間需根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來決定。Tonetaba模塊的功能首先是為speakera提供決定所發(fā)音符的分頻預(yù)置數(shù)，而此數(shù)在speakera輸入口停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。模塊tonetaba是樂曲簡譜碼對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)查表電路，其中設(shè)置了三首樂曲全部音符所對應(yīng)的分頻預(yù)置數(shù)，每一音符

9、的停留時間有音樂節(jié)拍和音調(diào)發(fā)生器模塊notetabs的CLK的輸入決定，在此為4HZ。（1）模塊圖像（2）程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity tonetaba is port (index:in std_logic_vector(4 downto 0); code: out std_logic_vector (4 downto 0); high: out std_logic; tone:out std_logic_vector(10 downto 0); end; architecture one of tonetaba isbe

10、gin search:process(index) begin case index is When 00001=tone=01100000101;code=00001;hightone=01110010000;code=00010;hightone=10000001100;code=00011;hightone=10000110101;code=00100;hightone=10010101101;code=00101;hightone=10100001010;code=00110;hightone=10101011100;code=00111;hightone=10110000010;co

11、de=01000;hightone=10111001000;code=01001;hightone=11000000110;code=01010;hightone=11000101000;code=01011;hightone=11001010110;code=01100;hightone=11010000100;code=01101;hightone=11010110101;code=01110;hightone=11011000000;code=10001;hightone=11011101010;code=10010;hightone=11100000111;code=10011;hig

12、htone=11100010110;code=10100;hightone=11100101111;code=10101;hightone=11101000110;code=10110;hightone=11101011010;code=10111;highnull;end case;end process;end;（3）波形圖（4）波形分析從波形圖可看出，當(dāng)輸入信號為00010，輸出為中音2，查預(yù)置初值，發(fā)現(xiàn)完全正確，因此該模塊功能正確。4.數(shù)控分頻器模塊音符的頻率由speakera模塊獲得，這是一個數(shù)控分頻器。由其CLK端輸入一具有較高頻率（這里是12HZ）的信號，通過speakera分頻

13、后由spkout輸出，由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖式信號，為了有利于驅(qū)動揚聲器，需另加一個D觸發(fā)器以均衡其占空比，但這時的頻率將是原來的一半。Speakera對CLK輸入信號的分頻比由11位預(yù)置數(shù)tone決定。Spkout的輸出頻率將決定每一音符的音調(diào)，這樣，分頻計數(shù)器的預(yù)制值tone與spkout的輸出頻率，就有了對應(yīng)關(guān)系。例如在tonetaba模塊中若取tone=1036，將發(fā)音符為“3”音的信號頻率。（1）模塊圖像（2）程序：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.a

14、ll;entity speakera is port ( clk : in std_logic; tone : in std_logic_vector(10 downto 0); spks : out std_logic);end;architecture one of speakera is signal preclk, fullspks : std_logic;begin divideclk : process(clk) variable count4 : std_logic_vector (3 downto 0); begin preclk 11 then preclk = 1; cou

15、nt4 := 0000; elsif clkevent and clk = 1 then count4 :=count4+1; end if; end process; genspks : process(preclk, tone) variable count11 : std_logic_vector(10 downto 0);begin if preclkevent and preclk = 1 then if count11 =16#7ff# then count11 := tone ; fullspks = 1; else count11 := count11+1; fullspks

16、= 0; end if; end if; end process; delayspks : process(fullspks) variable count2 : std_logic;begin if fullspksevent and fullspks = 1 then count2 := not count2; if count2 =1 then spks =1; else spks clk8HZ,counter=A);u2:yinxingdechiban port map (address=A,clock=clk8HZ,q=E);u3:shengrikuaile port map (ad

17、dress=A,clock=clk8HZ,q=F);u4:lianzu port map (address=A,clock=clk8HZ,q=G);u5:choice port map (a=a1,Q1=E,Q2=F,Q3=G,b=b1,INDEX=H);u6:tonetaba port map (index=H,code=code1,high=high1,tone=J);u7:speakera port map(clk=clk12MHZ,tone=J,spks=spkout);end; 四. 總體電路圖（RTL電路圖）五 .課程設(shè)計總結(jié) 經(jīng)過一個星期的努力，終于把EDA的課程設(shè)計完成了。雖然音樂播放電路的設(shè)計，之前實驗有做過，但是對其中的工作原理一竅不通。由于這次的課程設(shè)計選擇了這一題目，所以花了很大的時間去理解演奏電路的發(fā)音原理，音符的頻率，不僅對掌握了電路原理，也學(xué)習(xí)到了相關(guān)的樂理知識。另外