4 ขั้นตอน Digital Sequencer: 19 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

CPE 133, แคล โพลี ซาน หลุยส์ โอบิสโป

ผู้สร้างโครงการ: Jayson Johnston และ Bjorn Nelson

ในวงการเพลงในปัจจุบัน หนึ่งใน “เครื่องดนตรี” ที่ใช้กันมากที่สุดคือเครื่องสังเคราะห์เสียงดิจิตอล ดนตรีทุกประเภทตั้งแต่ฮิปฮอปไปจนถึงป๊อปและแม้แต่เพลงคันทรี่ ใช้เครื่องสังเคราะห์เสียงดิจิตอลในสตูดิโอเพื่อสร้างจังหวะและเสียงที่พวกเขาต้องการเพื่อให้ดนตรีของพวกเขามีชีวิต ในบทช่วยสอนนี้ เราจะสร้างซินธิไซเซอร์ที่เรียบง่ายด้วยบอร์ด Basy 3 FPGA

ซินธิไซเซอร์จะสามารถเล่นโน้ตสี่ตัวที่เลือกได้ที่จำนวนครั้งต่อนาทีคงที่ ผู้ใช้จะใช้สวิตช์เพื่อกำหนดโน้ตแต่ละไตรมาสให้กับระดับเสียงดนตรี สำหรับโครงการนี้ เราใช้ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) 4 บิตเพื่อนำเอาท์พุตจากบอร์ดและแปลงเป็นสัญญาณแอนะล็อก เอาต์พุตจาก DAC จะถูกป้อนไปยังลำโพงคอมพิวเตอร์มาตรฐาน เพื่อสร้างเพลงของเรา สามารถแยกสนามได้สิบหกสนาม เราจะจำกัดซินธิไซเซอร์ให้เหลือเพียงเสียงคู่ 12 โน้ต ซึ่งอยู่ระหว่าง C กลาง (261.6 Hz) และ B4 (493.9 Hz) ผู้ใช้จะมีตัวเลือกในการกำหนดโน้ตหลายรายการพร้อมกัน เช่นเดียวกับการกำหนดส่วนที่เหลือด้วยการกดปุ่ม assign โดยที่ไม่มีการเลื่อนสวิตช์ระดับเสียงขึ้นด้านบน เมื่อเลือกและเล่นโน้ตแต่ละตัว โน้ตตัวอักษรจะแสดงบนจอแสดงผล 7 ส่วน เราจะใช้ปุ่มสามปุ่มบนกระดาน ปุ่มหนึ่งสำหรับเล่นและหยุดเพลง ปุ่มหนึ่งสำหรับรีเซ็ตซินธิไซเซอร์และใส่ลงในโหมด "การเลือก" และปุ่มที่สามสำหรับกำหนดระดับเสียงของโน้ตแต่ละตัวขณะอยู่ในโหมดการเลือก

เมื่อผู้ใช้พอใจกับการเลือกโน้ตแล้ว และหลังจากกดปุ่มเล่นแล้ว ซินธิไซเซอร์จะเล่นโน้ตแต่ละตัวต่อเนื่องกันซ้ำๆ จนกว่าผู้ใช้จะกดหยุดชั่วคราวหรือเลือก

นี่คือรายการอุปกรณ์ที่จำเป็น:

• Vivado (หรือพื้นที่ทำงาน VHDL ใด ๆ)
• Basys 3 หรือบอร์ด FPGA ที่คล้ายกัน
• ตัวแปลงดิจิตอลเป็นแอนะล็อก (ต่ำสุด 4 บิต)
• ลำโพงพร้อมช่องเสียบหูฟัง
• สายไฟ

ขั้นตอนที่ 1: การทำงานของผู้ใช้ Digital Sequencer

ขั้นตอนต่อไปนี้คือการใช้งานซีเควนเซอร์ดิจิตอล ซีเควนเซอร์ดิจิตอลรองรับการเล่น 12 ระดับเสียงที่แตกต่างกัน (C, Db, D, Eb, E, F, Gb, G, Ab, A, Bb, B) ซึ่งมีตั้งแต่ 261.6 Hz ถึง 493.9 Hz

