第9章--基于FPGA的简单音乐电路设计-《EDA技术》PPT-教学课件

1、 【要求要求】 理解运用理解运用VHDL硬件描述语言和硬件描述语言和Quartus开发工具进行音开发工具进行音乐电路设计的方法乐电路设计的方法 【知识点知识点】 理解音乐电路总体方案设计方法理解音乐电路总体方案设计方法 理解音乐电路各模块设计方法理解音乐电路各模块设计方法 【重点和难点重点和难点】 理解音乐电路各模块设计方法理解音乐电路各模块设计方法下一页第第9章章 基于基于FPGA的简单的简单 音乐电路设计音乐电路设计第第9章章 应用应用VHDL语言方法设计语言方法设计 简易正弦波信号发生器简易正弦波信号发生器9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景9.2 完成工作任务的引导完成工作

2、任务的引导9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能9.4 本章小结本章小结上一页 一、工作任务一、工作任务 使用层次化设计方法，设计并用使用层次化设计方法，设计并用FPGA实现一个能循环播放乐曲的实现一个能循环播放乐曲的音乐电路。音乐电路。二、任务背景二、任务背景 据有关媒体介绍，中国的第一颗人造卫星东方红一号卫星，于据有关媒体介绍，中国的第一颗人造卫星东方红一号卫星，于1965年开始研制，年开始研制，1970年年4月月24目进入太空轨道，该星质量超过目进入太空轨道，该星质量超过了苏联、美国、法国、目本了苏联、美国、法国、目本4个国家第一颗卫星质量的总和，在某些个国家第一颗

3、卫星质量的总和，在某些技术方面超过上述技术方面超过上述4个国家第一颗卫星的水平，开创了中国航天史的个国家第一颗卫星的水平，开创了中国航天史的新纪元。新纪元。 9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景下一页下一页上一页 9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景 东方红一号质量为东方红一号质量为173千克，设计寿命为千克，设计寿命为14天，实际寿命达到天，实际寿命达到20天，天，1970年年5月月14目停止发送信号。关键技术包括东方红乐音目停止发送信号。关键技术包括东方红乐音装置、短波天线遥测系统等。其中电子乐音发生器是全星的核心部装置、短波天线遥测系统等。其中电子乐音发生器是全星

4、的核心部分，它通过分，它通过20 MHz短波发射系统反复地向地面播送短波发射系统反复地向地面播送“东方红东方红”乐乐曲的前八示节，全中国人民乃至全世界的人民通过收音机都能听得曲的前八示节，全中国人民乃至全世界的人民通过收音机都能听得到。到。 完成研制东方红乐音装置任务的是中国科学院自动化所的一个示完成研制东方红乐音装置任务的是中国科学院自动化所的一个示组。他们首先考虑的是用子什么样的方法来模拟出组。他们首先考虑的是用子什么样的方法来模拟出“东方红东方红”乐曲。乐曲。当时有当时有3种方案提上了台面，一种是八音盒方案，它采用机械齿轮种方案提上了台面，一种是八音盒方案，它采用机械齿轮播放音乐播放音乐

5、;一种就是把音乐录在磁带机上，但是当时中国还没有示磁一种就是把音乐录在磁带机上，但是当时中国还没有示磁带机，都是笨重的大磁带机，不可能装上卫星升空带机，都是笨重的大磁带机，不可能装上卫星升空;第二种方案就是第二种方案就是电子音乐，这也是后来被广泛接受的一种方案。电子音乐，这也是后来被广泛接受的一种方案。下一页上一页 9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景 根据上级要求，只需让卫星播放根据上级要求，只需让卫星播放东方红东方红前八个示节的旋律。前八个示节的旋律。示组决定在示组决定在40 s内连续播放两遍这八个示节，然后发射机就切换成内连续播放两遍这八个示节，然后发射机就切换成遥测信号，用

6、一个发射机就可以实现交替传送乐曲和遥测信号的目遥测信号，用一个发射机就可以实现交替传送乐曲和遥测信号的目的。的。 这是国内早期最知名、影响最大的一个音乐电路。在国内缺乏这是国内早期最知名、影响最大的一个音乐电路。在国内缺乏集成电路，没有微处理器的那个时代，东方红乐音装置全部用晶体集成电路，没有微处理器的那个时代，东方红乐音装置全部用晶体管分立元件做成。有人粗略统计，整个乐音装置共用了管分立元件做成。有人粗略统计，整个乐音装置共用了110多个品多个品体二极管体二极管(绝大多数是绝大多数是3DG6)、约、约150个二极管个二极管(都是都是2AP 10)，其他都是电阻和电容。其他都是电阻和电容。 现

7、在，音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话现在，音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪表设备中。及智能仪器仪表设备中。下一页上一页 9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景 作为一个电子系统的一个模块，音乐电路的实现方法有以下几作为一个电子系统的一个模块，音乐电路的实现方法有以下几种。种。 购买专用音乐电路片。特点是价格便宜，但多用于玩具，无法购买专用音乐电路片。特点是价格便宜，但多用于玩具，无法更改乐曲，也无法编程。更改乐曲，也无法编程。 录音重放电路，如录音重放电路，如ISD系列录放电路。可通过麦克风人工录音，系列录放电路。可通过麦克风人工录音，分段

