電子琴設(shè)計中要注意哪些要點

前面文章中提到的專為“2022年暑期在家一起練”的高顏值硬禾電子琴：

“暑期一起練”即將開玩的“高顏值”電子琴！

引起了很多同學(xué)的興趣，活動正式發(fā)布出來，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電子琴需要用到哪些書本知識？設(shè)計中要注意哪些要點？

首先看一下這個套件包含了哪些：

1x Piano Kit擴展板，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Web IDE編程或Lattice官方提供的Diamond軟件進行編程

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

電子琴的功能框圖

多數(shù)的電子琴都是通過PWM信號驅(qū)動蜂鳴器來發(fā)聲，實現(xiàn)起來比較輕松，但發(fā)出來的聲音比較單調(diào)。如果能夠用模擬的信號來驅(qū)動揚聲器，通過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，還可以在數(shù)字域進行合成、數(shù)字信號處理，然后再通過DAC輸出成模擬信號推動揚聲器來發(fā)出聲音。

所以通過這個活動，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FPGA的使用，進一步深刻理解數(shù)字邏輯和現(xiàn)實世界之間的關(guān)系，通過數(shù)字信號驅(qū)動數(shù)字外設(shè)、通過模擬信號來驅(qū)動模擬外設(shè)，并可以通過信號的質(zhì)量以及儀器觀測波形進行對比。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DAC）是連接數(shù)字信號和模擬信號之間的橋梁，實現(xiàn)ADC和DAC的方式有多種，在這個電子琴的活動中，我們體會一下如何通過PWM的方式來實現(xiàn)DAC的功能，也就是PWM + 低通濾波器可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

這里面還有一個頻譜的問題，在固定時鐘頻率的情況下，通過PWM來做DAC，就需要在產(chǎn)生的信號的頻率與分辨率之間進行折中，12MHz的主時鐘（在不加鎖相環(huán)的情況下）要得到相當于10位分辨率的DAC，意味著生成模擬信號的“轉(zhuǎn)換率”最高也就到12MHz/1024~12KHz（落在了人可以聽見的聲音的范圍），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的復(fù)現(xiàn)，同時又不能有干擾音的出現(xiàn)，如何取舍？

人的耳朵對于細微的聲音差別都能夠感知到，10位的DAC是否滿足要求？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？有沒有其它的辦法？

這些都是同學(xué)們在一個月的時間里，在這個平臺上制作一個“好聽”的“電子琴”所需要考慮的。

相信有的同學(xué)不會簡單止步于做出一個能聽到聲音的“電子琴”，還會進一步探索更多的聲音信號處理的功能，能夠模擬出更多不同樂器的聲音。

這正是我們這個平臺的目的 - 將所學(xué)到的理論知識，運用到一個實際的系統(tǒng)中，能夠解決在實現(xiàn)的過程中遭遇到的各種挑戰(zhàn)，并將其做到盡善盡美。

制作這個電子琴的所有數(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)計資源：

按鍵輸入響應(yīng)、按鍵消抖：

矩陣鍵盤鍵入系統(tǒng)設(shè)計

消抖

PWM信號生成：

PWM的應(yīng)用及相應(yīng)的Verilog代碼

簡易電子琴設(shè)計

STEP FPGA驅(qū)動無源蜂鳴器模塊

PWM和1位DAC

音樂盒

DDS信號生成 - 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代碼實例

基于DDS的任意波形、信號發(fā)生器設(shè)計

列出來的這些參考資源都可以在電子森林網(wǎng)站上找到，有詳細的說明和源代碼。由于微信的限制無法將上述文中的鏈接進行跳轉(zhuǎn)，大家可以訪問這個活動的項目頁面，在基本信息中心有這些參考設(shè)計資源的URL鏈接。

原文標題：用FPGA制作一個電子琴中的設(shè)計要點

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