1. กดปุ่มซ้ายเพื่อให้บอร์ดเข้าสู่โหมดการเลือก เมื่ออยู่ในโหมดนี้ สวิตช์ 4 ตัวทางซ้ายสุด (สวิตช์ 13 ถึง 16) แต่ละตัวจะถูกใช้เพื่อเก็บค่าพิทช์ที่แตกต่างกัน

2. ในการเลือก ให้เปิดสวิตช์ด้านซ้ายตัวใดตัวหนึ่ง จากนั้นใช้สวิตช์ด้านขวาสุด 4 ตัว (สวิตช์ 1 ถึง 4) เพื่อเลือกระดับเสียงที่ต้องการ ระดับเสียงที่สัมพันธ์กับสวิตช์ด้านขวาร่วมกันโดยเฉพาะจะแสดงบนจอแสดงผลเจ็ดส่วน และจอแสดงผลจะอัปเดตเป็นระยะห่างที่เกี่ยวข้องใหม่ทุกครั้งที่เปลี่ยนสวิตช์ด้านขวาเป็นชุดค่าผสมใหม่ ส่วนที่เหลือสามารถกำหนดได้โดยไม่เคยกำหนดระดับเสียงให้กับสวิตช์ด้านซ้ายตัวใดตัวหนึ่งหรือโดยการกำหนดระดับเสียงที่แสดงเป็น 0 บนจอแสดงผลให้กับโน้ต เมื่อพบระดับเสียงที่ต้องการและแสดงบนจอแสดงผลแล้ว ให้กดปุ่มกำหนดด้านล่างเพื่อกำหนดระดับเสียงเฉพาะนั้นให้กับโน้ต

3. ทำซ้ำขั้นตอนที่ 2 สำหรับโน้ตที่เหลืออีกสามตัว โดยพลิกสวิตช์ด้านซ้ายที่เหลือทีละตัว เลือกระดับเสียงที่เกี่ยวข้องด้วยสวิตช์ด้านขวา และกดปุ่มด้านล่างเพื่อกำหนดระดับเสียงให้กับโน้ต โน้ตหลายตัวสามารถกำหนดระดับเสียงเดียวกันได้โดยเลื่อนสวิตช์ด้านซ้ายมากกว่าหนึ่งตัวขึ้นไปพร้อมกัน

4. เมื่อกำหนดระดับเสียงโน้ตทั้งหมดแล้ว ซีเควนเซอร์ดิจิทัลก็พร้อมเล่นแล้ว หากต้องการเล่นโน้ตบนลำโพง เพียงกดปุ่มเล่น/หยุดชั่วคราวทางขวาเพื่อเริ่มเล่นเพลง ลำดับของลำดับการเล่นจะสะท้อนระดับเสียงที่เกี่ยวข้องกับสวิตช์ด้านซ้าย จากซ้ายไปขวา โน้ตจะเล่นตามจำนวนจังหวะต่อนาทีที่กำหนดไว้ในลำดับ 1, 2, 3, 4, 1, 2…. หน้าจอจะแสดงโน้ตที่กำลังเล่นอยู่ในขณะที่ลำโพงกำลังเล่นเพลง หากต้องการหยุดเล่นเพลงชั่วคราว เพียงกดปุ่มขวา จากนั้นเพลงจะหยุดเล่นและสัญลักษณ์หยุดชั่วคราวจะแสดงบนหน้าจอ การกดปุ่มขวาอีกครั้งจะเป็นการเล่นต่อ

ขั้นตอนที่ 2: รายละเอียดทางเทคนิค

ซินธิไซเซอร์ของเราใช้ประโยชน์จากส่วนประกอบดิจิทัลต่างๆ มากมาย รวมเป็นเครื่องจำกัดสถานะ รีจิสเตอร์ มัลติเพล็กเซอร์ ตัวแบ่งนาฬิกา และอื่นๆ ในการสร้างซินธิไซเซอร์ เราใช้ไฟล์โมดูลาร์ที่ไม่ซ้ำกัน 10 ไฟล์ แทนที่จะทำให้แต่ละโมดูลเป็นส่วนประกอบ เราแยกไฟล์แบบแยกส่วนตามฟังก์ชัน เป็นผลให้โมดูลส่วนใหญ่มีมากกว่าหนึ่งองค์ประกอบ โปรดทราบว่ารูปภาพด้านบนแสดงทุกบล็อกที่เชื่อมโยงกันในการออกแบบยอดนิยมของเรา