8、放音，但成本稍高。分段放音，但成本稍高。 利用微处理器来实现乐曲演奏，但需要占用微处理器的资源较利用微处理器来实现乐曲演奏，但需要占用微处理器的资源较多多(要占用要占用D/A和定时器等和定时器等)，大多数情况无法采用这种方法。，大多数情况无法采用这种方法。 以以CPLD/FPGA实现乐曲演奏，也就是本任务要求使用的方实现乐曲演奏，也就是本任务要求使用的方法。用这种方法实现音乐电路，目前单价较高。法。用这种方法实现音乐电路，目前单价较高。返 回上一页 9.1 工作任务的陈述与背景工作任务的陈述与背景 但随着但随着CPLD / FPGA集成度的提高，价格下降，集成度的提高，价格下降，EDA设计工设

9、计工具更新换代，功能目益强大，操作方便实用，以及具更新换代，功能目益强大，操作方便实用，以及IP core概念目概念目益普及与流行，使这种方案的应用领域会越来越多。益普及与流行，使这种方案的应用领域会越来越多。 它的突出优点是它的突出优点是: 第一，仅占用第一，仅占用FPGA中很少的资源，因此增加的系统整体成本中很少的资源，因此增加的系统整体成本较低，甚至不增加成本。这是因为某个产品选定某型号较低，甚至不增加成本。这是因为某个产品选定某型号FPGA芯片，芯片，产品的其他部分只用了其中一部分资源，还有相当一部分资源闲置产品的其他部分只用了其中一部分资源，还有相当一部分资源闲置没用。没用。 第二，

10、更改乐曲非常方便。第二，更改乐曲非常方便。 第三，可作为第三，可作为IP core实现设计重用。实现设计重用。下一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导一、资讯一、资讯 1.明确任务明确任务 为了简化设计，本任务设计的音乐电路可只考虑音的最重要的为了简化设计，本任务设计的音乐电路可只考虑音的最重要的两个方面两个方面:“音的高低音的高低”和和“音的长短音的长短”，即音高和音长，忽略音的，即音高和音长，忽略音的力度和音色。要求音乐电路最少能连续循环演奏一首歌曲或一首歌力度和音色。要求音乐电路最少能连续循环演奏一首歌曲或一首歌曲的一部分，在此基础上可再做进一步的扩展。曲的一部分，在此基础上可

11、再做进一步的扩展。 由于不考虑音色，考虑到充分利用由于不考虑音色，考虑到充分利用FPGA的数字电路资源，可的数字电路资源，可用一个可控分频电路模块产生演奏音乐所需的每个音，而各个音演用一个可控分频电路模块产生演奏音乐所需的每个音，而各个音演奏的顺序和持续的时间即音长可根据乐谱用一个控制电路模块来控奏的顺序和持续的时间即音长可根据乐谱用一个控制电路模块来控制。制。 电路输入是两路时钟信号电路输入是两路时钟信号: 一路作为可控分频电路模块的输入一路作为可控分频电路模块的输入时钟，经可控分频电路模块分频后，得到各种所需的乐音信号。时钟，经可控分频电路模块分频后，得到各种所需的乐音信号。下一页上一页

12、另一路作为控制电路模块的输入时钟，用来产生节拍。这两路另一路作为控制电路模块的输入时钟，用来产生节拍。这两路时钟信号的频率根据具体的实验条件和所选歌曲可有所不同。时钟信号的频率根据具体的实验条件和所选歌曲可有所不同。 电路的输出有电路的输出有:一路一线是乐音信号输出，用来驱动外接喇叭或一路一线是乐音信号输出，用来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。一路一线用来驱动外接的一个蜂鸣器演奏音乐。一路一线用来驱动外接的一个LED,演奏高音时发演奏高音时发光。一路四线用来驱动外接的数码管，显示演奏的音符简谱符号。光。一路四线用来驱动外接的数码管，显示演奏的音符简谱符号。 2.查阅资料查阅资料 到图书馆、互联网

13、查找有关资料。前人发表的有关音乐电路的文到图书馆、互联网查找有关资料。前人发表的有关音乐电路的文章主要散见在学术期刊和有关网页上。可用乐曲演奏电路、音乐发章主要散见在学术期刊和有关网页上。可用乐曲演奏电路、音乐发生器等关键词查找。另外，要理解这些文章所介绍的原理，还要具生器等关键词查找。另外，要理解这些文章所介绍的原理，还要具有音乐谱、乐音频率的有关知识。有音乐谱、乐音频率的有关知识。 本章本章9.3节提供了一些与本任务有关的资料，清认真阅读。节提供了一些与本任务有关的资料，清认真阅读。9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导二、计划二、计划 音乐电路是模仿人歌唱的电路，故可用人歌唱作为原

14、型来分析音乐电路是模仿人歌唱的电路，故可用人歌唱作为原型来分析设计本任务的总体方案。人通过声带振动发出声音，声带振动频率设计本任务的总体方案。人通过声带振动发出声音，声带振动频率不同发出不同声音，故在用数字电路来模仿时，可用一个可控分频不同发出不同声音，故在用数字电路来模仿时，可用一个可控分频电路来产生不同频率时钟信号来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。电路来产生不同频率时钟信号来驱动外接喇叭或蜂鸣器演奏音乐。 人在歌唱时，是根据歌谱人在歌唱时，是根据歌谱,用大脑控制声带按照一定节拍在不同用大脑控制声带按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音，故在用数字电路模仿时，还应该有一个控制时间发出不同的乐音，

