基于Digilent basys 3開發板的FPGA示波器設計

今天給大俠帶來基于 FPGA Vivado 示波器設計，開發板實現使用的是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、技術文檔…（2023.07.09更新）

原理介紹

數字存儲示波器能夠將模擬信號進行采樣、存儲以及顯示。本系統在DIGILENT Basys3上構建了一個簡易數字存儲示波器，簡化框圖如下：

原理：首先，AD模塊對模擬信號進行采樣，觸發電路根據采樣信號判斷觸發條件（例如：上升沿觸發）。滿足觸發條件后，連續采樣一定數量的點（本系統中為640個點），存儲到RAM中。峰峰值、頻率計算模塊對RAM中儲存的波形數據進行計算，得到波形的頻率以及峰峰值；VGA模塊將波形顯示出來，并顯示計算得到的峰峰值和頻率數值。

本篇通過調用DIGILENT Basys3板上芯片中的ADC模塊，對外部電壓信號進行采樣、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，并準備好一臺信號發生器。

操作步驟

一、基于添加文件和IP

1.?新建工程項目

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

2）?點擊‘Create Project’，或者單擊File>New Project創建工程文件；

3）?將新的工程項目命名為‘lab4’，選擇工程保存路徑，勾選‘Create project subdirectory’，創建一個新的工程文件夾，點擊Next繼續；

4）?選擇新建一個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。點擊 Next繼續；

5）?選擇目標FPGA器件：xc7a35tcpg236-1或Basys3；

6）?最后在新工程總結中，檢查工程創建是否有誤。沒有問題，則點擊Finish，完成新工程的創建。

2.?添加已經設計好的IP和源文件

工程建立完畢，我們將設計所需的IP文件夾(IP_Catalog)和實驗需要使用的HDL(Verilog)文件復制到已經創建的工程文件夾根目錄下：

源文件位于Basys3_workshopsourceslab4SrcHDL_source

復制完成后，如下圖所示：

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

2)?彈出窗口中，在左側Project Settings中展開IP一項，選擇‘Repository’，點擊右側的添加IP；

3)?選擇復制到工程文件夾根目錄下的IP文件夾；

4)?點擊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’，設置7路輸出時鐘（100MHz、25MHz、12.5MHz、25MHz、50MHz、75MHz、100MHz）

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

5.3.4?Vivado會創建新的文件夾保存配置完成的IP，點擊OK繼續

5.3.5 彈出Generate Output Products窗口，在Synthesis Options中選擇‘Global’，點擊‘Generate’繼續。

5.4 同樣的，依次在IP Catalog窗口中添加debounce、vga和xadc三個IP，使用默認IP設置，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?在導向窗口中選擇‘Add or create design sources’，點擊Next繼續

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Verilog文件。

6.5 勾選‘Copy sources into project’，點擊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 在導向窗口中選擇‘Add or create constraints’，點擊Next繼續；

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’，點擊Finish完成添加。

3.?綜合、實現、生成比特流文件

1)?在左側Flow Navigator中依次點擊‘Run Synthesis’、‘Run Implementation’和‘Generate Bitstream’執行綜合、實現和生成比特流文件操作。或者，可以直接點擊‘Generate Bitstream’，Vivado工具會提示沒有已經實現的結果，點擊‘Yes’，Vivado工具會依次執行綜合、實現和生成比特流文件。

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

3)?連接Basys3開發板，點擊‘Open target’，選擇‘Auto connect’。

4)?連接完成后，點擊‘Program device’。

5)?檢查彈出框中所選中的bit文件，然后點擊Program進行下載。

二、?基于Tcl

1.?運行Tcl，創建新的工程

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，運行Tcl；

4）?等待Tcl綜合、實現、生成比特流文件；

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

6）?點擊Program device，選擇生成的比特流文件開始下載。

設計驗證

待比特流文件下載完成后，可以將信號發生器的探頭連接至Basys3 的JXADC的P極，并將JXADC的N極連接信號發生器的地。本實驗，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鐘，通過按Basys3開發板上的BTNC按鍵來改變采樣時鐘，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。