เราจะหารือเกี่ยวกับแต่ละโมดูลโดยอธิบายอินพุตและเอาต์พุต แยกส่วนประกอบ และอธิบายจุดประสงค์ในการออกแบบโดยรวม ไฟล์ ZIP จะรวมอยู่ที่ด้านล่างของคำสั่ง ซึ่งมีไฟล์โค้ด VHDL ทุกไฟล์ที่ใช้ในโปรเจ็กต์

อินพุต

• Clk (สัญญาณนาฬิกาพื้นเมือง)
• PP (เล่น/หยุดชั่วคราว)
• Sel (ใส่ซินธิไซเซอร์ในโหมดการเลือก)
• มอบหมาย (กำหนดขั้นตอนให้กับสำนวนการขาย)
• ขั้นตอน (บันทึกตำแหน่ง)
• ความถี่ (สวิตช์สร้างระดับเสียงที่ต้องการ)

ผลลัพธ์

• แอโนด (แอโนด 7 ส่วน)
• แคโทด (แคโทด 7 ส่วน)
• DAC (4 บิตขับเคลื่อน DAC)

ขั้นตอนที่ 3: รายละเอียดทางเทคนิค

ขั้นตอนที่ 4: ตัวแบ่งนาฬิกา 7 ส่วน

ซินธิไซเซอร์ของเราใช้ตัวแบ่งนาฬิกาสามตัว ซึ่งทั้งหมดสร้างสัญญาณที่มีจุดประสงค์ที่แตกต่างกันในโครงการของเรา ตัวแบ่งนาฬิกาใช้สัญญาณนาฬิกาดั้งเดิมและสร้างสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงซึ่งมีความถี่ที่น้อยกว่าสัญญาณนาฬิกาดั้งเดิม นาฬิกาพื้นฐานของ Basys 3 คือ 100 MHz นี่คือความถี่ที่ตัวแบ่งนาฬิกาของเราใช้ หากคุณกำลังใช้บอร์ด FPGA อื่นที่มีความถี่สัญญาณนาฬิกาดั้งเดิมต่างกัน คุณอาจต้องแก้ไขโค้ด

ตัวแบ่งนาฬิกา 7 ส่วนสร้างสัญญาณที่ขับไฟล์ seg_display เราจะอธิบายว่าไฟล์นี้ทำงานอย่างไรในรายละเอียดมากขึ้นเมื่อเราไปที่ส่วน โดยพื้นฐานแล้ว ตัวแบ่งนาฬิกานี้สร้างสัญญาณ 240 Hz ที่จะใช้เพื่อสลับระหว่างแอโนดและแคโทดบนจอแสดงผล สัญญาณคือ 240 Hz เนื่องจากความถี่ที่ตามนุษย์ไม่สามารถรับรู้ถึงการไม่มีแสงคือ 60 Hz เราใช้ตัวเลขสองหลัก ดังนั้นการเพิ่มความถี่นี้เป็นสองเท่า แต่ละหลักจะสั่นที่ 60 Hz จากนั้นเราเพิ่มเป็นสองเท่าเพื่อให้ได้ 240 Hz เพราะระบบจะเปลี่ยนเมื่อสัญญาณสูงขึ้นเท่านั้นไม่ใช่เมื่อต่ำ

เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ตัวแบ่งใช้สัญญาณเนทีฟ 100 MHz และนับในทุกขอบที่เพิ่มขึ้น เมื่อตัวนับถึง 416667 เอาต์พุตจะเปลี่ยนจากต่ำไปสูงหรือกลับกัน

อินพุต

Clk (สัญญาณนาฬิกาพื้นเมือง)

ผลลัพธ์

Clk_7seg (เพื่อ seg_display)

ส่วนประกอบ

• D ลงทะเบียน
• MUX
• อินเวอร์เตอร์
• แอดเดอร์

ขั้นตอนที่ 5: ตัวแบ่งนาฬิกาเต้นต่อนาที

ตัวแบ่งนาฬิกา BPM ทำงานในลักษณะเดียวกัน ตัวแบ่งนี้สร้างความถี่สัญญาณนาฬิกาซึ่งขับเคลื่อนการสลับระหว่างสี่ขั้นตอนเมื่อส่งสัญญาณเสียงในสถานะการเล่น เราตัดสินใจสลับไปมาระหว่างโน้ตที่ 100 BPM ที่ 100 BPM แต่ละโน้ตจะเล่น 3/5 วินาที สัญญาณที่ได้จะมีความถี่ 1.67 Hz