15、故在用数字电路模仿时，还应该有一个控制电路模块，用来根据歌谱控制可控分频电路模块按照一定节拍在不电路模块，用来根据歌谱控制可控分频电路模块按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音。而控制电路模块应该分为两个示模块，一同时间发出不同的乐音。而控制电路模块应该分为两个示模块，一个用于产生节拍，称节拍产生模块个用于产生节拍，称节拍产生模块;另一个用于根据歌谱控制可控另一个用于根据歌谱控制可控分频电路模块在不同时间发出不同的乐音，称音符产生模块。分频电路模块在不同时间发出不同的乐音，称音符产生模块。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导 控制电路模块只是根据歌谱产生可供控制可控分频模块，

16、按控制电路模块只是根据歌谱产生可供控制可控分频模块，按照一定节拍在不同时间发出不同的乐音的音符信号。具体要控制照一定节拍在不同时间发出不同的乐音的音符信号。具体要控制可控分频模块，还得要把音符信号转换为可控分频模块的分频系可控分频模块，还得要把音符信号转换为可控分频模块的分频系数输入信号，另外也要根据音符信号决定提供给外围数码管的用数输入信号，另外也要根据音符信号决定提供给外围数码管的用于显示简谱音符符号的数据和提供给外围于显示简谱音符符号的数据和提供给外围LED的用于显示高低音的用于显示高低音的数据。这就需要另一个模块的数据。这就需要另一个模块分频系数、分频系数、LED数据产生模块。数据产生

17、模块。 音乐电路是连续循环演奏的，故控制电路模块的核心部分音乐电路是连续循环演奏的，故控制电路模块的核心部分节拍产生模块应是一个计数器，每个状态持续的时间是需演奏节拍产生模块应是一个计数器，每个状态持续的时间是需演奏的所有的音的音长的最示公因数，比如是一个十六分音符时值，的所有的音的音长的最示公因数，比如是一个十六分音符时值，具体时间长度应根据需演奏的歌曲而定。这样，每个音持续的时具体时间长度应根据需演奏的歌曲而定。这样，每个音持续的时间是每个状态持续的时间的整数倍，故占据整数倍个状态。间是每个状态持续的时间的整数倍，故占据整数倍个状态。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导

18、 具体占据状态的个数要根据每个音的音长来决定。具体占据状态的个数要根据每个音的音长来决定。 控制电路的计数器的模即状态数，可由需演奏歌曲的各个音所控制电路的计数器的模即状态数，可由需演奏歌曲的各个音所占据状态个数累加而得。例如，一首用于演奏占据状态个数累加而得。例如，一首用于演奏“梁祝梁祝”乐曲的音乐乐曲的音乐电路的控制电路的计数器的模是电路的控制电路的计数器的模是139。 节拍产生电路的计数器是用来产生节拍定的，音符产生模块则将节拍产生电路的计数器是用来产生节拍定的，音符产生模块则将节拍产生电路的计数器的状态翻译成对应的音符，如需演奏的歌曲节拍产生电路的计数器的状态翻译成对应的音符，如需演奏

19、的歌曲中所用到的音符为中所用到的音符为916个，则音符产生模块的输出信号应有四位，个，则音符产生模块的输出信号应有四位，其他情况依此类推。其他情况依此类推。 分频系数、分频系数、LED数据产生模块则根据音符产生模块输出的音符数据产生模块则根据音符产生模块输出的音符信息，产生每个时刻提供给可控分频模块的分频系数、提供给外围信息，产生每个时刻提供给可控分频模块的分频系数、提供给外围下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导数码管的用于显示谱音符符号的数据和提供给外围数码管的用于显示谱音符符号的数据和提供给外围LED的用于显的用于

20、显示高低音的数据。示高低音的数据。 音乐电路设计总体参考方案如音乐电路设计总体参考方案如图图9-1所示，其中的两个时钟频所示，其中的两个时钟频率的取值将在下面介绍实施的部分做分析。率的取值将在下面介绍实施的部分做分析。三、决策三、决策 本音乐电路设计重点在于可控分频模块和控制电路模块的设计，本音乐电路设计重点在于可控分频模块和控制电路模块的设计，故只讨论这两个模块以及顶层模块的设计方案的选择。故只讨论这两个模块以及顶层模块的设计方案的选择。 1.可控分频模块设计方案的选择可控分频模块设计方案的选择 (1)等占空比和非等占空比方案选择等占空比和非等占空比方案选择 可控分频电路按输出时钟的占空比来

21、分，有等占空比和非等占可控分频电路按输出时钟的占空比来分，有等占空比和非等占空比两类方案。为了得到足够驱动蜂鸣器的功率，采用等占空比输空比两类方案。为了得到足够驱动蜂鸣器的功率，采用等占空比输出的可控分频电路方案。出的可控分频电路方案。 (2)偶数分频、整数分频方案的选择偶数分频、整数分频方案的选择 常见的分频电路有偶数分频、奇数分频和整数分频电路，本任常见的分频电路有偶数分频、奇数分频和整数分频电路，本任务从原理来看，既有偶数分频又有奇数分频，故应属于整数分频电务从原理来看，既有偶数分频又有奇数分频，故应属于整数分频电路。非等占空比的偶数分频、奇数分频电路有统一的设计方法并目路。非等占空比的

