前面文章中提到的專(zhuān)為“2022年暑期在家一起練”的高顏值硬禾電子琴：

“暑期一起練”即將開(kāi)玩的“高顏值”電子琴！

引起了很多同學(xué)的興趣，活動(dòng)正式發(fā)布出來(lái)，就有不少同學(xué)紛紛下單。在這里順便給同學(xué)們梳理一下要做出這個(gè)電子琴需要用到哪些書(shū)本知識(shí)？設(shè)計(jì)中要注意哪些要點(diǎn)？

首先看一下這個(gè)套件包含了哪些：

1x Piano Kit擴(kuò)展板，包含了帶電路的底板和一塊琴鍵蓋板

1x 小腳丫FPGA核心板（Lattice MXO2-C），能夠通過(guò)Web IDE編程或Lattice官方提供的Diamond軟件進(jìn)行編程

1x Micro USB數(shù)據(jù)線，前期的活動(dòng)中，不少同學(xué)使用的USB線只能供電，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸功能，建議在調(diào)試的過(guò)程中使用我們提供的USB數(shù)據(jù)線這個(gè)電子琴的構(gòu)成框圖：

電子琴的功能框圖

多數(shù)的電子琴都是通過(guò)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來(lái)發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較輕松，但發(fā)出來(lái)的聲音比較單調(diào)。如果能夠用模擬的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，通過(guò)DDS的方式理論上可以生成任意頻率、任意幅度、任意波形的信號(hào)，還可以在數(shù)字域進(jìn)行合成、數(shù)字信號(hào)處理，然后再通過(guò)DAC輸出成模擬信號(hào)推動(dòng)揚(yáng)聲器來(lái)發(fā)出聲音。

所以通過(guò)這個(gè)活動(dòng)，同學(xué)們可以在學(xué)習(xí)了數(shù)字電路課程的基礎(chǔ)上，通過(guò)FPGA的使用，進(jìn)一步深刻理解數(shù)字邏輯和現(xiàn)實(shí)世界之間的關(guān)系，通過(guò)數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)字外設(shè)、通過(guò)模擬信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)模擬外設(shè)，并可以通過(guò)信號(hào)的質(zhì)量以及儀器觀測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DAC）是連接數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)ADC和DAC的方式有多種，在這個(gè)電子琴的活動(dòng)中，我們體會(huì)一下如何通過(guò)PWM的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DAC的功能，也就是PWM + 低通濾波器可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

這里面還有一個(gè)頻譜的問(wèn)題，在固定時(shí)鐘頻率的情況下，通過(guò)PWM來(lái)做DAC，就需要在產(chǎn)生的信號(hào)的頻率與分辨率之間進(jìn)行折中，12MHz的主時(shí)鐘（在不加鎖相環(huán)的情況下）要得到相當(dāng)于10位分辨率的DAC，意味著生成模擬信號(hào)的“轉(zhuǎn)換率”最高也就到12MHz/1024~12KHz（落在了人可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音的范圍），這樣就決定了外部低通濾波器的截止頻率的設(shè)定， 要能夠有效濾除掉12KHz的轉(zhuǎn)換頻率，要模擬電子琴的音調(diào)，一般需要用到基頻的高次諧波分量，既要能夠保證到高頻率信號(hào)的復(fù)現(xiàn)，同時(shí)又不能有干擾音的出現(xiàn)，如何取舍？

人的耳朵對(duì)于細(xì)微的聲音差別都能夠感知到，10位的DAC是否滿(mǎn)足要求？能否用8位就可以？是否需要到12位、甚至16位？

在已經(jīng)設(shè)定好的階數(shù)很低的低通濾波器的前提下，又該如何取舍？有沒(méi)有其它的辦法？

這些都是同學(xué)們?cè)谝粋€(gè)月的時(shí)間里，在這個(gè)平臺(tái)上制作一個(gè)“好聽(tīng)”的“電子琴”所需要考慮的。

相信有的同學(xué)不會(huì)簡(jiǎn)單止步于做出一個(gè)能聽(tīng)到聲音的“電子琴”，還會(huì)進(jìn)一步探索更多的聲音信號(hào)處理的功能，能夠模擬出更多不同樂(lè)器的聲音。

這正是我們這個(gè)平臺(tái)的目的 - 將所學(xué)到的理論知識(shí)，運(yùn)用到一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中，能夠解決在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中遭遇到的各種挑戰(zhàn)，并將其做到盡善盡美。

制作這個(gè)電子琴的所有數(shù)字邏輯基礎(chǔ)模塊都可以在電子森林的網(wǎng)站上找尋到，你需要讀懂它，消化它，將它們有機(jī)組合在一起。

涉及到的數(shù)字電路/邏輯的技能及參考設(shè)計(jì)資源：

按鍵輸入響應(yīng)、按鍵消抖：

矩陣鍵盤(pán)鍵入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消抖

PWM信號(hào)生成：

PWM的應(yīng)用及相應(yīng)的Verilog代碼

簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)

STEP FPGA驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器模塊

PWM和1位DAC

音樂(lè)盒

DDS信號(hào)生成 - 頻率的調(diào)節(jié)、幅度的調(diào)節(jié)：

DDS生成任意波形的方法及Verilog代碼實(shí)例

基于DDS的任意波形、信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

列出來(lái)的這些參考資源都可以在電子森林網(wǎng)站上找到，有詳細(xì)的說(shuō)明和源代碼。由于微信的限制無(wú)法將上述文中的鏈接進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，大家可以訪問(wèn)這個(gè)活動(dòng)的項(xiàng)目頁(yè)面，在基本信息中心有這些參考設(shè)計(jì)資源的URL鏈接。

原文標(biāo)題：用FPGA制作一個(gè)電子琴中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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