เพื่อสร้างสัญญาณความถี่นี้ เราใช้ระบบการนับอีกครั้ง แต่ครั้งนี้นับได้ 60 ล้าน ทุกครั้งที่ตัวนับแตะ 60 ล้าน สัญญาณเอาต์พุตจะสลับสูงหรือต่ำ

อินพุต

Clk (ความถี่สัญญาณนาฬิกาพื้นเมือง)

ผลลัพธ์

Clk_BPM (ถึง output_FSM)

ส่วนประกอบ

• D ลงทะเบียน
• MUX
• อินเวอร์เตอร์
• แอดเดอร์

ขั้นตอนที่ 6: ตัวแบ่งนาฬิกา Pitches

ตัวแบ่งนาฬิกา Pitches เป็นตัวแบ่งนาฬิกาที่ใหญ่ที่สุดของเรา ตัวแบ่งนี้จะส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน 12 แบบซึ่งสอดคล้องกับโน้ต 12 ตัวที่เครื่องสังเคราะห์เสียงของเราสามารถเล่นได้ โดยใช้ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับทฤษฎีดนตรี เราอนุมานได้ว่าบิตหรือบัสสามารถแกว่งได้ในอัตราที่สอดคล้องกับความถี่ของโน้ตดนตรี หากต้องการดูความถี่ที่เราใช้ ดูที่นี่ เราใช้เสียงอ็อกเทฟที่สี่

ที่นี่ใช้ระบบการนับแบบเดียวกัน สำหรับค่าเฉพาะที่เรานับ โปรดดูไฟล์ชื่อ Clk_div_pitches

อินพุต

Clk (ความถี่สัญญาณนาฬิกาดั้งเดิม)

ผลลัพธ์

C, Db, D, Eb, E, F, Gb, G, Ab, A, Bb, B (เพื่อ output_select)

ส่วนประกอบ

• D ลงทะเบียน
• MUX
• อินเวอร์เตอร์
• แอดเดอร์

ขั้นตอนที่ 7: เล่น/หยุดชั่วคราว/เลือกสถานะเครื่อง

ในโครงการของเรามีเครื่องสถานะ จำกัด (FSM) สองเครื่อง FSM เป็นอุปกรณ์ลอจิกที่สามารถมีอยู่ในสถานะเดียวเท่านั้นจากจำนวนสถานะที่จำกัด การใช้ FSM วงจรดิจิทัลสามารถย้ายไปยังสถานะใหม่โดยอาศัยการรวมกันของอินพุต การใช้ตรรกะอินพุต สถานะของ FSM จะเปลี่ยนไปเมื่อมีขอบของนาฬิกาสูงขึ้น จากสถานะและอินพุตในวงจร คุณสามารถสร้างตรรกะของเอาต์พุตที่ให้เอาต์พุตที่มีอยู่ก็ต่อเมื่อ FSM อยู่ในสถานะที่แน่นอนเท่านั้น

เครื่องสถานะ PPS เป็น FSM เครื่องแรกในวงจรของเรา มีสามสถานะใน FSM นี้; โหมดเล่น หยุดชั่วคราว และการเลือก ในการเคลื่อนผ่านสถานะต่างๆ เราใช้ปุ่ม PP และปุ่ม Selection ดูแผนภาพสถานะด้านบนเพื่อดูว่าการเปลี่ยนแปลงระหว่างรัฐเกิดขึ้นได้อย่างไร เราทำการเปลี่ยนแปลง FSM นี้บนขอบที่เพิ่มขึ้นของนาฬิกา 100 MHz ดั้งเดิม เพื่อไม่ให้เครื่องไม่เปลี่ยนเมื่อกดปุ่มใดปุ่มหนึ่ง แม้จะเป็นเวลาสั้นๆ สถานะปัจจุบัน (P_state) เป็นเอาต์พุตเดียวจากโมดูลนี้

อินพุต

• Clk (ความถี่สัญญาณนาฬิกาพื้นเมือง)
• เซล (ปุ่มซ้าย)
• PP (ปุ่มขวา)