22、偶数分频、奇数分频电路有统一的设计方法并目比较简单，但等占空比的偶数分频、奇数分频电路设计方法则不相比较简单，但等占空比的偶数分频、奇数分频电路设计方法则不相同。对于偶数同。对于偶数(2N)的等占空比分频，可先做的等占空比分频，可先做N非等占空比分频，非等占空比分频，再做再做2分频即可，比较简单。对于等占空比的奇数分频电路则不能分频即可，比较简单。对于等占空比的奇数分频电路则不能采用这种方法，比较复杂。采用这种方法，比较复杂。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导 本任务可采取用较高频率本任务可采取用较高频率(比如比如12 MHz)的输入时钟，这样分频的输入时钟，这样分频比就

23、比较大，故对于初学者，作为初步解决方案，可采用偶数分频比比就比较大，故对于初学者，作为初步解决方案，可采用偶数分频比近似代替奇数分频比的方法，把整数分频电路变成偶数近似代替奇数分频比的方法，把整数分频电路变成偶数(2N)分频电分频电路，用先做路，用先做N非等占空比分频，再做非等占空比分频，再做2分频这种较简单的方法来设计分频这种较简单的方法来设计;作为提高，可采用比较复杂的真正的整数分频电路设计方法设计。作为提高，可采用比较复杂的真正的整数分频电路设计方法设计。 2.控制电路模块设计方案的选择控制电路模块设计方案的选择 控制电路模块的核心部分一一节拍产生模块是一个计数器，可采用控制电路模块的核

24、心部分一一节拍产生模块是一个计数器，可采用通常的方法设计。通常的方法设计。 音符产生模块的输入信号是节拍产生模块输出的计数值，输出信号音符产生模块的输入信号是节拍产生模块输出的计数值，输出信号是表示音符的音符序号。是表示音符的音符序号。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导 在节拍产生模块输出的计数值变化范围不大并目音符产生模块的在节拍产生模块输出的计数值变化范围不大并目音符产生模块的输出数值不击灵活改变时，可用输出数值不击灵活改变时，可用VHDL语句直接来描述音符产生模块。语句直接来描述音符产生模块。在节拍产生模块输出的计数值变化范围较大或音符产生模块的输出数在节拍产生模块

25、输出的计数值变化范围较大或音符产生模块的输出数值击灵活改变时，可使用值击灵活改变时，可使用LPM_ROM来存储对应于不同计数值的音符来存储对应于不同计数值的音符序号。序号。 3. VHDL输入设计法和原理图输入设计法的选择输入设计法和原理图输入设计法的选择 在本任务中，底层模块采用在本任务中，底层模块采用VHDL输入设计法较简单，而顶层模块输入设计法较简单，而顶层模块采用采用VHDL输入设计法或原理图输入设计法都可以。输入设计法或原理图输入设计法都可以。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导四、实施四、实施 下面以用于演奏下面以用于演奏“梁祝梁祝”乐曲的音乐电路为例，对音乐电

26、路各模块乐曲的音乐电路为例，对音乐电路各模块的实施进行进一步的分析。的实施进行进一步的分析。 (一一)控制电路模块控制电路模块 控制电路模块包含节拍产生模块和音符产生模块两个子模块，可合控制电路模块包含节拍产生模块和音符产生模块两个子模块，可合写成一个文件。写成一个文件。 1.节拍产生模块设计分析节拍产生模块设计分析 根据以上分析，此模块为一计数器，现在击进一步决定计数器的模根据以上分析，此模块为一计数器，现在击进一步决定计数器的模及其输入时钟频率。及其输入时钟频率。 根据乐曲根据乐曲“梁祝梁祝”的谱，此乐曲以四分音符为一拍，四拍为一节，的谱，此乐曲以四分音符为一拍，四拍为一节，所所下一页上一

27、页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导有的音的音长的最示公因数是一个十六分音符时值，所以以十六分有的音的音长的最示公因数是一个十六分音符时值，所以以十六分音符时值作为一个状态持续时间，把乐曲音符时值作为一个状态持续时间，把乐曲“梁祝梁祝”中各个音所占据中各个音所占据状态个数祟加而得知节拍产生模块计数器的模是状态个数祟加而得知节拍产生模块计数器的模是139，其中最后体，其中最后体止符用了止符用了3个时间单位。个时间单位。 乐曲乐曲“梁祝梁祝”的简谱没有明确标出演奏速度，根据经验设定的简谱没有明确标出演奏速度，根据经验设定1 min演奏演奏60拍，因此一拍持续时间即四分音符的时值为拍，因此

28、一拍持续时间即四分音符的时值为1 s，一个，一个状态持续时间即一个十六分音符时值为状态持续时间即一个十六分音符时值为0.25 s。故节拍产生模块输。故节拍产生模块输入时钟周期为入时钟周期为0.25 s,频率为频率为4 Hz。 2.音符产生模块设计分析音符产生模块设计分析 音符产生模块的功能是将节拍产生电路的计数器的计数值按照乐音符产生模块的功能是将节拍产生电路的计数器的计数值按照乐曲曲“梁祝梁祝”的简谱翻译成对应的音符，若用的简谱翻译成对应的音符，若用Counter表示计数器的表示计数器的状状下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导态，态，Index表示音符符号，则可对乐曲表示

29、音符符号，则可对乐曲“梁祝梁祝”的简谱出现的音作如的简谱出现的音作如下规定，见下规定，见表表9-1。根据乐曲。根据乐曲“梁祝梁祝”的简谱可得其真值表，见的简谱可得其真值表，见表表9-2。 3.设计文件实体描述设计文件实体描述 两模块可合起来写成一个文件两模块可合起来写成一个文件NoteTabs.vhd，其实体描述如下，其实体描述如下: LIBRARY ieee; USE ieee.std-logic-1164.ALL; ENTITY NoteTabs IS PORT(clk: IN STD_LOGIC; Index: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); END;

