基于EDA的音频设计

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。对于传统的电子设计是一种突破和变革，一种“自上而下”的设计理念让电路的设计变得相对简单而且高效。本文采用Altera Cyclone ||系列FPGA 实现可选择音频发生器，以实现声乐中的几种不同频率的声音。

声音的产生是由于发声物体以一定的频率振动，带动周围的空气振动，使动耳朵内的听小骨一起振动，这些振动被转换为微弱的电子脑波，它就使我们觉察到了声音。不同的发声物体(声源)音色不同。声源振动的快慢不一样即产生的频率不一样，故有高音、低音、中高音、中低音等区分。由于声源振动的幅度大小不一样，所以我们听到的声音有大小的区分。本文主要通过对输入的时钟频率按不同的分频比进行分频，以达到产生不同频率的声音。

1 音频发生器基本原理及顶层设计

音频发生是基于声音的发生原理，利用外部晶振输入固定的频率(12MHz)，由内部进行不同的分频得到，由于从数控分频器出来的信号是脉冲极窄的脉冲信号，为了能有效的驱动扬声器，需要外加一个D触发器以便于均衡占空比，这样出来的信号的频率就只有原信号的一半(6MHz)。

本音频发生器主要实现两个功能，通过按键选择。功能一可以通过按键让喇叭发出不同频率的声音，功能二可以预播放预设置的音频。

2 底层模块设计

图1 音频发生器顶层各模块连接图

2.1 按键模块

由于本模块可以实现13个不同的音调(7个低音，6个高音)，所以在按键模块有13个拨码开关输入，采用编码的方式把13中不同的编码转换为4为的数据输出。为了同步于自动播放的模块，本模块与自动模块采用同一时钟信号(8Hz)，以上升沿触发的形式触发得到按键的输入。

2.2 信号选择模块

由于本模块可以实现自动播放于手动输入音调的功能，为此为了能实现单一的信号输入，必须在音频信号处理之前对输入的信号给予选择。此模块有三个信号输入，一个信号选择短，两个输入信号。还有一个信号输出端，对于选中的信号直接输出。

2.3 自动信号产生模块

由于本模块可以实现自动播放内置歌曲的功能，所以必须要有一个模块来产生播放信号，此模块由8Hz 时钟输入，以计时器的方式产生4位的信号输出。

2.4 译码模块

此模块的输入由选择器的输出的得，由于选择的输出是4位数据，所以需要由此模块进行译码以判断输出的高音/ 低音，也便把输入的数据输出显示，并且的到分频比以便于用于下一模块的分频。

2.5 分频模块

此模块有输入12MHz时钟频率，由输入的4位总线型数据控制对12MHz的信号进行不同比例的分频，然后经D触发器进行脉冲展宽，使扬声器有足够的功率发音。

如：将PreCLK为CLK的16分频

DivideCLK : PROCESS(clk)

VARIABLE Count4 : STD_

LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) ;

BEGIN

PreCLK <= '0';

IF Count4>11 THEN PreCLK

<= '1'; Count4 := "0000";

ELSIF clk'EVENT AND clk =

'1' THEN Count4 := Count4 + 1;

END IF;

3 模块仿真

图2 按键模块仿真

图3 译码模块仿真

图4 选择器模块仿真

4 设计总结

首先按照设计思路编写各模块的VHDL程序，生成顶层模块。最后配置相应的管脚到Cyclone || 相应的芯片上生成最终的配置文件，把生成的配置文件下载到相应的实验设备上，连接好线路进行功能测试。

当按键选择到自动播放的功能的时候，喇叭会循环的发出13种不同的声音;

当按键选择到手动播放的功能时，由于输入的拨码开关的值不一样，喇叭会发出不的声音。当有两个或以上的拨码同时按下的时候，喇叭将没有声音发出。