今天給大俠帶來基于 FPGA Vivado 示波器設(shè)計(jì)，開發(fā)板實(shí)現(xiàn)使用的是Digilent basys 3，話不多說，上貨。

需要源工程可以在以下資料獲取里獲取。

資料匯總|FPGA軟件安裝包、書籍、源碼、技術(shù)文檔…（2023.07.09更新）

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原理介紹

數(shù)字存儲示波器能夠?qū)?a href="http://www.asorrir.com/analog/" target="_blank">模擬信號進(jìn)行采樣、存儲以及顯示。本系統(tǒng)在DIGILENT Basys3上構(gòu)建了一個(gè)簡易數(shù)字存儲示波器，簡化框圖如下：

原理：首先，AD模塊對模擬信號進(jìn)行采樣，觸發(fā)電路根據(jù)采樣信號判斷觸發(fā)條件（例如：上升沿觸發(fā)）。滿足觸發(fā)條件后，連續(xù)采樣一定數(shù)量的點(diǎn)（本系統(tǒng)中為640個(gè)點(diǎn)），存儲到RAM中。峰峰值、頻率計(jì)算模塊對RAM中儲存的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到波形的頻率以及峰峰值；VGA模塊將波形顯示出來，并顯示計(jì)算得到的峰峰值和頻率數(shù)值。

本篇通過調(diào)用DIGILENT Basys3板上芯片中的ADC模塊，對外部電壓信號進(jìn)行采樣、存儲，并通過VGA顯示器將波形顯示出來。在DIGILENT Basys3上電之前，需要提前將DIGILENT Basys3與VGA連接好，并準(zhǔn)備好一臺信號發(fā)生器。

操作步驟

一、基于添加文件和IP

1.?新建工程項(xiàng)目

1）?雙擊桌面圖標(biāo)打開Vivado 2017.2，或者選擇開始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado 2017.2>Vivado 2017.2；

2）?點(diǎn)擊‘Create Project’，或者單擊File>New Project創(chuàng)建工程文件；

3）?將新的工程項(xiàng)目命名為‘lab4’，選擇工程保存路徑，勾選‘Create project subdirectory’，創(chuàng)建一個(gè)新的工程文件夾，點(diǎn)擊Next繼續(xù)；

4）?選擇新建一個(gè)RTL工程，勾選Do not specify sources at this time(不指定添加源文件)，先不添加源文件。點(diǎn)擊 Next繼續(xù)；

5）?選擇目標(biāo)FPGA器件：xc7a35tcpg236-1或Basys3；

6）?最后在新工程總結(jié)中，檢查工程創(chuàng)建是否有誤。沒有問題，則點(diǎn)擊Finish，完成新工程的創(chuàng)建。

2.?添加已經(jīng)設(shè)計(jì)好的IP和源文件

工程建立完畢，我們將設(shè)計(jì)所需的IP文件夾(IP_Catalog)和實(shí)驗(yàn)需要使用的HDL(Verilog)文件復(fù)制到已經(jīng)創(chuàng)建的工程文件夾根目錄下：

源文件位于Basys3_workshopsourceslab4SrcHDL_source

復(fù)制完成后，如下圖所示：

1)?在Vivado界面左側(cè)Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇‘Settings’；

2)?彈出窗口中，在左側(cè)Project Settings中展開IP一項(xiàng)，選擇‘Repository’，點(diǎn)擊右側(cè)的添加IP；

3)?選擇復(fù)制到工程文件夾根目錄下的IP文件夾；

4)?點(diǎn)擊OK完成添加。

5)?添加IP至工程

5.1 在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇IP Catalog；

5.2 在右側(cè)IP Catalog窗口的搜索框中搜索‘clocking’，雙擊‘Clocking Wizard’開始配置IP；

5.3?配置IP

5.3.1?將IP的名字由‘clk_wiz_0’修改為‘clock’

5.3.2?選擇‘Output Clocks’，設(shè)置7路輸出時(shí)鐘（100MHz、25MHz、12.5MHz、25MHz、50MHz、75MHz、100MHz）

5.3.3?在Enable Optional I/O for MMCM/PLL一項(xiàng)中取消勾選‘reset’和‘locked’選項(xiàng)

5.3.4?Vivado會創(chuàng)建新的文件夾保存配置完成的IP，點(diǎn)擊OK繼續(xù)

5.3.5 彈出Generate Output Products窗口，在Synthesis Options中選擇‘Global’，點(diǎn)擊‘Generate’繼續(xù)。

5.4 同樣的，依次在IP Catalog窗口中添加debounce、vga和xadc三個(gè)IP，使用默認(rèn)IP設(shè)置，無需另外配置，并且Generate Output Products，完成后Sources窗格中如下圖所示：

6)?添加HDL文件至工程

6.1?在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇Add Sources

6.2?在導(dǎo)向窗口中選擇‘Add or create design sources’，點(diǎn)擊Next繼續(xù)

6.3?在Add or Create Design Sources頁面中選擇‘Add Files’