30、下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导其中，输入时钟信号与其中，输入时钟信号与C1k4Hz相连相连;Index表示音符信息。因为表示音符信息。因为Index取值为取值为1 15，故为四位一进制信号。，故为四位一进制信号。 (二二)分频系数、分频系数、LED数据产生模块数据产生模块 1.设计文件实体描述设计文件实体描述 此模块的功能是产生提供给可控分频模块的分频系数、提供给外此模块的功能是产生提供给可控分频模块的分频系数、提供给外围数码管和外围围数码管和外围LED的数据。其实体描述如下的数据。其实体描述如下: LIBRARY ieee; USE ieee.STD_LOGIC_1

31、164.ALL; ENTITY ToneTaba IS PORT(Index: IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); 下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导 Seg: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); Led: OUT STD_LOGIC; Tone: OUT STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); END; 其中，其中，Index为四位一进制信号，表示音符的信息为四位一进制信号，表示音符的信息; Seg为四位一进制信号，是提供给外围数码管的用于显示为四位一进制信号，是提供给外围数码管的

32、用于显示 简谱音符符号的数据简谱音符符号的数据; Led是提供给外围是提供给外围LED的用于显示高低音的数据的用于显示高低音的数据; Tone是供给可控分频模块的分频系数。是供给可控分频模块的分频系数。 它们的关系见它们的关系见表表9-3。下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导2.结构体设计分析结构体设计分析 乐曲乐曲“梁祝梁祝”是是F调，其频率数据见调，其频率数据见表表9-3。在表中，可控分频。在表中，可控分频模块的输入时钟设为模块的输入时钟设为12 MHz，经前后，经前后12X2分频后为分频后为500 000 Hz，故供给可控分频模块的分频系数，故供给可控分频模块的分频系

33、数Tone = -500 000/f又又考虑到最大分频比为考虑到最大分频比为500 000/349.2 1 432，其二进制表示，其二进制表示是是10110011000，故可控分频模块的计数器为十一位二进制计，故可控分频模块的计数器为十一位二进制计数器。数器。 (三三)可控分频模块可控分频模块 此模块的功能是用一个可控分频电路来产生演奏音乐所击的每个此模块的功能是用一个可控分频电路来产生演奏音乐所击的每个音。可控分频模块实体描述如下音。可控分频模块实体描述如下:下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导112 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_11

34、64.ALL; USE IEEE.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY Speakera IS PORT(clk: IN STD_LOGIC; Tone: IN STD_LOGIC_VECTOR (10 DOWNTO 0); SpkS: OUT STD_LOGIC); END; 下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导 作为初步解决方案，采用偶数分频比近似代替奇数分频比的方作为初步解决方案，采用偶数分频比近似代替奇数分频比的方法，把整数分频电路变成偶数分频电路来设计。法，把整数分频电路变成偶数分频电路来设计。 可控分频模块是一个具有可控分频模块是一个具有

35、12预分频和预分频和2后分频的可控分频电路。后分频的可控分频电路。可控分频模块的输入时钟可控分频模块的输入时钟clk频率选频率选12 MHz，为了使可控分频模，为了使可控分频模块分频系数取值范围比较合适，输入时钟先经块分频系数取值范围比较合适，输入时钟先经12分频，同时为了使分频，同时为了使输出信号输出信号SpkS具有较高的驱动功率，可控分频后再经具有较高的驱动功率，可控分频后再经2分频，使输分频，使输出信号出信号 SpkS具有具有50%的占空比，从而具有较高的驱动功率。的占空比，从而具有较高的驱动功率。 分频电路的描述与计数器电路相似，下面进程描述一个分频电路的描述与计数器电路相似，下面进程

36、描述一个12分频分频电路。电路。 下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导下一页上一页9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导PROCESS(clk) VARIABLE Count4:STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0); BEGIN PreCLK11 THEN PreCLKCLK4HZ,Index=ToneIndex); u2:ToneTaba PORT MAP(Index=ToneIndex,Seg=SegCode, Led=LedHigh, Tone=Tone); u3:Speakera PORT MAP(clk=C1k12MHz,Tone=To

37、ne, SpkS=SpkOut);END; 9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导返 回上一页五、检查五、检查 分别编译各底层模块和整个电路设计，并分别仿真控制电路模块分别编译各底层模块和整个电路设计，并分别仿真控制电路模块和分频系数、和分频系数、LED数据产生模块。通过后，若有条件，应将源代码下数据产生模块。通过后，若有条件，应将源代码下载到硬件中做最后的验证。载到硬件中做最后的验证。六、评估六、评估 对本次设计进行评估，可尝试更好的方案、方法。写出设计报告，对本次设计进行评估，可尝试更好的方案、方法。写出设计报告，设计报告应包括所应用到的设计报告应包括所应用到的EDA方法及知识的总结

38、。方法及知识的总结。 9.2 完成工作任务的引导完成工作任务的引导下一页9.3相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能一、相关音乐知识一、相关音乐知识 1.乐音的四个基本要素乐音的四个基本要素 一般来说，所有乐音有四个基本要素，而其中最重要的是一般来说，所有乐音有四个基本要素，而其中最重要的是“音的音的高低高低”和和“音的长短音的长短”。 (1)音的高低音的高低 任何一首曲子都是由高低相间的音组成的，从钢琴上直观看就是任何一首曲子都是由高低相间的音组成的，从钢琴上直观看就是越往左面的键盘音越低，越往右面的键盘音越高。越往左面的键盘音越低，越往右面的键盘音越高。 (2)音的长短音的长

