實驗報告

實驗名稱:［蜂鳴器音樂發(fā)生器實驗］

姓名:

學號:

指導教師:

實驗時間:[2023年6月15印

信息與通信工程學院

1實驗規(guī)定

用所學知識和編程技巧,編寫一段程序，實現(xiàn)用蜂鳴器演奏一首歌曲。按下（sw2）按

鍵,蜂鳴器唱出一首歌，歌曲可以自己選擇,重要是通過不同的頻率來實現(xiàn)不同的音調(diào)。

2實驗原理

2.1蜂鳴器類型

蜂鳴器重要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。1、壓電式蜂鳴器重要由多

諧振蕩、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路

構(gòu)成。當接通電源后（1.5?15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5?2.5kHZ的音頻

信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。2、電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振

動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈

產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的互相作用下，周期性地振動發(fā)聲。

實驗箱上蜂鳴器驅(qū)動原理:通過FPGA的143管腳驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，不同的頻率使蜂鳴器發(fā)出

不同的音調(diào)。

2.2音樂歌曲元素

一首歌曲由音調(diào)和節(jié)拍兩個重要的元素組成。對于蜂鳴器來說,頻率的高低決定了音調(diào)

的高低。所有不同頻率的信號都是從同一個基準頻率分頻得來的。由于音階頻率多為非整數(shù),

而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若基準頻率過低，

則由于分頻比太小，四舍五入取證后的誤差較大。若基準頻率過高,雖然誤差變小，但分頻數(shù)

將變大。實際的設(shè)計在盡量減小頻率誤差的前提下去合適的基準頻率。

給蜂鳴器輸入相應的頻率，可以使其發(fā)出表中所示的低音、中音、高音的do?Xi的聲音。將

其按照音樂演奏的規(guī)律組合，便可以得到所需要的樂曲。

2.3任務(wù)原理

2.3.1音調(diào)的控制

頻率的高低決定了音調(diào)的高低。音樂的十二平均率規(guī)定;每兩個8度音之間的頻率相差

1倍。在兩個8度音之間，又可分為12個半音，每兩個半音的頻率比為啦。此外，音名A的

頻率為440Hz,音名B到C直接、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之間每個音名相應的頻率如表1中所示。

音名頻率/Hz音名頻率/Hz音名頻率/Hz

宣+

低音1261.6中音1523.311046.5

低音2293.7中音2587.3高音21174.7

低音3329.6中音3659.3高音31318.5

低音4349.2中音4698.5高音41396.9

低音5392中音5784高音51568

低音6440中音6880高音61760

低音7493.9中音7987.8高音71975.5

表1簡譜中的音名與頻率的關(guān)系

所有不同頻率的信號都是從同一個基準頻率分頻的到，由于音階頻率多為非整數(shù)，

而分頻系數(shù)又不能為小數(shù),故必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。實際設(shè)計中,在盡量減

小頻率誤差的前提下取適合的基準頻率,本實驗中取6MHz為基準頻率。

本題需要演奏的是兩只老虎樂曲，該樂曲各音階頻率及相應的分頻比如表2所示,為了

減小輸出的偶次諧波分量，最后輸出到蜂鳴器的波形應為對稱方波，因此在到達蜂鳴器之前,

有一個二分頻的分頻器。

音名分頻比預置數(shù)音名分頻比預置數(shù)

低音391027281中音2511111272

低音576538730中音3455211831

低音668189565中音大382712556

低音7607310310中音6340912974

中音1573610647高音1286713516

表2各音階頻率相應的分頻比及預置數(shù)

此外,對于樂曲中的休止符,只要將分頻系數(shù)設(shè)為0,即初始值為2141=16383即可,此時

蜂鳴器不會發(fā)聲。

2.3.2音長的控制

音符的連續(xù)時間必須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來擬定。本實驗中最短的音

符為4分音符，假如將全音符的連續(xù)時間設(shè)為1s的話，則只需要再提供一個4Hz的時鐘頻率即

可產(chǎn)生4分音符的時長。

如圖1所示是樂曲演奏電路的原理框,其中，樂譜產(chǎn)生電路用來控制音樂的音調(diào)和音長。

控制音調(diào)通過設(shè)立計數(shù)器來實現(xiàn)，預置不同的數(shù)值可以使計數(shù)器產(chǎn)生不同頻率的信號,從而

產(chǎn)生不同的音調(diào)?？刂埔糸L是通過控制計數(shù)器預置數(shù)的停留時間來實現(xiàn)，預置數(shù)停留時間越

長，則該音符的演奏的時間越長。每個音符的演奏時間都是o.25s的整數(shù)倍，對于節(jié)拍長

的音符,在記譜時可連續(xù)記錄多次即可。

2.4實驗流程圖

6MHz蜂鳴器

圖1樂曲演奏的電路原理框圖

3FPGA所用的管腳分派

Named:▼j《》Edit:Filter:[pjn$：all▼

NodeNameDtrectionLocationI/OBankVREFGroupI/O

1beepOutputPIN.1433B3_N03.3-VLVT

2?dkInputPIN_231BlNO3.3-VLVT

3_____<<newnode>>

4實驗結(jié)果：在編輯框內(nèi)輸入好程序以后，對程序進行編譯，檢查錯誤，無誤后將其下載

到實驗箱后,即可實現(xiàn)演奏兩只老虎歌曲,可用按鍵sw2對其進行控制，當按鍵按下后，停止演

奏,否則一直循環(huán)演奏。

5實驗心得

通過這次實驗，第一、我學到了一個有時序功能的器件如何用verilog語言實現(xiàn)其功能。

在閱讀程序、修改程序的過程中我更加熟悉了verilog語言，掌握了基本的編寫程序的技巧

和能力。第二、我結(jié)識到了實際用軟件實現(xiàn)相應功能，原理來源于數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識，但