ผลลัพธ์

P_state (สถานะปัจจุบัน ถึง output_FSM, note_assign, seg_dsiplay, final_select)

ส่วนประกอบ

• MUX
• D ลงทะเบียน

ขั้นตอนที่ 8: เล่น/หยุดชั่วคราว/เลือกสถานะเครื่อง

ขั้นตอนที่ 9: ส่งออก FSM

นี่คือ FSM ที่สองที่อ้างอิงในส่วนก่อนหน้า FSM นี้ทำหน้าที่แตกต่างจากฟังก์ชันอื่น แต่พื้นฐานสำหรับฟังก์ชันนี้โดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน

เอาต์พุต FSM จะทำงานก็ต่อเมื่อสถานะปัจจุบันจาก FSM แรกคือ "01" (สถานะการเล่น) โดยพื้นฐานแล้ว นี่คือการเปิดใช้งานในโมดูล หากสถานะเป็น "01" แสดงว่า FSM จะสลับระหว่างสถานะต่างๆ บนขอบที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณนาฬิกา BPM เราทำเช่นนี้เพราะ output_FSM ควบคุมว่าเลขฐานสองใดสำหรับพิทช์ที่เลือกจะถูกส่งไปยังโมดูล output_select และ seg_display FSM มีอินพุต 16 บิตที่มาจากโมดูลกำหนดบันทึกย่อ ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป ในสถานะ "00" สำหรับ output_FSM โมดูลจะส่งออก "xxxx" สำหรับโน้ตตัวแรกที่กำหนด จากนั้นใน "01" ระบบจะส่งออก "yyyy" สำหรับโน้ตที่สองและต่อไปเรื่อยๆ สำหรับแต่ละโน้ตก่อนที่จะย้อนกลับไปยังโน้ตตัวแรก ดูแผนภาพสถานะด้านบน

FSM นี้แตกต่างจากครั้งแรกเนื่องจากไม่มีตรรกะอินพุตเพื่อควบคุมการสลับระหว่างสถานะ แต่ FSM จะทำงานก็ต่อเมื่อสถานะจาก FSM แรกเป็น "01" จากนั้น FSM จะเปลี่ยนระหว่างสถานะเฉพาะบนขอบที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณนาฬิกา ความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือโมดูลนี้มีลอจิกเอาต์พุต ซึ่งหมายความว่าไม่ได้แสดงสถานะปัจจุบัน แต่จะส่งออกเลขฐานสองสำหรับระดับเสียงที่สถานะนั้น

อินพุต

• Clk_BPM (สัญญาณนาฬิกา BPM จากตัวแบ่งนาฬิกา)
• FSM1_state (PS จาก PPS FSM)
• Pitch_in (ระดับเสียงจาก note_assign)

ผลลัพธ์

Pitch_out (ทีละหนึ่ง pitch เพื่อ output_select และ seg_display)

ส่วนประกอบ

• MUX
• D ลงทะเบียน

ขั้นตอนที่ 10: ส่งออก FSM

ขั้นตอนที่ 11: กำหนดหมายเหตุ

โมดูลการกำหนดบันทึกย่อมีหน้าที่กำหนดระดับเสียงให้กับบันทึกตำแหน่งหรือขั้นตอน โมดูลนี้ค่อนข้างง่าย อันดับแรกจะตรวจสอบว่าวงจรอยู่ในสถานะ "การเลือก" หรือไม่ และสวิตช์แบบสเต็ป (ซ้ายสุด) สูงหรือไม่ หากเป็นจริงและกดปุ่มกำหนด เอาต์พุตของโมดูลจะเท่ากับเลขฐานสองที่แสดงโดยสวิตช์ความถี่ (ขวาสุด)

ในขั้นต้น เราได้พยายามสร้างโมดูลที่จะบันทึกสัญญาณนาฬิกาพิทช์อันใดอันหนึ่งไปยังเอาต์พุต แต่เราประสบปัญหาเกี่ยวกับเอาต์พุตที่เปลี่ยนไปตามสัญญาณนาฬิกาอินพุต นี่เป็นโมดูลเดียวที่ใช้มากกว่าหนึ่งครั้งในการออกแบบขั้นสุดท้าย ทุกขั้นตอนมีโมดูล note_assign ที่เกี่ยวข้อง และด้วยเหตุนั้น แต่ละอินสแตนซ์ของโมดูลจึงได้รับบัสขั้นตอนหนึ่งบิต

