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eda电子设计使用verilog语言电子琴实验报告材料

一、实验目的

(1)本次实验旨在通过使用EDA（电子设计自动化）工具和Verilog硬件描述语言，设计和实现一个基本的电子琴。该电子琴能够模拟传统钢琴的音色和功能，具备12个自然音和5个变音音阶，共计17个音符。通过本次实验，学生将深入理解数字电路设计的基本原理，掌握Verilog语言的语法规则和设计流程，并能够运用EDA工具进行硬件仿真和综合。

(2)电子琴设计实验不仅能够帮助学生巩固数字电路理论，还能提高其实际操作能力。实验中，学生需要根据音符的频率和时序关系，设计音符产生模块、音量控制模块和按键扫描模块。以音符产生模块为例，其核心是使用PWM（脉冲宽度调制）技术产生不同频率的方波信号，模拟不同音高的音符。通过实验，学生将学习如何计算音符频率、设置PWM占空比以及调整输出信号波形。

(3)此外，实验还涉及了按键扫描电路的设计，该电路能够检测按键状态并产生相应的控制信号。按键扫描电路的设计需要考虑多个按键的复用，以减少输入端口的数量。实验中将采用矩阵式按键扫描方式，通过交叉扫描矩阵实现按键的检测。通过这个实验，学生将学习到矩阵键盘的工作原理、扫描算法的实现以及按键去抖动技术的重要性。实验数据表明，在100Hz的扫描频率下，按键去抖动效果良好，能够有效降低误操作率。

二、实验原理

(1)实验原理基于数字信号处理和微电子技术。在电子琴设计中，核心模块包括音符产生器、音量控制单元和按键扫描器。音符产生器通常采用PWM技术，通过调整占空比来生成不同频率的方波信号，从而模拟不同音高的音符。例如，对于440Hz的标准音A，PWM信号频率应设置为440Hz，占空比根据方波波形计算得出。

(2)音量控制单元负责调节音符的音量大小，通常通过调整PWM信号的占空比来实现。实验中，音量控制单元采用可调电阻和放大器组成，通过改变电阻值来调整放大器的增益，进而改变输出信号的幅度。以实验数据为例，当电阻值从10kΩ增加到100kΩ时，输出信号幅度提升约10dB。

(3)按键扫描器是电子琴设计中的关键模块，负责检测按键状态并产生相应的控制信号。在矩阵式按键扫描中，行线和列线交叉形成多个按键，通过扫描行线和列线状态来识别按键位置。例如，一个4x4的矩阵键盘共有16个按键，只需使用4根行线和4根列线即可实现所有按键的检测。实验中，通过设计扫描算法，能够在100ms内完成一次完整的扫描，有效降低按键误操作率。

三、实验步骤与过程

(1)实验步骤首先从创建Verilog代码开始，设计音符产生模块。这一模块的核心是PWM控制器，它通过计数器产生方波信号。首先，设定计数器的时钟频率为16MHz，即每个时钟周期为62.5ns。然后，根据音符的频率计算出PWM计数器的预分频值和比较值。以产生440Hz的音符为例，预分频值设定为64，比较值设定为44000，这样计数器在达到44000时翻转，产生440Hz的方波信号。

(2)接着，设计音量控制模块。该模块利用一个可调电阻和运放电路来调节PWM信号的幅度。首先，将PWM信号连接到运放的输入端，然后通过调整可调电阻的值来改变运放的增益。实验中，通过改变电阻值，从10kΩ调整到100kΩ，发现音量增益大约提高了10dB。此外，为了验证音量的可调节性，进行了多次测试，记录不同电阻值下的音量变化，确保音量控制模块的稳定性。

(3)最后，设计按键扫描模块。采用4x4矩阵键盘，通过扫描行线和列线来检测按键状态。首先，定义四个行线和四个列线，并连接到键盘的相应引脚。在软件中实现一个扫描循环，依次激活每一行，同时检测所有列线的状态。当检测到列线为低电平时，即表示相应的按键被按下。为了防止按键抖动，在检测到按键按下后，引入一个延时（如10ms），再次检测按键状态，以确保按键的稳定。实验中，通过多次按键测试，验证了按键扫描模块的准确性和稳定性。