乐曲硬件演奏电路设计-verilog.doc

EDA技术及创新实践 （设计报告） 题 目: 乐曲硬件演奏电路设计 姓 名: 漩涡鸣人 学 院: 数理与信息工程学院 专 业: 电子科学与技术 班 级: 112 学 号: 1886****20 指导教师: 汤大智 2014年6 月 第 第 PAGE 1 页 共 NUMPAGES 13 页 设计目的及要求 实验目的： 理解音乐演奏的原理及分频器的原理与使用。 了解怎样控制音调的高低变化和音长，从而完成乐曲的自动循环演奏。 培养自主学习、正确分析和解决问题的能力 。 要求：利用分频器设计硬件乐曲演奏电路；能通过数码管显示动态效果；通过一个开关实现两首乐曲的切换；在音乐播放的同时，会有led流水灯的闪烁。 二、设计原理 乐曲演奏的原理是这样的：组成乐曲的每个音符的频率值（音调）及其持续的时间（音长）是乐曲能连续演奏所需的两个基本数据，因此只要控制输出到扬声器的激励信号频率的高低和持续的时间，就可以使扬声器发出连续的乐曲声。 图1、顶层模块图 其中，乐谱产生电路用来控制音乐的音调和音长。控制音调通过设置计数器的预置数来实现，预置不同的数值可以使计数器产生不同频率的信号，从而产生不同的音调。控制音长是通过控制计数器预置数的停留时间来实现的，预置数停留的时间越长，则该音符演奏的时间越长。每个音符的演奏时间都是0.25s的整数倍，对于节拍较长的音符，如2分音符，在记谱时将该音名连续记录两次即可。 1、音调的控制 频率的高低决定了音调的高低。音乐的十二平均率规定：每两个8度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。在两个8度音之间，又可分为12个半音，每两个半音的频率比为12√2。?另外，音名A(简谱中的低音6)的频率为440Hz，音名B到C之间、E到F之间为半音，其余为全音[4]。由此可以计算出简谱中从低音1至高音1之间每个音名对应的频率，如表2所示： 表2简谱中的音名与频率的关系 音名 频率/Hz 音名 频率/Hz 音名 频率/Hz 低音1 261.6 中音1 523.3 高音1 1046.5 低音2 293.7 中音2 587.3 高音2 1174.7 低音3 329.6 中音3 659.3 高音3 1318.5 低音4 349.2 中音4 698.5 高音4 1396.9 低音5 392 中音5 784 高音5 1568 低音6 440 中音6 880 高音6 1760 低音7 493.9 中音7 987.8 高音7 1975.5 所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到的。由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。若基准频率过低，则由于分频比太小，四舍五入取整后的误差较大；若基准频率过高，虽然误差变小，但分频数将变大。实际的设计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基准频率。本例中选取6MHz为基准频率。若无6MHz的基准频率，则可以先分频得到6MHz，或换一个新的基准频率。实际上，只要各个音名间的相对频率关系不变，演奏出的乐曲听起来都不会走调。 本例需要演奏的是梁祝乐曲，该乐曲各音阶频率及相应的分频比如表2所示。为了减小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，有一个二分频的分频器。表2中的分频比就是从6MHz频率二分频得到的3MHz频率基础上计算得出的。由于最大的分频系数为9102，故采用14位二进制计数器分频可满足需要。在表2中，除给出了分频比以外，还给出了对应于各个音阶频率时计数器不同的预置数。对于不同的分频系数，只要加载不同的预置数即可。采用加载预置数实现分频的方法比采用反馈复零法节省资源，实现起来也容易一些,如表3所示： 表3各音阶频率对应的分频比及预置数 音名 分频比 预置数 音名 分频比 预置数 低音3 9102 7281 中音2 5111 11272 低音5 7653 8730 中音3 4552 11831 低音6 6818 9565 中音5 3827 12556 低音7 6073 10310 中音6 3409 12974 中音1 5736 10647 高音1 2867 13516 此外，对于乐曲中的休止符，只要将分频系数设为0，即初始值为2141=16383即可，此时扬声器将不会发声。 音长的控制 音符的持续时间必须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。本例演