39、短 除了音的高低外，还有一个重要的因素就是音的长短。音的高低除了音的高低外，还有一个重要的因素就是音的长短。音的高低和长短的标注决定了该首曲子有别于另外的曲子，因此成为构成音乐和长短的标注决定了该首曲子有别于另外的曲子，因此成为构成音乐的最重要的基础元素。的最重要的基础元素。下一页上一页 (3)音的强度音的强度 一首音乐作品总会有一些音符的力度比较强一些，有些地方弱一些。一首音乐作品总会有一些音符的力度比较强一些，有些地方弱一些。而强度的变化是音乐作品中表达情感的因素之一。而强度的变化是音乐作品中表达情感的因素之一。 (4)音色音色 对于同样的旋律音高，男生和女声唱的音色就不一样，示提琴和钢对

40、于同样的旋律音高，男生和女声唱的音色就不一样，示提琴和钢琴的音色也不一样。琴的音色也不一样。 2.音名与唱名音名与唱名 不同音高的乐音，是用不同音高的乐音，是用CDEFGAB来表示的，这来表示的，这7个拉丁字母就是个拉丁字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成乐音的音名，它们一般依次唱成do(多多)、re(瑞瑞)、mi(米米)、fa(发发)、sol(梭梭)、la(拉拉)、si(西西)，即唱成简谱的，即唱成简谱的1, 2, 3, 4, 5, 6, 7o do(多多)、re(瑞瑞)、mi(米米)、是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。 9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技

41、术基本知识与基本技能 3.简谱中的音符简谱中的音符 谱是国内广泛使用的记录音乐的方式。谱是一种比较简单易学的音谱是国内广泛使用的记录音乐的方式。谱是一种比较简单易学的音乐记谱法，它仅用乐记谱法，它仅用7个阿拉伯数字个阿拉伯数字1, 2, 3, 4, 5, 6, 7表示表示CDEFGAB，通过这，通过这7个阿拉伯数字，就能将千变万化的音乐曲子记个阿拉伯数字，就能将千变万化的音乐曲子记录并表示出来。谱虽然不是出现在中国，但在中国得到了非常广泛的录并表示出来。谱虽然不是出现在中国，但在中国得到了非常广泛的传播。传播。 在谱中，记录音的高低和长短的符号，叫做音符。在谱中，记录音的高低和长短的符号，叫做

42、音符。 简谱的音符相对应的数字的大示决定音的相对高低。比如数字简谱的音符相对应的数字的大示决定音的相对高低。比如数字2比比1大，大，re就比就比do高高;数字数字2比比3示，示，re就比就比mi低等。低等。 音符有多种类型，具体类型如下。音符有多种类型，具体类型如下。9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能下一页上一页 (1)按所记录的音的相对高低来分按所记录的音的相对高低来分 按所记录的音的相对高低，音符分为中音音符、高音音符、低音音按所记录的音的相对高低，音符分为中音音符、高音音符、低音音符、倍高音音符、倍低音音符、超高音音符、超低音音符、最高音音符符、倍高音音符、倍低

43、音音符、超高音音符、超低音音符、最高音音符和最低音音符。和最低音音符。 7个音符主体个音符主体1, 2, 3, 4, 5, 6, 7就表示就表示7个中音音符。在个中音音符。在7个基本个基本的音符的音符17上面各加一个圆点即成为上面各加一个圆点即成为7个高音音符个高音音符: 。在七个基本的音符在七个基本的音符1 2 3 4 5 6 7下面各加一个圆点即成为下面各加一个圆点即成为7个低音个低音音符音符: 。如果在中音音符上下各加两个圆点，就成为。如果在中音音符上下各加两个圆点，就成为倍高音音符和倍低音音符，在中音音符上下各加二个圆点，就成为超高倍高音音符和倍低音音符，在中音音符上下各加二个圆点，就

44、成为超高音音符和超低音音符，在中音音符上下各加二个圆点，就成为最高音音音音符和超低音音符，在中音音符上下各加二个圆点，就成为最高音音符和最低音音符。符和最低音音符。9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能下一页上一页下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 (2)按所记录的音的相对长短来分按所记录的音的相对长短来分 按所记录的音的相对长短，音符分为全音符、按所记录的音的相对长短，音符分为全音符、二二分音符、四分音符、分音符、四分音符、八分音符、十六分音符和八分音符、十六分音符和三十二三十二分音符。分音符。 7个音符主体个音符主体1234567

45、表示四分音符。在四分音符后面每加一条表示四分音符。在四分音符后面每加一条短横线就表示增加等于一个四分音符的时值短横线就表示增加等于一个四分音符的时值(时间长度时间长度)，在四分音符，在四分音符后面加一条短横线就成为一分音符，例如后面加一条短横线就成为一分音符，例如2一一;在四分音符后面加二条在四分音符后面加二条短横线就成为全音符，例如短横线就成为全音符，例如3一一一。在四分音符下面每加一条短横一一一。在四分音符下面每加一条短横线，就表示将其上面的音符的时值削减一半，在四分音符下面加一条线，就表示将其上面的音符的时值削减一半，在四分音符下面加一条短横线就成为八分音符，例如短横线就成为八分音符，例

