EDA课程设计报告书--八音电子琴.doc

燕 山 大 学EDA课程设计报告书题目： 八音电子琴 姓名： 张永义 班级：11级电子卓越（试点） 学号： 110104090005 学院：信息科学与工程学院 日期： 2013-11-12 指导教师： 常丹华 成绩： 一、设计题目及要求1设计题目 八音电子琴2设计要求 （1）能发出1，2，3，4，5，6，7，1八个音。（2）用按键作为键盘。（3）C调到B调对应频率为。调频率（Hz）（高音）261.63*2B493.88A440.00G392.00F349.23E329.63D293.66C261.63二、设计过程及内容（包括总体设计的文字描述，即由哪几个部分构成的，各个部分的功能及如何实现方法；主要模块比较详尽的文字描述，并配以必要的图片加以说明，但图片数量无需太多）1.命题分析根据命题的要求,要使扬声器发音,需要在其输入信号端连接一个对应频率的方波信号.实验使用的信号源可以提供从几Hz到几MHz不等的信号频率,自然可以想到本实验命题的关键是一个具有相应分频比的分频器。考虑到硬件(按钮)在实际工作过程中会因元件的接触产生一些不可避免的抖动脉冲电平,会对实验造成影响,因此需要在按键接入线路中安装防抖动电路。分频器连接完成后会产生一个预定频率的周期脉冲.但是实验要求的方波其占空比应该为1:1,因此在输出脉冲端加装一个T触发器,每次脉冲到达触发器的时候输出便会跳变电平,这就达到了驱动扬声器的条件。2.模块组成（1）模块一：防抖电路模块。作用：用来消除在按键接入线路时不可避免抖动脉冲电平对试验造成的影响。（2）模块二：分频器模块。作用：将高频时钟信号转化为试验所需要的低频时钟信号。（3）模块三：利用T触发器实现占空比的改变，使输出方波占空比为1:1。3.原理概述总的电路图如图1所示：图1八音电子琴总图已知实验箱上的按钮是常态输出为高电平，按下输出为低电平，所以在八个按钮接口的后面分别接入非门，实现常态输出为低电平，按下输出为高电平。在其后接入或门，使满足至少一个按钮输入高电平时，就能控制扬声器发音，再T触发器的输出端和或门的输出端接与门，以此来实现相应的按钮来控制相应频率的音阶通过扬声器发音。经过防抖动模块,将抖动的电平滤去,得到稳定地输入,然后驱动分频器输出相应的频率， 经过D触发器去除尖峰脉冲，产生一个预定频率的周期脉冲。但是实验要求的方波其占空比应该为1:1,因此在输出脉冲端加装一个T触发器,每次脉冲到达触发器的时候输出便会跳变电平,这就达到了驱动扬声器的条件.但是在应用了T触发器后输出方波的周期比预定的扩大了一倍,也就是说频率减至原来的二分之一.此时应重新选择时钟信号,令其为原来2倍即可.根据实验指导书,最终确定选择的时钟信号为23.438KHz 。4.具体原理实现(1)防抖动电路由于是用按键作为键盘来驱动，在实际操作中会产生抖动脉冲，给实验造成影响，所以必须在电路中加入防抖动电路（D触发器）。D触发器是上升沿触发器,只在上升沿跳变,从而滤去后面抖动的电平，利用D触发器的电压跟随特性，给定触发器的周期大于操作者手抖动的周期，从而在这一周期内保持信号不变，从而达到防抖动的效果。本模块选择的是clk1/14，366Hz的频率作为防抖电路中D触发器的时钟脉冲。防抖动电路如图2所示：图2防抖电路图其波形图如图3所示：图3 防抖电路仿真波形(2)分频器音频率Hz进制数G1261.63*223438261.63*22=227493.8823438493.882=246440.0023438440.002=275392.0023438392.002=304349.2323438349.232=343329.6323438329.632=362293.6623438293.662=401261.6323438261.632=45计数器有分频的作用，N进制的计数器的进位输出信号的频率就为时钟频率的N分之一。所以分频器的作用就是把高频时钟频率转化为低频音调频率。DO音45进制分频器如图RE音对应40进制分频器如下图,其中20进制分频器是作为选通脉冲消除尖峰脉冲MI音对应36进制分频器如下图FA音对应34进制分频器如下图SO音对应30进制分频器如下图,其中15进制分频器作为选通脉冲消除尖峰脉冲LA音对应27进制分频器如下图XI音对应24进制分频器如下图DO（高）音对应22进制分频器如下图(3)T触发器调节占空比 关于T触发器，起到脉冲翻转作用。当有上升沿时信号便改变一次状态。T触发器的初始状态设为VCC高电平。其电路图为：5.电路组合将设计好的分频模块与防抖模块，加上必要的或门，与门连接成如图1所示的电路图，其中总有10个输入端和1个输出端。输入端中有:CLK是分频部分的时钟信号，是电路的主频率，使用实验箱上的23.438KHz。CLKD1是防抖电路的驱动频率，要求不高，所以选择实验箱上的366Hz。1G1是八个按钮的输入接口，常态是高电平，按下是低电平，且依次是从低音到高音。MUSIC是整个电路的输出端，接入扬声器，发出声音。6.总电路波形仿真DO音对应的周期为3.843msRE音对应的周期为3.39msMI音对应的周期为3.07msFA音对应的周期为2.90msSO音对应的周期为2.54msLA音对应的周期为2.30msXI音对应的周期为2.04msDO（高）音对应的周期为1.89ms7硬件测试 将电路原理图下载到可编程逻辑器件中，并连好接线和外部电路，用实验箱进行测试，实验结果符合要求，在按不同的按钮时，很清楚地听到了八个不同的音阶。三、设计结论（包括设计过程中出现的问题；对EDA课程设计感想、意见和建议） 刚拿到题目的时候，没什么头绪，不知道从那里入手，经过和同学的讨论以及查阅各种资料之后，终于有了想法。本实验的本质就是将实验箱所能提供的信号频率通过分频得到DO，RE，MI，FA，SO，LA，XI，DO（高）八种声音频率，因此分频器便是此实验的关键。选择合适的信号源，通过74160及74161做成8个分频器，得到8种声音频率，再与扬声器相连发音。1设计过程中出现的问题（1）分频电路RE和SO的输出存在竞争及冒险现象，出现了尖峰毛刺，因此应将其除去。因为他们分别为40进制和30进制分频器，所以我采用20进制分频器和15进制分频器作为选通脉冲消除尖峰脉冲。（2）在电路图设计完毕进行仿真时，输出波形中出现了毛刺，通过在分频电路后接入D触发器使问题得到解决。（3）将电路下载到可编程逻辑器件后，用试验箱进行测试时出现了这样的问题：按键不灵活，有时一直响，有时不响，经过反复拆装线路，发现时钟信号接触不良，更换导线后得到正确的结果。2.感想这次EDA设计收获很大,不仅开阔了思路，发现很多现实生活中的信号都可以通过频率或其他的特征来转变为数字信号，从而达到仿真效果，而且巩固了数电知识，使所学的数电知识在实际中得到应用。例如边沿触发器能够增强抗干扰能力在防抖