6.4 找到lab4根目錄，選中添加所有9個(gè)Verilog文件。

6.5 勾選‘Copy sources into project’，點(diǎn)擊Finish完成添加。

6.6 完成后Sources窗格中如下圖所示：

7)?添加物理約束(XDC)文件

7.1 在Flow Navigator中展開PROJECT MANAGER，選擇Add Sources；

7.2 在導(dǎo)向窗口中選擇‘Add or create constraints’，點(diǎn)擊Next繼續(xù)；

7.3 在Add or Create Design Sources頁面中選擇‘Add Files’；

7.4 找到約束文件路徑Basys3_workshopsourceslab4SrcConstraint，選中并添加‘oscilloscope.xdc’文件；

7.5 勾選‘Copy sources into project’，點(diǎn)擊Finish完成添加。

3.?綜合、實(shí)現(xiàn)、生成比特流文件

1)?在左側(cè)Flow Navigator中依次點(diǎn)擊‘Run Synthesis’、‘Run Implementation’和‘Generate Bitstream’執(zhí)行綜合、實(shí)現(xiàn)和生成比特流文件操作。或者，可以直接點(diǎn)擊‘Generate Bitstream’，Vivado工具會提示沒有已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，點(diǎn)擊‘Yes’，Vivado工具會依次執(zhí)行綜合、實(shí)現(xiàn)和生成比特流文件。

2)?完成后，選擇‘Open Hardware Manager’打開硬件管理器。

3)?連接Basys3開發(fā)板，點(diǎn)擊‘Open target’，選擇‘Auto connect’。

4)?連接完成后，點(diǎn)擊‘Program device’。

5)?檢查彈出框中所選中的bit文件，然后點(diǎn)擊Program進(jìn)行下載。

二、?基于Tcl

1.?運(yùn)行Tcl，創(chuàng)建新的工程

1）?打開Vivado 2017.2，在界面底部Tcl命令框輸入命令；

2）?使用‘cd’命令，進(jìn)入Oscilloscope.tcl文件所在路徑。參考路徑：C:Basys3_workshopsourceslab4SrcTcl，在Tcl命令框輸入：cd C:/Basys3_workshop/sources/lab4/Src/Tcl (注意：Vivado使用‘/’)；

3）?在Tcl命令框中，輸入命令：source ./ Oscilloscope.tcl。輸入完畢按回車，運(yùn)行Tcl；

4）?等待Tcl綜合、實(shí)現(xiàn)、生成比特流文件；

5）?在Flow Navigator中，展開PROGRAM AND DEBUG，點(diǎn)擊Open Hardware Manager，點(diǎn)擊Open target>Auto Connect 連接Basys3；

6）?點(diǎn)擊Program device，選擇生成的比特流文件開始下載。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

待比特流文件下載完成后，可以將信號發(fā)生器的探頭連接至Basys3 的JXADC的P極，并將JXADC的N極連接信號發(fā)生器的地。本實(shí)驗(yàn)，簡易示波器的可測電壓范圍為 0-1V，頻率為 4KHz 以下。可以在VGA上觀測波形。如果波形顯示比較密集，那就需要更改采樣時(shí)鐘，通過按Basys3開發(fā)板上的BTNC按鍵來改變采樣時(shí)鐘，以此來改變波形顯示密集程度。

1.?基于Analog Discovery2

按照下圖連接方式，將Analog Discovery2的波形發(fā)生器的輸出引線W1（黃色）和W2（黃白色）與Basys3的JXADC的pin1和pin7相連接。

1）?打開WaveForms軟件，連接Analog Discovery2設(shè)備

2）?在左側(cè)的功能選擇欄選擇‘Wavegen’，使用波形發(fā)生器。

3）?根據(jù)本實(shí)驗(yàn)示波器設(shè)計(jì)的輸入標(biāo)準(zhǔn)，將波形幅值設(shè)置為400mV，直流偏移量設(shè)置為500mV，輸入的頻率可以選擇為100H~5kHz之間

4）?點(diǎn)擊左上角‘Run All’開始運(yùn)行。按下Basys3開發(fā)板上BTNC按鈕進(jìn)行采樣頻率調(diào)節(jié)，在VGA顯示器上觀察輸出結(jié)果

2.?基于OpenScope

按照下圖連接方式，將OpenScope的波形發(fā)生器的輸出引線W1（黃色）與Basys3的JXADC的pin1相連接。

1）?打開Digilent Agent

2）?在Windows工具欄右側(cè)，右鍵Digilent Agent圖標(biāo)，選擇‘Launch WaveForms Live’，在瀏覽器中打開WaveForms Live。

3）?選擇在實(shí)驗(yàn)二中已經(jīng)添加的設(shè)備，點(diǎn)擊連接該設(shè)備

4）?在右側(cè)找到并展開Wavegen（波形發(fā)生器），按以下參數(shù)進(jìn)行配置：

選擇正弦波

Frequency：2 kHz

Amplitude：1 Vpp

DC Offset：1.4 V

5）?點(diǎn)擊右上角開關(guān)按鈕，打開波形發(fā)生器。

6）?在VGA顯示器上觀察輸出結(jié)果，可以使用Basys3開發(fā)板上BTNC按鈕進(jìn)行采樣頻率調(diào)節(jié)。

編輯：黃飛

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