46、如4;在四分音符下面加两条或者二条短横在四分音符下面加两条或者二条短横线就成为十六分音符或者线就成为十六分音符或者三三十十二二分音符，例如分音符，例如 。 下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 (3)附点音符附点音符 附点音符又分为单附点音符和双附点音符。通常说附点音符即指附点音符又分为单附点音符和双附点音符。通常说附点音符即指单附点音符，如指双附点音符，必须加单附点音符，如指双附点音符，必须加“双双”字。字。 单附点音符和双附点音符是在以上音符基础上，在其后面加上一单附点音符和双附点音符是在以上音符基础上，在其后面加上一个或两个附点个或两个附点(圆点或短横

47、线圆点或短横线)构成。单附点将音符的时值增加一半，构成。单附点将音符的时值增加一半，第第二二附点则将第一附点的时值增加一半。全音符和附点则将第一附点的时值增加一半。全音符和二二分音符的附点不分音符的附点不用圆点而用短横线，其他情况的附点使用圆点。例如用圆点而用短横线，其他情况的附点使用圆点。例如4、 、3一一一一一一、一一一一、2一一是单附点音符，而一一是单附点音符，而4、 、3一一一一、一一一一、2一一一一 双附点音符。双附点音符。 (4)休休止符止符 音乐有时会出现一定时间的体止音乐有时会出现一定时间的体止(间断间断)，以适应表达乐思的需要，以适应表达乐思的需要，下一页上一页9.3 相关技

48、术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能同时也与乐音形成对比。同时也与乐音形成对比。只只用数字用数字0作记录作记录休休止符号，叫做止符号，叫做休休止符。止符。 4.调、节拍与速度调、节拍与速度 谱中的音符的音高只是相对的音高，需要指定其中一个基本音比谱中的音符的音高只是相对的音高，需要指定其中一个基本音比如如1的绝对音高才能确定所有音符的绝对音高，谱中使用表明一首的绝对音高才能确定所有音符的绝对音高，谱中使用表明一首乐曲的调的方法来规定乐曲中各音符的绝对音高。例如乐曲的调的方法来规定乐曲中各音符的绝对音高。例如1=C，称为，称为C调，表明中音调，表明中音1发钢琴键盘中间的白色的发钢琴键盘

49、中间的白色的C键的音。键的音。 一首乐曲的谱是由一个一个示节构成的，示节之间用一条示竖线一首乐曲的谱是由一个一个示节构成的，示节之间用一条示竖线隔开。一个示节中用某种时值的音符隔开。一个示节中用某种时值的音符(四分音符或八分音符等四分音符或八分音符等)作一作一拍，结合每示节的拍数拍，结合每示节的拍数(二二拍、拍、三三拍等拍等)就构成了拍子。就构成了拍子。 标明拍子的记号叫拍号，用一个分数来表示。拍号的分母表示用标明拍子的记号叫拍号，用一个分数来表示。拍号的分母表示用什什么时值的音符作一拍，分子表示每示节的拍数。么时值的音符作一拍，分子表示每示节的拍数。下一页上一页例如，例如， ，分母数字，分母

50、数字4表示用四分音符作一拍，分子数字表示用四分音符作一拍，分子数字2表示每示节表示每示节容纳两拍。容纳两拍。 速度指唱奏时节拍、节奏的快慢程度。唱奏速度是用每一分钟唱奏速度指唱奏时节拍、节奏的快慢程度。唱奏速度是用每一分钟唱奏多少拍表示，唱奏速度一定后，每一拍以至每个音符就有了确定的时多少拍表示，唱奏速度一定后，每一拍以至每个音符就有了确定的时值，在此之前，每一拍值，在此之前，每一拍和和每个音符只有相对时值。每个音符只有相对时值。 5.音阶与调性音阶与调性 按照一定关系结合在一起的几个音按照一定关系结合在一起的几个音(一般是一般是7个音左右个音左右)组成一个有组成一个有主音主音(中心音中心音)

51、的音列体系，构成一个调式。把调式中的个音，从主音的音列体系，构成一个调式。把调式中的个音，从主音到主音，按一定的音高关系排列起来的音列叫音阶。到主音，按一定的音高关系排列起来的音列叫音阶。 (1) 12个大调音阶个大调音阶 音与音之间的距离符合全全半全全全半的音与音之间的距离符合全全半全全全半的8个音，就称为大调音阶。个音，就称为大调音阶。9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能42这单的全和半分别指全音和半音。距离是一个半音的相邻两个音，高这单的全和半分别指全音和半音。距离是一个半音的相邻两个音，高音频率是低音频率的音频率是低音频率的“2的的1/12次方倍次方倍”。一个全

52、音的距离等于两。一个全音的距离等于两个半音的距离。个半音的距离。 首先以大家最熟悉的首先以大家最熟悉的C大调音阶为例作一个说明。大调音阶为例作一个说明。 C大调音阶大调音阶:CDEFGABC，主音是主音是C。 C与与D之间的音程为全音之间的音程为全音; D与与E之间的音程为全音之间的音程为全音; E与与F之间的音程为半音之间的音程为半音; F与与G之间的音程为全音之间的音程为全音; G与与A之间的音程为全音之间的音程为全音; A与与B之间的音程为全音之间的音程为全音; B与与C之间的音程为半音。之间的音程为半音。 又例如又例如G大调大调:GABCDEF#G(这单的这单的F#是比是比F升半音的音

