武夷学院实验报告
课程名称：逻辑设计与FPGA 项目名称:
乐曲硬件演奏电路设计 ______________
姓名： 专业：微电子学 班级：14微电子 学号：04实验日期
、 实验预习部分: 1. 实验目的:
学习利用数控分频器设计硬件乐曲演奏电路。
2. 实验原理:
综合利用数控分频器、LPM ROMPLL 等单元电路设计硬件乐曲演奏电路。系统框图如图
1
所示由三个模块组成，分别为 NOTETABSTONETABASPEAKERA
NOTETAB 模块（把教材图9-4中的CNT138T 和MUSIC 模块合在一起即为此模块）类似于弹 琴人的手指；TONETAB 模块类似于琴键；SPEAKER 类似于琴弦或音调发生器。
音符的频率由SPEAKER 模块（与教材图9-4中的SPKEF 模块对应）获得，这是一个数控分 频器。由其CLK 端输入一具有较高频率（12MHZ 的信号，通过SPEAKER 分频后由SPKOU 输出。 SPEAKER 对CLK 输入信号的分频比由11位预置数TONE[10..0]决定。SPKOU 的输出频率将决定
每一音符的音调，这样，分频计数器的预置值 TONE[10..0]与SPKOU
的输出频率就有了对应关
系。例如在TONETAB 模块（与教材图9-4中的F_COD 模块对应）中若取 TONE[10..0] = 1036,
图1硬件乐曲演奏电路结构框图
i.；E-Z
将发出音符“ 3”音的信号频率。
实验预习成绩（百分制）____________________ 实验指导教师签字：_________________________
实验过程记录部分: 1实验过程记录:
1.1输入信号锁相环PLLO 调节:
图2.1锁相环
管脚clk_50m （设置为B12）接入FPGA 内部的50mhz 的时钟信号，CO 口为得到数控分屏器 模块的输入时钟 750KHZ 将分频比设置为1/67,即50000000HZ/67=74.6K 约等于75K; cl 口为 2KHZ （配合下级的500分频模块），设置为：c 仁50000000HZ/25000=2KHZ
1.2 500分频模块count500 （即500进制的计数器）:
如图2.2，因为梁祝歌曲只用低音和中音来演奏，为 1/4拍，即四分之一拍，每个音符持续 0.25秒的时间。因为前级电路已经实现了从50MHZ 到2KHZ 的转换，要得到4HZ 的频率，则用500 进制的计数器（0到499的计数）产生的进位信号对 2KHZ 实现500分频（输出波形分析见后）。
dncIkD
PLLO
Clk
Ratio =1- F
DC (%)
€0 1JS7 c co
cl -
飞00
50.00
inst
7；50khz ::
ck Sum [ r
df>clkD frequency: 50.D00 Ml Hz
Uode: IMcrmal 图2.2分频电路程序设计
1.3乐曲长度控制计数器cnt138设计:
hd | 宦］rmjsic.bdP
1library leeej
2use icee：■兰cd_lc3giLQ_L：l£4 ・目1丄；
3use leee ・st d_logxc^tms i.gneci ■日丄丄；
4S entity cntlSS is
5B port (elk: in std_logic;
6cntS: 口口匸xntegez range 0 to 139}J
7end cntl38;
B E arehiteetuEe：bhv af ent 13 B is
9^xgnal ql : xnceger range 0 co 138;
10H begin
11S process (elk) begin
12 B if elk1event and 匚丄k=V then
13Eif ql=138 tlien ql<=0;
.14 E elaie qlC"ql+lj
15end if;
16end xf;
17end process;
IB cnt6<=19 end bhvr
图2.3乐曲长度控制
计数器程序及元件图
经查阅《EDA技术实用教程（第五版）》可知，《梁祝》这首歌曲总共有139个音符，其中包含末尾的3个休止符。如图2.3，因此为了产生这139音符，因此想到开发一个139进制的计数器（计数值：0到138），实现用139状态代表139个音符。又因为要配合下一级音符谱码存储模块的输入（ROM的输入一般为偶数位），因此将原本用7路线就可以表示完成的输出端cnt8增加一位线宽。注：在本程序中，输出端cnt8由于定义成integer整型，在Quartus中被自动分
配成了7根；也可以定义成vector 型，而此时需要注意配合下级电路的权位最好写成cnt8: out
std_logic_vector（7 dow nto 0）.
1.4音符谱码存储模块设计构建：
1.4.1 ROM的设置：
图2.4音符谱码存储模块ROM
音符谱码存储模的主体构想，是为了让前级模块所产生的139个状态与实际音符（DoRe Mi Fa So La Si ）构成映射。因此需要构建一个包含《梁祝》乐谱的 mif 文件。
1.4.2构建《梁祝》乐谱.mif 文件：
文件（町
锚(E)
式(O 〕fe(V) K
I DEPTH
256;
WIDTH
I ；
ADDRES S RADI X =UNS; DATA_RADIX = UNS. CONTEN
T
BEGIN
00
3 ；
01
3 ; 02
3 ; 03
3 : 04
5 ; 05
5 ; 06
5 ;
07
6 . 08
8 ; 09
8 ; 10
8 ; 11
9 ; 12
6 . 13
8 ； 14
5 ; 15
5 ;
16
12 : 17
12 ;
图2.5《梁祝》乐谱（部分截取）
因此综上所述，结合1.3的分析，音符谱码存储 ROM 即输入为8位数据线，含256bit 数 据
（实际只用了 139bit ）;输出为4根线，这是由于《梁祝》这首歌曲只有低音的 123567,以及 中音
的12356合高音部分的1,加上休止符一共13个状态，因此用4根数据线完全足够。
出于简化电路设计原则以及综合考虑电路测试的难易程度， 我将高音部分的1当做中音的7 来处理，将13个状态音符分为低音音符，中音音符和休止符；这样的好处是：在测试时候，只 需用一个LED 的亮灭并结合七段数码管来具体表示播放的音符，此时若灯亮且七段数码管显示 为“7”，实际代表输出为高音的“ DO'。
注：在以下的段落中，若出现“中音”，则用以表示“中
音”的1235和“高音”的1.
