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1、2020/8/2,1,計算機(jī)EDA設(shè)計實驗教程,實驗八樂曲演奏電路,北航計算機(jī)學(xué)院 艾明晶,2020/8/2,2,內(nèi)容概要,實驗?zāi)康?實驗要求 實驗原理 實驗內(nèi)容 實驗報告,2020/8/2,3,實驗?zāi)康?掌握樂曲演奏電路的工作原理。 了解怎樣控制音調(diào)的高低變化。 了解音長的控制。,2020/8/2,4,實驗要求,設(shè)計一個樂曲演奏電路 能反復(fù)演奏附1中的“梁?！睒非?； 用樂曲演奏啟/停按鈕控制樂曲演奏的啟/停； 用復(fù)位按鈕將電路復(fù)位到初始狀態(tài)； 用3個七段數(shù)碼管分別顯示高、中、低音的音名。 利用GW48 SPOC+開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計的編程下載 防抖按鈕開關(guān)鍵1和鍵2實現(xiàn)樂曲演奏啟/停和復(fù)位；

2、 7段碼顯示數(shù)碼管（共陰級）數(shù)碼3數(shù)碼1分別顯示 高、中、低音的音名。,2020/8/2,5,實驗原理,樂曲演奏電路的原理 樂曲的每個音符的頻率值（音調(diào)） 持續(xù)的時間（音長） 音調(diào)的控制 頻率的高低決定了音調(diào)的高低。音樂的十二平均率規(guī)定：每兩個八度音（如簡譜中的中音1與高音1）之間的頻率相差一倍。在兩個八度音之間，又可以分為十二個半音，每兩個半音的頻率比為21/12 1.12246 。 音名A（簡譜中的低音6）的頻率為440Hz，音名B到C之間，E到F之間為半音，其余為全音。,2020/8/2,6,簡譜中的音名與頻率的關(guān)系,2020/8/2,7,,本實驗中選取6MHz為基準(zhǔn)頻率。 本實驗演奏的

3、是梁祝樂曲，該樂曲各音階頻率及相應(yīng)的分頻系數(shù)如下圖所示。,2020/8/2,8,,為減小輸出的偶次諧波分量，最后輸出到揚聲器的波形應(yīng)為對稱方波，在到達(dá)揚聲器之前，有一個二分頻的分頻器。表8-2中的分頻系數(shù)就是在從6MHz頻率二分頻得到的3MHz頻率基礎(chǔ)上計算得出的。 分頻的方法 反饋復(fù)0法 加載預(yù)置數(shù)法 （本實驗采用這種方法） 預(yù)置數(shù) = 計數(shù)器最大值分頻系數(shù) = (214 1) 分頻系數(shù) = 16383 分頻系數(shù)。,2020/8/2,9,,音長的控制 音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。 本實驗演奏的梁祝片斷，最短的音符為四分音符，如果全音符的持續(xù)時間設(shè)為1s

4、，則四分音符的持續(xù)時間為0.25s。,2020/8/2,10,樂曲演奏電路原理圖,反饋預(yù)置計數(shù)器對基準(zhǔn)頻率6MHz進(jìn)行分頻，產(chǎn)生分頻后的輸出時鐘信號。再經(jīng)過2分頻器，成為方波信號，以驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。 音名顯示電路顯示樂曲演奏時對應(yīng)的音符。 樂譜產(chǎn)生電路用來根據(jù)高音、中音和低音的值決定分頻計數(shù)器的預(yù)置數(shù)的值 。,2020/8/2,11,程序流程圖,2020/8/2,12,實驗內(nèi)容,1. 預(yù)習(xí)時了解樂理的一些知識 2. 采用模塊化設(shè)計的方法設(shè)計樂曲演奏電路 樂曲演奏電路子模塊 控制樂曲演奏啟停子模塊 不必單獨用一個子模塊實現(xiàn)，只需在下載用頂層文件中簡單地采用一個TFF觸發(fā)器來實現(xiàn)即可。,2020/

5、8/2,13,樂曲演奏電路子模塊,程序分為4個部分： 反饋預(yù)置計數(shù)器 2分頻器，產(chǎn)生驅(qū)動揚聲器的方波信號 音名顯示，根據(jù)時長計數(shù)器的值決定高音、中音和低音的值 樂譜產(chǎn)生電路，根據(jù)高音、中音和低音的值決定分頻計數(shù)器的預(yù)置數(shù)origin的值,2020/8/2,14,設(shè)計下載用頂層文件,2020/8/2,15,3. 時序仿真 樂曲演奏電路子模塊,注1：為仿真counter信號，在波形編輯器的“Node Finder”窗口中的“Filter”域下拉列表中選擇“Pins:all & Registers:post-fitting”，然后單擊“List”；則在“Nodes Found”窗口將出現(xiàn)所有的引腳和

6、適配后的寄存器；在其中選擇counter信號，將其送入右邊的窗口。 注2：為仿真carry、divider和origin信號，可在程序中將它們聲明為輸出信號。,2020/8/2,16,4. 編程下載,信號定義及下載板資源分配 輸入信號 clk_6M：系統(tǒng)時鐘信號，6MHz clk_4Hz：系統(tǒng)時鐘信號，4Hz startstop：樂曲演奏啟/停信號，接按鈕開關(guān)鍵1（Pin233）。高有效。 clr：清零信號，接按鈕開關(guān)鍵2（Pin234）。高有效。,2020/8/2,17,,輸出信號 high3..0：驅(qū)動數(shù)碼3，顯示高音的音名，分別連FPGA的Pin132、128、41、21引腳； mid3

7、..0：驅(qū)動數(shù)碼2，顯示中音的音名，分別連FPGA的Pin20、19、18、17引腳； low3..0：驅(qū)動數(shù)碼1，顯示低音的音名，分別連FPGA的Pin16、15、14、13引腳； speaker：方波信號，驅(qū)動揚聲器，連FPGA的Pin174引腳。,2020/8/2,18,,開發(fā)系統(tǒng)跳線設(shè)置與操作說明 本實驗采用模式3； 應(yīng)將FPGA適配板上的J6跳線接到Clock0處；同時實驗箱右下角的“時鐘頻率選擇”區(qū)域Clock0跳線應(yīng)接6MHz，Clock2跳線應(yīng)接4Hz。 實驗開發(fā)系統(tǒng)通電后，下載編程目標(biāo)文件 在線校驗,2020/8/2,19,實驗報告,根據(jù)仿真波形和下載結(jié)果分析說明樂曲演奏電路的工作過程，要求說明每個輸出信號的變化情況。 思考：為什么對于樂曲中的休止符，只要將分頻系數(shù)設(shè)為0，即初始值為214 116383，此時揚聲器就不會發(fā)聲？ 在本電路的基礎(chǔ)上，將“梁?！睒非暾匮葑喑鰜??；驀L試編寫另一個程序，使其能演奏另一段好聽的樂曲。 采用ModelSim軟件，對樂曲演奏電路子模塊進(jìn)行功能仿真。,2020/8/2,20,附：梁祝樂曲片斷,