อินพุต

• P_state (สถานะปัจจุบันจาก PPS FSM)
• เซล (ปุ่มซ้าย)
• สวิตช์ (สวิตช์ขั้นตอนเดียว)
• ความถี่ (สวิตช์ขวาสุดสำหรับระดับเสียง)
• กำหนด (ปุ่มด้านล่าง กำหนดโน้ต)

ผลลัพธ์

ระดับเสียง (เลขฐานสอง ไปยัง output_FSM)

ส่วนประกอบ

• MUX
• D ลงทะเบียน

ขั้นตอนที่ 12: เลือกเอาท์พุต

การเลือกเอาต์พุตมีหน้าที่รับเลขฐานสองสำหรับระดับเสียงและเชื่อมต่อกับสัญญาณนาฬิกาตามลำดับ แม้จะมีขนาดของมัน แต่ก็เป็นโมดูลที่ค่อนข้างง่าย Output_select เป็นตัวถอดรหัสไบนารีโดยพื้นฐานแล้วถอดรหัสเลขฐานสองสำหรับระดับเสียงเป็นสัญญาณนาฬิกาเฉพาะ จริงๆ แล้ว การกำหนดเอาต์พุตให้กับความถี่สัญญาณนาฬิกาทำงานได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโมดูล note_assign เนื่องจากโมดูลทั้งหมดนี้ต้องทำคือ MUX สัญญาณนาฬิกาที่มีเลขฐานสองแทนอินพุตควบคุม

เราขออภัยในการกำหนดเส้นทางที่แปลก Vivado ได้จัดสัญญาณระดับเสียงตามตัวอักษรสำหรับไฟล์ clk_div_pitches แต่สำหรับไฟล์นี้ มีการจัดระเบียบโดยการเพิ่มเลขฐานสอง ทำให้ระดับเสียงอยู่ในลำดับที่ต่างออกไป นอกจากนี้ โปรดทราบด้วยว่าหากเลขฐานสองจาก output_FSM คือ "0000" หรือมากกว่า "1100" ดังนั้น MUX จะส่งผ่านสัญญาณ '0' แบบแบน

ป้อนข้อมูล

• ระดับเสียง (จาก output_FSM);
• C, Db, D, Eb, E, F, Gb, G, Ab, A, Bb, B (สัญญาณนาฬิกาพิทช์)

เอาท์พุต

โทน (บิตเดียวที่ตรงกับสัญญาณนาฬิกาที่เลือก ถึง square_wave)

ส่วนประกอบ

MUX

ขั้นตอนที่ 13: Square Wave Gen

โมดูล square_wave เป็นเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมที่ส่งออกจากบอร์ดไปยัง DAC การใช้สัญญาณโทนจากไฟล์ก่อนหน้า square_wave นี้จะแปลงตัวเลข 4 บิตระหว่าง "0000" และ "1111" บนขอบที่เพิ่มขึ้นของ Tone โทนคือความถี่พิทช์เฉพาะ ดังนั้น square_wave จะสร้างคลื่นที่มีความถี่ต่างกันเมื่อ output_FSM เปลี่ยนเป็นสถานะอื่น เอาต์พุต 4 บิตจากโมดูลนี้ไปที่โมดูล fin_sel โดยที่ลอจิกกำหนดว่าบัสนี้จะถูกเอาต์พุตตามสถานะจาก PPS FSM หรือไม่

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมนี้คือการสร้างคลื่นไซน์ แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้โทนเสียงสุดท้ายดีขึ้น แต่ก็ยากกว่ามากที่จะนำไปใช้ ดังนั้นเราจึงเลือกที่จะสร้างคลื่นสี่เหลี่ยม

อินพุต

โทน (บิตสั่นจาก output_select)

ผลลัพธ์

DAC_input (บัส 4 บิตสั่นที่เปลี่ยนที่ความถี่เสียงเดียวกัน)

