VHDL实验报告一、实验目的1、掌握蜂鸣器的使用；2、通过复杂实验，进一步加深对VHDL语言的掌握程度。

二、实验原理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率，就可以在蜂鸣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，仅仅让蜂鸣器能够发声是不够的，还必须准确地控制乐曲的节奏，即每个音符的持续时间。

由此可见，乐曲中每个音符的发音频率及其持续的时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。

乐曲的12平均率规定：每2个八度音(如简谱中的中音1与高音1)之间的频率相差1倍。

在2个八度音之间，又可分为12个半音。

另外，音符A(简谱中的低音6)的频率为440Hz，音符B到C之间、E到F之间为半音，其余为全音。

由此可以计算出简谱中从低音l至高音1之间每个音符的频率，如表所示。

音名频率/Hz音名频率/Hz音名频率/Hz低音1中音1高音1低音2中音2高音2低音3中音3高音3低音4中音4高音4低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7中音7高音7表简谱音名与频率的对应关系产生各音符所需的频率可用一分频器实现，由于各音符对应的频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。

若分频器时钟频率过低，则由于分频系数过小，四舍五入取整后的误差较大；若时钟频率过高，虽然误差变小，但分频数将变大。

实际的设计应综合考虑两方面的因素，在尽量减小频率误差的前提下取合适的时钟频率。

实际上，只要各个音符间的相对频率关系不变，演奏出的乐曲听起来都不会走调。

音符的持续时间须根据乐曲的速度及每个音符的节拍数来确定。

因此，要控制音符的音长，就必须知道乐曲的速度和每个音符所对应的节拍数，本例所演奏的乐曲的最短的音符为四分音符，如果将全音符的持续时间设为1s的话，那么一拍所应该持续的时间为秒，则只需要提供一个4HZ的时钟频率即可产生四分音符的时长。

本例设计的音乐电子琴选取40MHZ的系统时钟频率。

在数控分频器模块，首先对时钟频率进行40分频，得到1MHZ的输入频率，然后再次分频得到各音符的频率。

由于数控分频器输出的波形是脉宽极窄的脉冲波，为了更好的驱动蜂鸣器发声，在到达蜂鸣器之前需要均衡占空比，从而生成各音符对应频率的对称方波输出。

这个过程实际上进行了一次二分频，频率变为原来的二分之一即。

因此，分频系数的计算可以按照下面的方法进行。

以中音1为例，对应的频率值为523．3Hz ，它的分频系数应该为：60.3750.37510716523.3523.3MHZ ⨯==至于其他音符，同样可由上式求出对应的分频系数，这样利用程序可以很轻松地得到相应的乐声。

音名 频率/Hz 分频系数 音名 频率/Hz 分频系数低音1 1911 高音1 478 低音2 1702 高音2 425 低音3 1517 高音3 379 低音4 1431 高音4359 低音5 392 1276 高音5 1568 319 低音6 440 1136 高音61760 284 低音7 1014 高音7 253 中音1 956 中音2851 中音3 758 中音4 716中音5 784 638 中音6 880 568 中音7 506表 各音名对应的分频系数至于音长的控制，在自动演奏模块，每个乐曲的音符是按地址存放的，播放乐曲时按4HZ 的时钟频率依次读取简谱，每个音符持续时间为秒。

如果乐谱中某个音符为三拍音长，那又该如何控制呢其实只要在3个连续地址存放该音符，这时就会发三个秒的音长，即持续了三拍的时间，通过这样一个简单的操作就可以控制音长了。

