电子琴实验报告--乐曲硬件演奏电路设计.doc

15武夷学院实验报告课程名称：逻辑设计与FPGA项目名称：乐曲硬件演奏电路设计姓名：专业：微电子学班级：14微电子学号：04实验日期实验预习部分：1．实验目的：学习利用数控分频器设计硬件乐曲演奏电路。2．实验原理：综合利用数控分频器、LPM_ROM、PLL等单元电路设计硬件乐曲演奏电路。系统框图如图1所示由三个模块组成，分别为NOTETABS、TONETABA、SPEAKERA。图1硬件乐曲演奏电路结构框图NOTETABS模块（把教材图9-4中的CNT138T和MUSIC模块合在一起即为此模块）类似于弹琴人的手指；TONETABA模块类似于琴键；SPEAKERA类似于琴弦或音调发生器。音符的频率由SPEAKERA模块（与教材图9-4中的SPKER模块对应）获得，这是一个数控分频器。由其CLK端输入一具有较高频率（12MHZ）的信号，通过SPEAKERA分频后由SPKOUT输出。SPEAKERA对CLK输入信号的分频比由11位预置数TONE[10..0]决定。SPKOUT的输出频率将决定每一音符的音调，这样，分频计数器的预置值TONE[10..0]与SPKOUT的输出频率就有了对应关系。例如在TONETABA模块（与教材图9-4中的F_CODE模块对应）中若取TONE[10..0]＝1036，将发出音符“3”音的信号频率。音符的持续时间需根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定，TONETABA模块的功能首先是为SPEAKERA提供决定所发音符的分频预置数，而此数在SPEAKERA输入口停留的时间即为此音符的节拍值。TONETABA模块是乐曲简谱码对应的分频预置数查表电路，其中需设置“梁祝”乐曲全部音符所对应的分频预置数，共13个，每一音符的停留时间由音乐节拍和音调发生器模块NOTATABS的CLK的输入频率决定，在此为4HZ。这13个值的输出由对应于TONETABA的4位输入值INDEX[3..0]确定。在NOTETABS中设置了一个8位二进制计数器（计数最大值为138），作为音符数据ROM的地址发生器。这个计数器的计数频率选为4HZ，即每一计数值的停留时间为0.25秒，恰为当全音符设为1秒时，四四拍的4分音符持续时间。例如，“梁祝”乐曲的第一个音符为“3”，此音在逻辑中停留了4个时钟节拍，即1秒时间，相应地，所对应的“3”音符分频预置值为1036，在SPEAKERA的输入端停留了1秒。随着NOTETABS中的计数器按4HZ的时钟频率作加法计数时，即随地址递增时，音符数据ROM中的音符数据将从ROM通过TONEINDEX[3..0]端口输向TONETABA模块，乐曲就开始连续自然地演奏起来了。具体参考教材实验9-1中说明。3．实验仪器：PC机1台QuartusII系统开发板1块开发板外接扬声器4．实验步骤及方法：分模块设计和仿真测试，通过后联合仿真测试，最后下载到硬件中测试。5．注意事项：所有实验数据放入一个文件夹内，并且不要把文件夹放在系统盘上，实验结束后备份好实验数据，以备教师随时查阅。实验预习成绩（百分制）实验指导教师签字：实验过程记录部分：1．实验过程记录：1.1输入信号锁相环PLL0调节：图2.1锁相环管脚clk_50m（设置为B12）接入FPGA内部的50mhz的时钟信号，C0口为得到数控分屏器模块的输入时钟750KHZ，将分频比设置为1/67,即50000000HZ/67=74.6K约等于75K；c1口为2KHZ（配合下级的500分频模块），设置为：c1=50000000HZ/25000=2KHZ。1.2500分频模块count500（即500进制的计数器）：图2.2分频电路程序设计如图2.2，因为梁祝歌曲只用低音和中音来演奏，为1/4拍，即四分之一拍，每个音符持续0.25秒的时间。因为前级电路已经实现了从50MHZ到2KHZ的转换，要得到4HZ的频率，则用500进制的计数器（0到499的计数）产生的进位信号对2KHZ实现500分频（输出波形分析见后）。1.3乐曲长度控制计数器cnt138设计：图2.3乐曲长度控制计数器程序及元件图经查阅《EDA技术实用教程（第五版）》可知，《梁祝》这首歌曲总共有139个音符，其中包含末尾的3个休止符。如图2.3，因此为了产生这139音符，因此想到开发一个139进制的计数器（计数值：0到138），实现用139状态代表139个音符。又因为要配合下一级音符谱码存储模块的输入（ROM的输入一般为偶数位），因此将原本用7路线就可以表示完成的输出端cnt8增加一位线宽。注：在本程序中，输出端cnt8由于定义成integer整型，在Quartus中被自动分配成了7根；也可以定义成vector型，而此时需要注意配合下级电路的权位最好写成cnt8:outstd_logic_vector