電子琴設(shè)計報告

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EDA技術(shù)課程設(shè)計

設(shè)計題目：簡易電子琴設(shè)計

專業(yè)：應(yīng)用物理學學生姓名：趙骉

學號：20231326031日期：2023/8/31

摘要

隨著基于CPLD的EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大與深入，EDA技術(shù)在電子信息、通信、

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自動控制用計算機等領(lǐng)域的重要性日益突出。作為一個學電子信息專業(yè)的學生，我們必需不斷地了解更多的新產(chǎn)品信息，這就更加要求我們對EDA有個全面的認識。本程序設(shè)計的是簡易電子琴的設(shè)計。采用EDA作為開發(fā)工具，VHDL語言為軟件描述語言，QuartusII6.1作為程序運行平臺，所開發(fā)的程序通過調(diào)試運行、波形仿真驗證，初步實現(xiàn)了設(shè)計目標。本程序使用的硬件描述語言VHDL，可以大大降低了硬件數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的入門級別，讓人感覺就是C語言的近親。通過老師的指導(dǎo)和自己的學習完成了預(yù)想的功能。1課程設(shè)計的目的及任務(wù)1.1課程設(shè)計的目的

穩(wěn)定和運用所學課程，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力，通過對一個簡易的八音符電子琴的設(shè)計，進一步加深對計算機原理以及數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認識，進一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計、制作與調(diào)試的方法和步驟。穩(wěn)定所學課堂知識，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力。為了進一步了解計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，深入學習EDA技術(shù)，用VHDL語言去控制將會使我們對本專業(yè)知識可以更好地把握。1.2課程設(shè)計的內(nèi)容

設(shè)計一個簡易電子琴，利用試驗箱的脈沖電源產(chǎn)生1，2，3，4，5，6，7共7個音階信號，當按下一個鍵時，有相應(yīng)的樂音發(fā)出，同時用指示燈顯示樂音，用數(shù)碼管顯示音符。

2原理描述

2.1音名與頻率的關(guān)系

根據(jù)聲樂知識，產(chǎn)生音樂的兩個因素是音樂頻率的持續(xù)時間，音樂的十二平均率規(guī)定，每兩個八音度之間的頻率相差一倍，在兩個八音度之間，又可分為12個半音。每兩個半音的頻率比為4。另外，音名A（樂譜中的低音6）的頻率為440HZ，音名B到C之間，E到F之間為半音，其余為全音。由此可以計算出樂譜中從低音1到高音1之間每個音名的頻率如表2-1所示：音名低音1低音2低音3低音4低音5低音6低音7

2.3電路各模塊設(shè)計

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頻率（Hz）音名261.63293.67329.63349.23391.99440439.88中音1中音2中音3中音4中音5中音6中音7頻率（Hz）音名523.25587.33659.25698.46783.99880987.76高音1高音2高音3高音4高音5高音6高音7頻率（Hz）1046.501174.661381.511396.921567.9817601975.52表2-1簡譜中的音名與頻率的關(guān)系

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圖2-2電路結(jié)構(gòu)方框圖2.3設(shè)計規(guī)劃

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，系統(tǒng)設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，它由樂曲自動演奏模塊、音調(diào)發(fā)生模塊和數(shù)控分頻模塊三部分組成。

3個人負責模塊部分

我在這次設(shè)計中主要做音調(diào)發(fā)生模塊，以下是這個部分的分析：

音調(diào)發(fā)生模塊的作用是產(chǎn)生音階的分頻預(yù)置值。當7位發(fā)聲控制輸入信號中的某一位為高電平日，則對應(yīng)某一音節(jié)的數(shù)值將輸出（通過對照圖4-1各音名對應(yīng)的分頻系數(shù)值及初始值）該數(shù)值即為該音階的分頻初始值，分頻預(yù)置值控制數(shù)控分頻模塊進行分頻，由此可得到每個音階對應(yīng)的頻率。3.1可變分頻器（1）基準頻率的選取

各音名所對應(yīng)的頻率可由一頻率較高的基準頻率進行整數(shù)分頻得到，所以實際產(chǎn)生各音名頻率為近似的整數(shù)值。這是由于音階頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必需將得到的分頻系數(shù)四舍五入取整，若基準頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大，若基準頻率過高，雖然誤碼差較小，但分頻結(jié)構(gòu)將變大，實際的設(shè)計應(yīng)綜合考慮兩方面的因素，在盡量減小頻率差的前提下取舍適合的基準頻率。本次設(shè)計選擇12MHz作為基準頻率。

（2）分頻系數(shù)A、公用二進制的計數(shù)容量N及初始值的選取D

1、分頻系數(shù)的選取

首先將12MHz的基準頻率進行12分頻，得到1MHz的基準頻率，分頻系數(shù)A＝1MHz／音名頻率，此分頻系數(shù)可由計數(shù)器實現(xiàn)。但若不加處理語句，其分頻后的信號將不是對稱方波。而占空比很小的方波很難使揚聲器有效地發(fā)出聲響。

為得到對稱方波，可將分頻系數(shù)A分解為：分頻系數(shù)A=分頻系數(shù)n×2。即先進行分頻系數(shù)n的分頻，得到不對稱方波，然后再2分頻得到對稱方波。

2、公用二進制的計數(shù)容量N的選取

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n分頻可由n進制計數(shù)器實現(xiàn)。n進制計數(shù)器可用復(fù)位法或置位法實現(xiàn)，由于加載初始值d的置位法可有效地減少設(shè)計所占用的可編程規(guī)律器件資源，因此，此次設(shè)計采用置位法。

低音1的分頻數(shù)n為最大，其值為1275，應(yīng)取公用二進制計數(shù)器的計數(shù)容量N大與“最大分頻系數(shù)n〞，故本次設(shè)計的公用二進制計數(shù)器應(yīng)當設(shè)計為十一位二進制加法計數(shù)器，其計數(shù)最大容量為2048，計數(shù)的最大值N為2047，可滿足本次設(shè)計中所有音名對音頻系數(shù)的要求。

3、初始值的選取D

初始值D=計數(shù)最大值N-分頻系數(shù)n

此次設(shè)計中應(yīng)用的各音名對應(yīng)的分頻系數(shù)值及初始值如表所示：音符0123456789101215

3.2音調(diào)發(fā)生模塊程序libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitytone1is

port(index:instd_logic_vector(6downto0);code:outstd_logic_vector(3downto0);tone0:outintegerrange0to2047);end;

architecturetwooftone1is

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初始值20477739121036111611971290137214101480154216221728對應(yīng)音譜0123456712351區(qū)別高中低音0000000011112表4-1各音名對應(yīng)的分頻系數(shù)值及初始值

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begin

search:process(index)begincaseindexis

when\when\when\when\when\when\when\whenothers=>tone0<=2047;code<=\endcase;endprocess;endtwo;

3.3音調(diào)發(fā)生模塊