ส่วนประกอบ

• อินเวอร์เตอร์
• D ลงทะเบียน

ขั้นตอนที่ 14: การแสดงผล 7 ส่วน

โมดูล seg_display ควบคุมการแสดงผล 7 ส่วนบนบอร์ดพื้นฐานของเรา ภายในโมดูล สองกระบวนการเกิดขึ้น กระบวนการแรกจะถอดรหัส Freq เมื่ออยู่ในสถานะ "selection" หรือ Pitch เมื่ออยู่ในโหมด "play" ในโหมด "หยุดชั่วคราว" โมดูลจะถอดรหัสเพื่อแสดงสัญลักษณ์หยุดชั่วคราว เมื่อดูโค้ด VHDL คุณจะเห็นว่าตัวถอดรหัสไบนารีจริง ๆ แล้วถอดรหัสอินพุตเป็นสัญญาณที่แตกต่างกันสองแบบคือ cathode1 และ cathode2 Cathode1 แทนตัวอักษรที่สอดคล้องกับ pitch ที่จะแสดง และ cathode2 แสดงถึงสัญลักษณ์แบบแบน (b) หากมี เหตุผลนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่สองที่ทำโดยโมดูล seg_display

บนกระดาน Basy3 จอแสดงผลเซ็กเมนต์มีแคโทดทั่วไป ในขณะที่แอโนดควบคุมว่าเปิดตัวเลขใด แคโทดจะควบคุมว่าเซ็กเมนต์ใดเปิดอยู่ เนื่องจากจอแสดงผลมีแคโทดร่วม ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถแสดงกลุ่มได้ครั้งละหนึ่งชุดเท่านั้น นั่นทำให้เกิดปัญหาสำหรับโครงการนี้เพราะเราต้องการแสดงตัวอักษรที่หลักแรกและสัญลักษณ์แบนพร้อมกัน หากจำเป็น ตอนนี้จำสัญญาณนาฬิกา 7seg ได้หรือไม่? เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราเปลี่ยนแอโนดและแคโทดไปมาบนสัญญาณนาฬิกา 7seg เนื่องจากสัญญาณนาฬิกาคือ 240 Hz และเราใช้ตัวเลขสองหลัก แต่ละหลักจะแกว่งที่ 60 Hz ในสายตามนุษย์จะดูเหมือนตัวเลขไม่สั่นเลย

โปรดทราบด้วยว่าการแสดงผลของบอร์ด Basy3 ใช้ตรรกะเชิงลบ ซึ่งหมายความว่าหากตั้งค่าแอโนดหรือแคโทดเป็น '0' ตัวเลขหรือเซ็กเมนต์นั้นจะเปิดอยู่ และในทางกลับกัน

อินพุต

• ระดับเสียง (เลขฐานสองสำหรับโน้ต ใช้ในสถานะการเล่น)
• ความถี่ (สวิตช์ความถี่ ใช้เมื่ออยู่ในสถานะการเลือก)
• P_state (สถานะปัจจุบันจาก PPS FSM)
• Clk_240Hz (สัญญาณนาฬิกาจาก Clk_div_7seg, double 120 เพราะเราใช้ขอบที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น)

ผลลัพธ์

• แคโทด (บัสที่ควบคุมส่วนต่างๆ บนจอแสดงผล เอาต์พุตสุดท้าย)
• แอโนด (บัสที่ควบคุมตัวเลขบนจอแสดงผล, เอาต์พุตสุดท้าย)

ส่วนประกอบ

• สลัก
• MUX
• D ลงทะเบียน

ขั้นตอนที่ 15: Final Select

Final select เป็นโมดูลสุดท้ายที่ใช้ในโครงการนี้ โมดูลง่ายๆ อีกโมดูลหนึ่งคือโมดูลนี้ควบคุมเอาต์พุตสุดท้ายที่จะไปที่ DAC เมื่ออยู่ในสถานะ "การเลือก" หรือ "หยุดชั่วคราว" โมดูลจะส่งเสียง "0000" แบบคงที่เพื่อไม่ให้เล่นเพลงจากลำโพง ในสถานะ "เล่น" โมดูลจะส่งสัญญาณ 4 บิตที่สั่นตามที่กำหนดโดย square_wave

อินพุต

• P_state (สถานะปัจจุบันจาก PPS FSM)
• DAC_input (การสั่น 4 บิตจาก square_wave)

ผลลัพธ์

DAC (เท่ากับ DAC_input ในสถานะการเล่น เอาต์พุตสุดท้าย)

