基于FPGA音乐硬件演奏电路设计..doc

设 计 报 告 课程名称 任课教师 设计题目 乐曲硬件演奏电路 班级 姓名 学号 日期 一. 题目分析 1、利用可编程逻辑器件FPGA，设计乐曲硬件演奏电路，其结构框图如下图所示： 模式选择 模式选择 auto 手动输入 基准时钟 12MHz 时钟电路 音乐 节拍 产生 电路 数控分频器电路 音符查表电路 扬声器 4MHz 2、功能要求 利用数控分频器设计硬件乐曲电路，由键盘输入控制音响，同时可自动演奏乐曲。演奏时可选择键盘输入乐曲或者已存入的乐曲，并配以一个扬声器，该设计产生的音乐选自“梁祝”片段。 二、方案选择 与利用微处理器来实现乐曲演奏相比，以纯硬件完成乐曲演奏电路的逻辑要复杂得多，如果不借助功能强大的EDA工具和硬件描述语言，仅凭传统的数字逻辑技术，即使最简单的演奏电路也难以实现。 三、细化框图 （1） 音乐硬件演奏电路基本原理 硬件电路的发声原理，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制FPGA芯片某个引脚输出一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出相应频率的声音。乐曲中的每一音符对应着一个确定的频率，要想FPGA发出不同音符的音调，实际上只要控制它输出相应音符的频率即可。乐曲都是由一连串的音符组成，因此按照乐曲的乐谱依次输出这些音符所对应的频，就可以在扬声器上连续地发出各个音符的音调。而要准确地演奏出一首乐曲，仅仅让扬声器能够发生是不够的，还必须准确地控制乐曲的节奏，即乐曲中每个音符的发生频率及其持续时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。 （2） 音符频率的获得 多个不同频率的信号可通过对某个基准频率进行分频器获得。由于各个音符的频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算机得到的分频系数四舍五入取整。若基准频率过低，则分频系数过小，四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高，虽然可以减少频率的相对误差，但分频结构将变大。实际上应该综合考虑这两个方面的因素，在尽量减少误差的前提下，选取合适的基准频率。本设计中选取750KHz的基准频率。由于现有的高频时钟脉冲信号的频率为12MHz，故需先对其进行16分频，才能获得750KHz的基准频率。对基准频率分频后的输出信号是一些脉宽极窄的尖脉冲信号（占空比=1/分频系数）。为提高输出信号的驱动能力，以使扬声器有足够的功率发音，需要再通过一个分频器将原来的分频器的输出脉冲均衡为对称方波（占空比=1/2），但这时的频率将是原来的1/2。下表中各音符的分频系数就是从750KHz的基准频率二分频得到的375KHz频率基础上计算得到的。由于最大分频系数是1274，故分频器采用11位二进制计数器能满足要求，乐曲中的休止符，只要将分频系数设为0，即初始值=211-1=2047，此时扬声器不会发声。 音符名 频 率(Hz) 分频 系数 计数初值 音符名 频 率(Hz) 分频 系数 计数 初值 休止符 375000 0 2047 中音4 796.178 468 1579 低音1 294.349 1274 773 中音5 882.353 425 1622 低音2 330.396 1135 912 中音6 989.446 379 1668 低音3 370.92 1011 1036 中音7 1136.363 330 1717 低音4 386.598 970 1077 高音1 1175.549 319 1728 低音5 394.737 950 1197 高音2 1353.790 277 1770 低音6 495.376 757 1290 高音3 1512.097 248 1799 低音7 555.56 675 1372 高音4 1609.442 233 1814 中音1 588.697 637 1410 高音5 1802.884 208 1839 中音2 638.84 587 1480 高音6 2027.027 185 1862 中音3 742.574 505 1542 高音7 2272.727 165 1882 各个音符的频率及其对应的分频系数（基准频率375KHz） （3） 乐曲节奏的控制 本设计中的梁祝的乐曲，最小的节拍为1/4拍，若将1拍的时间定为1秒，则只需要提供一个4Hz的时钟频率即可产生1/4拍的时长（0.25秒），对于其它占用时间较长的节拍（必为1/4拍的整数倍）则只需要将该音符连续输出相应的次数即可。 计数时钟信号作为输出音符快慢的控制信号，时钟快时输出节拍速度就快，演奏的速度也就快，时钟慢时输出节拍的速度就慢，演奏的速度自然降低。 （4） 乐谱发生器 本文将乐谱中的音符数据存