电气2班童瑶乐曲演奏实验设计

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1、山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告2014-2015学年第1学期山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告实验项目名称＿＿乐曲硬件演奏电路设计＿组长姓名童瑶学号201201030824联系电话15764226869成员姓名学号成员姓名学号专业电气工程及其自动化班级2012-2指导教师及职称吕常智2015年1月15日山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告一、实验摘要本实验是要完成一小段音乐程序的开发，然后再用扬声器进行试听。本实验主要分析了乐曲演奏设计中音符、频率、节拍与编码的相互关系，并在EDA开发工具MAX-plusII平台上，采用VHDL语言及

2、原理图的设计方法，实现了基于FPGA片上系统动态显示可选择“梁祝”乐曲的乐曲演奏器的设计，使乐曲演奏数字电路的设计得到了更好的优化，提高了设计的灵活性。二、实验目的了解一般乐曲演奏电路设计设计方法,学习VHDL语言，熟悉EDA设计软件QuartusII，加强独立完成电子设计的能力。  （1）能够播放“梁祝”乐曲使乐曲演奏数字电路的设计得到了更好的优化，提高了设计的灵活性。 （2）能够通过LED显示音阶。三、实验场地及仪器、设备和材料：实验场地：山东科技大学EDA实验室实验仪器：实验箱GW48EDA/SOPC硬件要求：选择模式五，频率选择4MHZ和12MHZ四、实验内容1、实验原理本实

3、验是要完成一小段音乐程序的开发，然后再用扬声器进行试听。下面主要介绍一下完成本实验的几个主要部分的工作原理. 音符的产生：音符的产生是利用计数器对输入的时钟信号进行分频，然后输出不同的频率来控制扬声器发出不同的声音。计数器必须是模可变的计数器，也就是其初始值可变，这样便可以对其进行初始化，使其从不同的初始值开始计数，实现对输出时钟信号的不同分频。 节拍的产生：节拍也是利用计数器来实现的，如果某一个音符需要维持的时间比较长，那么就可以在此计数器从计数值A到计数值B之间都维持该音符，很显然，A和B之间的间隔越大，那么该音符维持的时间也就越长。 乐谱的存储：乐谱是一个固定的组合电路，根据不

4、同的输入值，然后输出一个固定的值，该值就是音符产生计数器的分频的初始值。 适当的选择这些计数器和组合电路，便可完成不同的乐曲和不同的节奏。乐曲演奏电路的结构框图如下：9山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图1乐曲演奏电路结构框图（1）音符与频率的关系各音阶频率计相应的分频系数如表1所示。为了减少输出的偶次谐波分量，最后输出到扬声器的波形应为对称方波，因此在到达扬声器之前，又经过一个2分频的分频器。表1的分频系数就是从4MHZ频率2分频得到的2MHZ频率基础上计算得出的。表1各音阶频率对应的分频表音名分频系数初始值音名分频系数初始值音名分频系数初始值低音17644547中

5、音138224369高音119116280低音268101381中音234054786高音212706921低音360672124中音330345157高音315176674低音457272464中音428645327高音414326759低音551023089中音525515640高音512566935低音645453646中音622735918高音611377054低音740504141中音720256166高音7101371789山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告由于最大分频系数是7644，故采用13位二进制计数器已能满足分频的要求。在表2中，除了给出了分频比例

6、外，还给出了对应于各个音阶频率时计数器不同的初始值，对于乐曲中的休止符，要将分频系数设为0，即初始值位8191即可，此时扬声器将不会发声。对于不同的分频系数，加载不同的初始值即可。用加载初始值而不是将分频输出译码反馈，可以有效地减少成本设计占用可编程逻辑器件的资源，也是同步计数器一个常用设计技巧。（2）控制音长的节拍发生器该演奏电路演奏的乐曲是“梁祝”片段，其最小的节拍是1拍。将1拍的时间定为0.25S，则只需要再提供一个4HZ的时钟频率即可产生1拍的时长，演奏的时间控制通过ROM查表得方式完成。对于占用时间较长的节拍（一定是拍的整数倍），如全音符为4拍（重复4次）,2/4音符为2拍

7、（重复2次），1//4音符为1拍（重复1次）。要求演奏时能循环进行，因此需要另外设置一个时长计数器，当乐曲演奏完成时，保证能自动从头开始演奏。实验原理图为：9山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告2、实验内容根据层次化的设计思路，可把乐曲硬件演奏电路分为3个模块，音乐节拍发生器NoteTabs模块,音符译码电路ToneTaba模块，数控分频模块（Speakera）。（1）音乐节拍发生器NoteTabs该模块将利用FPGA的片内POM存放两首乐曲