ส่วนประกอบ

MUX

ขั้นตอนที่ 16: อุปกรณ์ภายนอก: DAC

ตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) ใช้สัญญาณที่ไม่ต่อเนื่องและแปลงเป็นสัญญาณต่อเนื่อง DAC ของเรามีสี่บิตและทำจากแอมพลิฟายเออร์รวม ด้วยการใช้อัตราส่วนของตัวต้านทานในวงจรการจ่ายและป้อนกลับ เราจึงสามารถสร้างระบบที่ส่งเอาต์พุตที่ระดับต่างๆ 16 ระดับ โดยสร้าง "ผลรวม" ของแต่ละสาขา Bit0 กิ่งบนสุด มีน้ำหนักน้อยที่สุดและมีศักยภาพน้อยที่สุดเมื่อสูงเพราะกิ่งนั้นมีความต้านทานสูงกว่า น้ำหนักเพิ่มขึ้นเมื่อคุณลงไปตามกิ่งก้าน หากคุณต้องนับเลขฐานสองขึ้นแล้วถอยหลังโดยใช้อินพุตบิต แรงดันเอาต์พุตจะดูเหมือนคลื่นไซน์แบบขั้นตอน อินพุตไปยัง DAC เชื่อมต่อกับ PMOD ตัวใดตัวหนึ่งบนบอร์ดเพื่อถ่ายโอนสัญญาณ 4 บิต

เดิม DAC ถูกประกอบขึ้นสำหรับชั้นเรียนวิศวกรรมไฟฟ้า และได้รับการออกแบบและบัดกรีโดยเรา ไม่ได้ซื้อจากร้านค้า ด้านบนเป็นรูปภาพของไฟล์ออกแบบสำหรับสร้างแผงวงจรพิมพ์

ขั้นตอนที่ 17: อุปกรณ์ภายนอก: ลำโพง

สำหรับโครงการนี้ คุณจะไม่อยากซื้อลำโพงดีๆ สักตัว อย่างที่คุณบอกได้ เสียงนั้นค่อนข้างธรรมดา เราไปซื้อลำโพงคอมพิวเตอร์ราคา 8 ดอลลาร์จาก Best Buy อะไรก็ตามที่มีแจ็คหูฟังก็ใช้งานได้ดี เสียงเดียวทำงานได้ดีเช่นกัน คุณสามารถใช้หูฟังได้ แต่อาจทำให้หูฟังพังได้!

ในการเชื่อมต่อเอาท์พุตของ DAC กับลำโพง เราใช้สายจัมเปอร์ จากนั้นจับสายเคเบิลเอาท์พุตไว้ที่ปลายแจ็คหูฟังและต่อสายกราวด์กับฐาน เราลองใช้เทปพันสายไฟเพื่อยึดสายเคเบิลไว้กับที่ แต่ก็ทำให้เกิดการรบกวนได้มาก การลองใช้เทปรูปแบบอื่นสามารถแก้ปัญหานี้ได้

สำหรับลำโพงของเรา เราปรับให้เป็นการตั้งค่าสูงสุดและได้เสียงที่ดังพอสมควร

และนั่นคือขั้นตอนสุดท้ายสำหรับการสร้างซีเควนเซอร์ดิจิทัลจากบอร์ด FPGA! ไปที่สองส่วนถัดไปเพื่อดาวน์โหลดโค้ด VHDL ทั้งหมดของเราและดูซีเควนเซอร์ในการดำเนินการ

ขั้นตอนที่ 18: การสาธิตวิดีโอ

วิดีโอนี้แสดงเวอร์ชันสุดท้ายของโปรเจ็กต์การทำงาน รวมถึงกระบวนการกำหนดสวิตช์ให้กับระดับเสียงที่แตกต่างกัน 4 ระดับ และลำโพงที่เล่นโน้ตตามลำดับ

ขั้นตอนที่ 19: รหัส VHDL

นี่คือรหัสสำหรับทั้งโปรเจ็กต์ รวมถึงข้อจำกัดและไฟล์ซิมที่ใช้ขณะสร้างซีเควนเซอร์ โปรดทราบว่าไฟล์การออกแบบที่ไม่ได้ใช้พูดอย่างนั้นในสถาปัตยกรรม