简易电子琴实验：基于8键音阶的频率驱动扬声器

简易电子琴是一种基于电子设计自动化（EDA）课程设计的实验项目，旨在通过实验板上的按键控制来模拟传统钢琴的音阶，实现电子琴的基本功能。核心原理是利用不同频率的电信号驱动扬声器发出相应的音符。实验中，扬声器会根据输入的音阶信号，即按键按下时产生的不同频率，来播放音乐。 系统设计首先构建了一个原理框图，如图1-2所示。这个框图由键盘编码器和时钟分频器两部分构成。键盘编码器负责将按键输入转换成特定的编码信号，以便于识别不同的音阶。时钟分频器则利用2MHz的时钟源，根据预设的分频系数，将时钟频率降低到各个音名对应的频率，例如C调的261.63Hz等，进而驱动扬声器发声。 表1-1详细列出了音名、对应的频率以及它们在2MHz时钟下的分频系数，这是实现音阶的关键数据。通过这些系数，可以精确地调整每个按键产生的声音频率，确保演奏出正确的音符。 顶层原理图如图1-3所示，分为两个主要模块：KEYBOARD模块和M_FREQ模块。KEYBOARD模块接收8位键盘输入，进行编码处理，并输出3位二进制编码信号（SEL[2..0]）和使能信号（EN）。M_FREQ模块则根据KEYBOARD模块的编码输入和EN信号，实现时钟分频功能，当EN为高电平且SEL[2..0]对应不同的音名选择时，产生并输出相应频率的信号，驱动扬声器（SPK）发声或保持静音。 在模块设计中，具体到键盘编码器，使用了VHDL描述语言编写代码，如library ieee; 和use语句导入必要的库和模块。接着定义了实体（entity）键盘，其端口包括8位的键盘输入k，3位的编码输出sel，以及使能输出en。这部分代码用于实现键盘输入到编码信号的转换过程，确保按键操作与音符生成的对应性。 总结来说，简易电子琴的实现涉及音乐理论、数字信号处理、VHDL编程等多个方面的知识，不仅要求理解音频频率和分频原理，还需掌握硬件电路的设计与逻辑控制。通过这个项目，学生能够深入了解电子设备如何模仿乐器声音，提升他们的电子设计技能和音乐理论理解。