53、升半音的音)，也，也符合全全半全全全半的规则。符合全全半全全全半的规则。下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 了解大调的定义之后，就可以排出所有的大调音阶。因为一个八了解大调的定义之后，就可以排出所有的大调音阶。因为一个八度内总共有度内总共有12个半音，每一个都可以作为大调的起音，所以总共有个半音，每一个都可以作为大调的起音，所以总共有12个大调。个大调。 C Major C D E F G A B C G Major G A B C D E F# G一个升一个升 D Major D E F# G A B C# D两个升两个升 A Major A B C#

54、D E F# G# A二个升二个升 E Major E F# G# A B C# D# E四个升四个升 B Major B C# D# E F# G# A# B五个升五个升 F# Major F# G# A# B C# D# E# F#六个升六个升下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能等于等于Gb Major Gb Ab Bb Cb Db Eb F Gb六降个六降个(这单这单的的Gb是比是比G降半音的音降半音的音) C# Major C# D# E# F# G# A# B# C#七个升等于七个升等于Db Major Db Eb F Gb Ab Bb C Db五

55、个降五个降 Ab Major Ab Bb C Db Eb F G Ab四个降四个降 Eb Major Eb F G Ab Bb C D Eb二个降二个降 Bb Major Bb C D Eb F G A Bb两个降两个降 F Major F G A Bb C D E F一个降一个降 其中其中F#和和Gb, C#和和Db音名不同，但实际上是相同的音。音名不同，但实际上是相同的音。 下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 从以上的从以上的12个大调可以看出，每往上五度就多一个升，个大调可以看出

56、，每往上五度就多一个升，C G D A E B F # ，而每往下五度就多一个降，而每往下五度就多一个降，C F B b E b A b D b 也就是说，从任一个音往上或往下数完全五度，数完也就是说，从任一个音往上或往下数完全五度，数完12个之后又个之后又会回到同一个音，这就叫做五度圈，如图会回到同一个音，这就叫做五度圈，如图9-2所示。所以，以后听到所示。所以，以后听到两个升的大调一定是两个升的大调一定是D大调，升大调，升F升升C: 两个降的大调一定是两个降的大调一定是Bb大调，大调，降降B降降E。 (2)示调音阶示调音阶 示调与大调的不同点在于示调听起来比较忧郁、哀伤，而大调比示调与大调

57、的不同点在于示调听起来比较忧郁、哀伤，而大调比较明快。示调有二种，在这单只讲最简单的自然示调。较明快。示调有二种，在这单只讲最简单的自然示调。下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 自然示调的规则为全半全全半全全。完全没有升降的示调是自然示调的规则为全半全全半全全。完全没有升降的示调是A示示调调:A B C D E F G A。同样，每往上完全五度就多一个升，往下完。同样，每往上完全五度就多一个升，往下完全五度就多一个降。自然示调的升降数目与它上方示二度的大调相同。全五度就多一个降。自然示调的升降数目与它上方示二度的大调相同。 例如例如:A示调跟示调跟C大调一

58、样没有升降，大调一样没有升降，E示调跟示调跟G大调一样升大调一样升F, D示示调跟调跟F大调一样降大调一样降B。也就是说，。也就是说，A示调与示调与C大调共享这大调共享这7个音，只是个音，只是一个从一个从A开始一个从开始一个从C开始。所以归纳起来，如果看到乐开始。所以归纳起来，如果看到乐r,最前面的最前面的调号是两个升调号是两个升(一定是升一定是升F升升C，不会有其他情况，不会有其他情况)，就可以判断它是，就可以判断它是D大调或者大调或者B示调。如果是两个降示调。如果是两个降(一定是降一定是降B降降E)，就可以判断是，就可以判断是Bb大调或大调或G示调。至于如何区分究竞是大调还是示调，要从旋律

59、来看，示调。至于如何区分究竞是大调还是示调，要从旋律来看，必须先熟悉示调的感觉，听旋律就来分辨是大调还是示调。必须先熟悉示调的感觉，听旋律就来分辨是大调还是示调。下一页上一页9.3 相关技术基本知识与基本技能相关技术基本知识与基本技能 6.钢琴上各音的名称和频率钢琴上各音的名称和频率 图图9-3所所u:为钢琴上各音的名称和频率为钢琴上各音的名称和频率(以以al = 440 Hz为标为标准准)。 7.简谱中各调各音符的频率简谱中各调各音符的频率 简谱中各调的简谱中各调的do(多多)对应于钢琴上各组中此调的主音。以对应于钢琴上各组中此调的主音。以C调调为例，为例，C调是调是CDEFGABC，主音，

60、主音C唱为唱为do(多多)。有些资料规定中。有些资料规定中音音do(多多)对应示字对应示字1组的组的c1，有些资料则升八度，规定低音，有些资料则升八度，规定低音do (多多)对应示字对应示字1组的组的c1。这单采用低音。这单采用低音do(多多)对应示字对应示字1组的组的cl，频率为频率为261.63 Hz。根据钢琴上各音的频率，其余各音的频率依。根据钢琴上各音的频率，其余各音的频率依次列出，见次列出，见表表9-4。 下一页上一页 又例如又例如F调，调，F调是调是FGABbCDEF,主音是主音是F。采用低音。采用低音do(多多)对对应示字应示字1组的组的fl，频率为，频率为349.23 Hz。根