三、实验步骤1、设置端口 1）输入端口CLK ：40MHZ 系统时钟输入端口。

2）输出端口device ：乐曲的声音输出端口，输出的是对应各音符频率的方波信号。

2、设置模块 1）自动演奏模块自动演奏模块可以自动播放电子琴内置乐曲，按节拍读取内置乐谱。

将键盘输入的音符信号输出。

因此，本模块是向Tone 模块提供音符信息。

首先，对40MHz 系统时钟进行10M 的分频，得到4Hz 的信号，这样一秒中就可以按照四拍进行。

然后依照此频率进行地址累计。

2）音频发生器模块根据自动演奏模块的信号输出，不同的信号被翻译为不同的频率。

3）蜂鸣器驱动模块根据音频发生器发出音频的不同，蜂鸣器得到的驱动也不同。

首先，对系统时钟进行40分频，再对1mhz的脉冲再次分频，得到所需要的音符频率，然后再进行2分频。

四、实验代码library ieee;use tone isport(index: in std_logic_vector(15 downto 0); --音符输入信号tone0: out integer range 0 to 2047 --音符的分频系数);end tone;architecture behavioral of tone isbeginsearch :process(index) --此进程完成音符到音符的分频系数译码，音符的显示，高低音阶begincase index iswhen "0000000000000001" => tone0<=1433;when "0000000000000010" => tone0<=1277;when "0000000000000100" => tone0<=1138;when "0000000000001000" => tone0<=1074;when "0000000000010000" => tone0<=960;when "0000000000100000" => tone0<=853;when "0000000001000000" => tone0<=759;when "00000000" => tone0<=716;when "00000000" => tone0<=358;when "00000000" => tone0<=319;when "00000" => tone0<=284;when "0000" => tone0<=268;when "000" => tone0<=239;when "000" => tone0<=213;when "000" => tone0<=190;when "000" => tone0<=638;when others => tone0<=0;end case;end process;end behavioral;library ieee;use speaker isport(clk1: in std_logic; --系统时钟12mhztone1: in integer range 0 to 2047; --音符分频系数spks: out std_logic --驱动扬声器的音频信号);end speaker;architecture behavioral of speaker issignal preclk, fullspks:std_logic;beginp1:process(clk1)--此进程对系统时钟进行16分频variable count: integer range 0 to 16;beginif clk1'event and clk1='1' then count:=count+1;if count=8 thenpreclk<='1';elsif count=16 thenpreclk<='0';count:=0;end if;end if;end process p1;p2:process(preclk,tone1)--对的脉冲再次分频，得到所需要的音符频率variable count11:integer range 0 to 2047;beginif preclk'event and preclk='1' thenif count11<tone1 thencount11:=count11+1;fullspks<='1';elsecount11:=0;fullspks<='0';end if;end if;end process p2;p3:process(fullspks)--此进程对fullspks进行2分频variable count2: std_logic:='0';beginif fullspks'event and fullspks='1' thencount2:=not count2;if count2='1' thenspks<='1';elsespks<='0';end if;end if;end process p3;end behavioral;library ieee;use laohu isport(clk: in std_logic;--系统时钟；键盘输入/自动演奏tone_key_0: buffer std_logic_vector(15 downto 0)--音符信号输出);end laohu;architecture behavioral of laohu issignal count0:integer range 0 to 31;--changesignal clk2:std_logic;beginp1:process(clk) --对12mhz系统时钟进行3m的分频，得到4hz的信号clk2 variable count:integer range 0 to 3000000;beginif clk'event and clk='1' thencount:=count+1;if count=1500000 thenclk2<='1';elsif count=3000000 thenclk2<='0';count:=0;end if;end if;end process p1;p2:process(clk2)--此进程完成自动演奏部分乐曲的地址累加beginif clk2'event and clk2='1' thenif count0=29 thencount0<=0;elsecount0<=count0+1;end if;end if;end process p2;p3:process(count0,tone_key_0)begincase count0 is--此case语句：存储自动演奏部分的乐曲when 0 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 1 => tone_key_0<=b"00000010_00000000"; --2when 2 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 3 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 4 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 5 => tone_key_0<=b"00000010_00000000"; --2when 6 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 7 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 8 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 9 => tone_key_0<=b"00001000_00000000"; --4when 10 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 11 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 12 => tone_key_0<=b"00001000_00000000"; --4when 13 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 14 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 15 => tone_key_0<=b"00100000_00000000"; --6when 16 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 17 => tone_key_0<=b"00001000_00000000"; --4when 18 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 19 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 20 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 21 => tone_key_0<=b"00100000_00000000"; --6when 22 => tone_key_0<=b"00010000_00000000"; --5when 23 => tone_key_0<=b"00001000_00000000"; --4when 24 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 25 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when 26 => tone_key_0<=b"00000100_00000000"; --3when 27 => tone_key_0<=b"00000000_00100000"; --di6when 28 => tone_key_0<=b"00000001_00000000"; --1when others => null;end case;end process p3;end behavioral;library ieee;use beep0 isport(clk:in std_logic;device:out std_logic);end beep0;architecture behavioral of beep0 iscomponent laohu isport(clk: in std_logic;--系统时钟；键盘输入/自动演奏tone_key_0: out std_logic_vector(15 downto 0)--音符信号输出);end component;component tone isport(index: in std_logic_vector(15 downto 0);--音符输入信号tone0: out integer range 0 to 2047--音符的分频系数);end component;component speaker isport(clk1: in std_logic;--系统时钟12mhztone1: in integer range 0 to 2047; --音符分频系数spks: out std_logic--驱动扬声器的音频信号);end component;signal mid:std_logic_vector(15 downto 0);signal tones:integer;beginu0:laohu port map(clk,mid);u1:tone port map(mid,tones);u2:speaker port map(clk,tones,device);end behavioral;五、实验结果及其分析频率折算中，由于频率计数3不能是小数，采用了四舍五入的方法，所以得到的频率并不是十分精确的，但是不会影响结果。