硬件電子琴電路設計實驗

一、實驗要求：
設計一個簡單的硬件電子琴，當按下某鍵時發出該鍵對應的音調，并顯示對
應的音名。
二、實驗目的：
學習使用數控分頻器設計實用電路。
三、硬件要求：
主芯片EPF10K10LC84-4。
可變時鐘源。
8 位按鍵開關。
兩位7 段數碼管。
揚聲器。
四、實驗原理：
1．音名與頻率的關系：
音樂的十二平均率規定：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，又可分為十二個半音，每兩個半音的頻率比為。另外，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。由此可以計算出簡譜中從低音1 至高音1 之間每個音名的頻率，如表5 所示。由于音階頻率多為非整數，而分頻系數又不能為小數，故必須將計算得到的分頻數四舍五入取整。若基準頻率過低，則由于分頻系數過小，四舍五入取整后的誤差較大。若基準頻率過高，雖然誤碼差變小，但分頻結構將變大。實際的設計應綜合考慮兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的基準頻率。本實驗中選取5MHZ 的基準頻率。若無5MHz 的時鐘頻率,則可以先分頻得到4MHz 或換一個新的基準頻率。實際上，只要各個音名間的相對頻率關系不變，C 作1 與D 作1 演奏出的音樂昕起來都不會“走調”。
.. 表：5 簡譜中音名與頻率的關系

2．系統設計：
主系統如圖所示，其內部有4 個功能模塊預制數計數器、初始計數值、二分頻器和音名譯碼電路。當8 位發聲控制鍵輸入中某一位為高電平時，則對應某一音階的初始計數值作為獲得該音階的分頻預置值將送入預制數計數器；預制數計數器輸出相應的頻率同時輸出對應該音階簡譜的顯示數碼；該頻率經二分頻器后送入揚聲器，同時在數碼管上顯示該音名的鍵碼。
五、實驗內容：
1．示例程序頂層文件如圖所示。模塊DZQS 是音階發生器，當8 位發聲控制輸入DAIN 中某一位為高電平時，則對應某一音階的數值將從端口DOUT 輸出，作為獲得該音階的分頻預置值；同時由CODE 輸出對應該音階簡譜的顯示數碼，如‘5’，并由HIGH 輸出指示音階高8 度顯示。

圖：23 硬件電子琴電路結構
2．模塊DZQC 中的主要電路是一個數控分頻器，它由一個初值可預置的加法計數器構成，當模塊DZQC 由端口DIN 獲得一個2 進制數后，將以此值為計數器的預置數，對端口CLK 輸入的頻率進行分頻，之后由SP 向揚聲器輸出發聲。
3．編譯適配以上3 個示例文件，給出仿真波形，最后進行下載和硬件測試實驗。建議用8 位撥碼開關作為DA[7..0]輸入信號控制各音階；選擇2 個數碼管分別顯示顯示琴音簡譜碼和高8 度。
4．建議CLK 接5MHz 時鐘，CP 接1KHz 時鐘，SP 接揚聲器輸入端，DA[7..0]
接8 位撥碼開關，SEL[2..0]和SEG[6..0]分別接7 段碼對應的SEL[2..0]和g~a。
注：示例程序在文件夾EXAMPLE13 中，DZQ.GDF 文件是示例程序的頂層文件。
六、實驗報告：
用仿真波形和電路原理圖，詳細敘述硬件電子琴的工作原理及其3 個VHDL文件中相關語句的功能，敘述硬件實驗情況，提出硬件樂曲演奏電路的設計和實驗方案。
回答下面的思考題：
思考題1：考慮二分頻器對揚聲器發聲有什么影響？
思考題2：電路上應該滿足哪些條件，才能用數字器件直接輸出的方波驅動揚聲器發聲？