又區(qū)別與課本上的內(nèi)容。而學習了verilog語言，我意識到，不能從原有的思維方式出發(fā)進行

分析和編程，必須建立整體的概念，從輸入輸出的整體功能出發(fā)用程序建立模塊。并通過模

塊和模塊的嵌套或者連接實現(xiàn)相應功能。第三、通過修改程序的聯(lián)系，我體會到了如何結(jié)合

實際模塊的時序功能用程序?qū)崿F(xiàn)對器件的控制。

為了在課堂上完畢這次實驗，課下真的需要下一番功夫。一方面，自己認真提前學習的

語言的編程，又在課上聽老師講解重點。課下自己編寫了一些簡樸的小程序，以熟悉語言，但

是在課上分析的整體程序還是有一定困難，在老師的講解下,才慢慢理解。在理解的基礎(chǔ)上

修改程序很簡樸，但是想要自己獨立編寫這樣一個程序，我想,還需要很長時間的實踐才干

得以實現(xiàn)。所以，尚有許多需要努力的地方。

通過這次實驗，學到了很多東西，體會到了自己實現(xiàn)一個程序功能的小小喜悅，也結(jié)識

到了自己只是FPGA道路上的新手，尚有很多未知的知識需要學習。真正學習的歷程需要在

課下多下功夫，希望通過這學期的學習自己能純熟掌握一些編程的技術(shù)，培養(yǎng)良好的思維模

式。

6參考文獻

[1]王金明.《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與VerilogHDL》第3版、第2版，電子工業(yè)出版社，2023、

2023.TP271/W24.

[2]夏宇聞.《VeriIog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程》，北京航空航天大學出版社，第1、2版,

2023.TP312VH/X31.

[3]蔣璇，臧春華.《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與PLD應用技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，TP271/J63.

[4]張前，王次焰，《音樂美學基礎(chǔ)》，人民音樂出版社，1992.05,J601/Z22

附錄1:兩只老虎曲譜圖

兩只老虎

i=c1

1231|1231|345-|345-

兩只老虎，兩只老虎，跑得快，跑得快，

5-65-431|5^45^431|151-I151-

一U沒看眼睛，一只沒看耳朵，真奇怪，真奇怪。

附錄2：程序清單

〃音高與頻率的相應關(guān)系

//II1|o2|?3?|4|。5。|6|。7I

〃I低音1261.6Hz|293.7Hz1329.6HzI349.2HzI392Hz|44OHz

493.9Hz|

//|中音1523.3Hz1587.3HzI659.3Hz698.5Hz|784Hz|880Hz

987.8Hz|

〃l高音|1045.5Hz|l174.7Hzj1318.5Hz|1396.9Hzj1568Hz|176

OHz|1975.5Hz|

module?liangzhi(elk,beep)；<?“/模塊名稱song

inputelky的〃系統(tǒng)時鐘50MHz

outputobeep;。<?>//蜂鳴器輸出端

regabeep_r;。8。//寄存器

reg[7:0]state;?！纷V狀態(tài)機

reg[15:0]count,count_end;

reg[23:0]count1;

//樂譜參數(shù)：D=F/2K(D：參數(shù),F:時鐘頻率，K:音高頻率)

parameterL_5=16'd63776,〃低音5

gM_1=16Zd47774,o。//中音1

。M_2=16,d42568,。?！ㄖ幸?

M_3=16'd37919,“/中音3

oooM_4=16,d35791,//中音4

。M_5=16Jd31888,

8M_616=Jd28409;“/中音5?

parameterTIME=12023000;//控制每一個音的長短(250ms)

OOOOOO8

assignbeep=beep_r;?>s//輸出音樂

always?(posedgeelk)

begin

count<=count+1rbl；“/計數(shù)器力IH

f(count==count_end)

begin

count716'h0;ooo〃計數(shù)器清零

?>beep_r<=!beep_r;*〃輸出取反

照nd

end

always@(posedgeelk)

begin

if(count1<TIME)g。〃一個節(jié)拍250ms

count1=countl+l'bl;

。eIse

begin

Kount1=24fdO;

gif(state==8*d35)//64個節(jié)拍后循環(huán)

estate=8'dO;

。else

state:=state+fbl;

&case(state)

曲>8'd0:。ocount_end=M_1;//中音”1”,連續(xù)1個節(jié)拍

8dl:count_end=M_2；〃中音〃2〃,

連續(xù)1個節(jié)拍

8'd2:count_end=M_3;//中音〃3”,連續(xù)1

個節(jié)拍

o8'd3:。count_end=M_1;//中音"1”,連續(xù)2個

節(jié)拍

8'd4:count_end=M_1;

g8'd5：acount_end=M_2;

8d6：。o。count_end=M_3；

38'd7：26000count_end=Ml；。

o8'd8:count_end=M_3；

o8'd9：。ocount_end=M4;。

8’dl0,8'd11:count_end=M_5；

必8'dl2:countend=M3;

8'dl3:。count_end=M_4;

88'dl4,8'd15：gcount_end=M_5;

a8'dl6：countend=M5;

8d17：qcount_end=M_6；

08'd18：count_end=M_5；

0。8'd19：count_end=M_4;

f

008d20：。countend=M3;

必8'd21:。count_end=M_1;

o8'd22：