SOPC课程设计实验报告--电子琴

《SOPC课程设计实验报告--电子琴》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、FPGA-CPLD原理及应用课程设计报告题目：电子琴学院:信息与电子工程学院专业:电子科学与技术学号:姓名:指导老师:时间：2013-7-15～2013-7-209一、摘要电子琴是数字电路中的一个典型应用。在实际的硬件设计中用到的器件非常多，连线比较复杂，同时会产生比较大的延时，从而造成测量误差较大，可靠性不好。以EDA工具作为开发手段，运用VHDL硬件描述语言将使整个系统大大简化，提高了电子琴整体的性能和可靠性。关键词：电子琴SOPCSOPCBuilderNiosIIDE2音符二、设计要求方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现。其

2、特点是直接用现成的IC组合而成，简单方便，但本系统需用到许多分频器，这就使得需要用到相当多的IC，从而造成了体积过于庞大，而且连线也会比较复杂。方案二：采用单片机实现，通过软件编程，仿真后将程序用编程器写入到单片机芯片上，该方案成本低，稳定度也比较好，但外围电路多，特别是播放音乐时需要用到大容量的外部存储器，这样就增加了编程难度，调试不够直观，也不够灵活方便。方案三：采用可编程逻辑器件（FPGA）制作，将所有器件集成在一块芯片上，大大减小了电子琴的体积，用VHDL编程实现时更加方便，而且易于进行功能扩展，并可调试仿真，制作时间大大缩短，因此选

3、用了方案三进行设计。电子琴设计原理 乐曲都是由一连串的音符组成，按照乐曲的乐谱依次输出这些音符所对应的频率，就可以在扬声器上连续地发出各个音符的音调。为了准确地演奏出一首乐曲，仅仅让扬声器能够发出声音是远远不够的，还必须准确地控制乐曲的节奏，即每个音符的持续时间。由此可见，乐曲中每个音符的发音频率以及音符持续的时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。乐曲的12平均率规定：每2个八度音之间的频率要相差1倍，比如简谱中的中音2与高音2。在2个八度音之间，又可分为12个半音。另外，音符A(简谱中的低音5)的频率为392Hz，音符E到F之间、B到C之间

4、为半音，其余为全音。由此可以计算出简谱中从低音l至高音1之间每个音符的频率。简谱音名与频率对应关系如图2-1所示：表2-1简谱音名与频率的对应关系9音名频率/Hz音名频率/Hz音名频率/Hz低音1262中音1523高音11047低音2296中音2587高音21175低音3330中音3659高音31319低音4350中音4698高音41397低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7494中音7988高音71976产生各音符所需的频率使用一分频器来实现，由于各音符对应的频率多为非整数，而分频系数又不能为小

5、数，所以必须将计算得到的分频数四舍五入取整数。若分频器时钟频率过低，则由于分频系数过小，四舍五入取整数后的误差较大；若时钟频率过高，虽然误差变小，但分频数将会变大。在实际的设计中应综合考虑这两方面的因素，在尽量减小频率误差的前提下取合适的时钟频率。实际上，只要各个音符间的相对频率关系不变，演奏出的乐曲听起来都不会走调。设计的音乐电子琴选取12MHZ的系统时钟频率。在数控分频器模块，首先对时钟频率进行12分频，得到1MHZ的输入频率，然后再次分频得到各音符的频率。由于数控分频器输出的波形是脉宽极窄的脉冲波，为了更好的驱动扬声器发声，在到达扬声器

6、之前需要均衡占空比，从而生成各音符对应频率的对称方波输出。这个过程实际上进行了一次二分频，频率变为原来的二分之一即0.5MHZ。因此，分频系数的计算可以按照下面的方法进行。以中音1为例，对应的频率值为523Hz，它的分频系数应该为：至于其他音符，可由上式求出对应的分频系数，这样利用程序可以很轻松地得到相应的乐声。各音名对应的分频系数如表2-2所示：表2-2各音名对应的分频系数音名频率/Hz分频系数音名频率/Hz分频系数9中音1523956高音11047478中音2578865高音21175425中音3659759高音31319379中音469

7、8716高音41397358中音5784668高音51586315中音6880568高音61760284中音7988506高音71976253低音53921276低音64401136音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。因此，要控制音符的音长，就必须知道乐曲的速度和每个音符所对应的节拍数。如果将全音符的持续时间设为1s的话，那么一拍所应该持续的时间为0.25秒，则只需要提供一个4HZ的时钟频率即可产生四分音符的时长。至于音长的控制，在自动演奏模块，每个乐曲的音符是按地址存放的，播放乐曲时按4HZ的时钟频率依次读取简谱，每个音

8、符持续时间为0.25秒。如果乐谱中某个音符为三拍音长，那又该如何控制呢？其实只要在3个连续地址存放该音符，这时就会发三个0.25秒的音长，即持续了三拍的时间，通过这