基于Digilent basys 3开发板的FPGA示波器设计

今天给大侠带来基于 FPGA Vivado 示波器设计，开发板实现使用的是Digilent basys 3，话不多说，上货。

需要源工程可以在以下资料获取里获取。

资料汇总|FPGA软件安装包、书籍、源码、技术文档…（2023.07.09更新）

 

原理介绍

数字存储示波器能够将模拟信号进行采样、存储以及显示。本系统在DIGILENT Basys3上构建了一个简易数字存储示波器，简化框图如下：

原理：首先，AD模块对模拟信号进行采样，触发电路根据采样信号判断触发条件（例如：上升沿触发）。满足触发条件后，连续采样一定数量的点（本系统中为640个点），存储到RAM中。峰峰值、频率计算模块对RAM中储存的波形数据进行计算，得到波形的频率以及峰峰值；VGA模块将波形显示出来，并显示计算得到的峰峰值和频率数值。

本篇通过调用DIGILENT Basys3板上芯片中的ADC模块，对外部电压信号进行采样、存储，并通过VGA显示器将波形显示出来。在DIGILENT Basys3上电之前，需要提前将DIGILENT Basys3与VGA连接好，并准备好一台信号发生器。

操作步骤

一、基于添加文件和IP

1. 新建工程项目

1） 双击桌面图标打开Vivado 2017.2，或者选择开始>所有程序>Xilinx Design Tools> Vivado 2017.2>Vivado 2017.2；

2） 点击‘Create Project’，或者单击File>New Project创建工程文件；

3） 将新的工程项目命名为‘lab4’，选择工程保存路径，勾选‘Create project subdirectory’，创建一个新的工程文件夹，点击Next继续；

4） 选择新建一个RTL工程，勾选Do not specify sources at this time(不指定添加源文件)，先不添加源文件。点击 Next继续；

5） 选择目标FPGA器件：xc7a35tcpg236-1或Basys3；

6） 最后在新工程总结中，检查工程创建是否有误。没有问题，则点击Finish，完成新工程的创建。

2. 添加已经设计好的IP和源文件

工程建立完毕，我们将设计所需的IP文件夹(IP_Catalog)和实验需要使用的HDL(Verilog)文件复制到已经创建的工程文件夹根目录下：

源文件位于Basys3_workshopsourceslab4SrcHDL_source

复制完成后，如下图所示：

1) 在Vivado界面左侧Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择‘Settings’；

2) 弹出窗口中，在左侧Project Settings中展开IP一项，选择‘Repository’，点击右侧的添加IP；

3) 选择复制到工程文件夹根目录下的IP文件夹；

4) 点击OK完成添加。

5) 添加IP至工程

5.1 在Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择IP Catalog；

5.2 在右侧IP Catalog窗口的搜索框中搜索‘clocking’，双击‘Clocking Wizard’开始配置IP；

5.3 配置IP

5.3.1 将IP的名字由‘clk_wiz_0’修改为‘clock’

5.3.2 选择‘Output Clocks’，设置7路输出时钟（100MHz、25MHz、12.5MHz、25MHz、50MHz、75MHz、100MHz）

5.3.3 在Enable Optional I/O for MMCM/PLL一项中取消勾选‘reset’和‘locked’选项

5.3.4 Vivado会创建新的文件夹保存配置完成的IP，点击OK继续

5.3.5 弹出Generate Output Products窗口，在Synthesis Options中选择‘Global’，点击‘Generate’继续。

5.4 同样的，依次在IP Catalog窗口中添加debounce、vga和xadc三个IP，使用默认IP设置，无需另外配置，并且Generate Output Products，完成后Sources窗格中如下图所示：

6) 添加HDL文件至工程

6.1 在Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择Add Sources

6.2 在导向窗口中选择‘Add or create design sources’，点击Next继续

6.3 在Add or Create Design Sources页面中选择‘Add Files’

6.4 找到lab4根目录，选中添加所有9个Verilog文件。

6.5 勾选‘Copy sources into project’，点击Finish完成添加。

6.6 完成后Sources窗格中如下图所示：

7) 添加物理约束(XDC)文件

7.1 在Flow Navigator中展开PROJECT MANAGER，选择Add Sources；

7.2 在导向窗口中选择‘Add or create constraints’，点击Next继续；

7.3 在Add or Create Design Sources页面中选择‘Add Files’；

7.4 找到约束文件路径Basys3_workshopsourceslab4SrcConstraint，选中并添加‘oscilloscope.xdc’文件；

7.5 勾选‘Copy sources into project’，点击Finish完成添加。

3. 综合、实现、生成比特流文件

1) 在左侧Flow Navigator中依次点击‘Run Synthesis’、‘Run Implementation’和‘Generate Bitstream’执行综合、实现和生成比特流文件操作。或者，可以直接点击‘Generate Bitstream’，Vivado工具会提示没有已经实现的结果，点击‘Yes’，Vivado工具会依次执行综合、实现和生成比特流文件。

2) 完成后，选择‘Open Hardware Manager’打开硬件管理器。

3) 连接Basys3开发板，点击‘Open target’，选择‘Auto connect’。

4) 连接完成后，点击‘Program device’。

5) 检查弹出框中所选中的bit文件，然后点击Program进行下载。

二、 基于Tcl

1. 运行Tcl，创建新的工程

1） 打开Vivado 2017.2，在界面底部Tcl命令框输入命令；

2） 使用‘cd’命令，进入Oscilloscope.tcl文件所在路径。参考路径：C:Basys3_workshopsourceslab4SrcTcl，在Tcl命令框输入：cd C:/Basys3_workshop/sources/lab4/Src/Tcl (注意：Vivado使用‘/’)；

3） 在Tcl命令框中，输入命令：source ./ Oscilloscope.tcl。输入完毕按回车，运行Tcl；

4） 等待Tcl综合、实现、生成比特流文件；

5） 在Flow Navigator中，展开PROGRAM AND DEBUG，点击Open Hardware Manager，点击Open target>Auto Connect 连接Basys3；

6） 点击Program device，选择生成的比特流文件开始下载。

设计验证

待比特流文件下载完成后，可以将信号发生器的探头连接至Basys3 的JXADC的P极，并将JXADC的N极连接信号发生器的地。本实验，简易示波器的可测电压范围为 0-1V，频率为 4KHz 以下。可以在VGA上观测波形。如果波形显示比较密集，那就需要更改采样时钟，通过按Basys3开发板上的BTNC按键来改变采样时钟，以此来改变波形显示密集程度。

1. 基于Analog Discovery2

按照下图连接方式，将Analog Discovery2的波形发生器的输出引线W1（黄色）和W2（黄白色）与Basys3的JXADC的pin1和pin7相连接。

1） 打开WaveForms软件，连接Analog Discovery2设备

2） 在左侧的功能选择栏选择‘Wavegen’，使用波形发生器。

3） 根据本实验示波器设计的输入标准，将波形幅值设置为400mV，直流偏移量设置为500mV，输入的频率可以选择为100H~5kHz之间

4） 点击左上角‘Run All’开始运行。按下Basys3开发板上BTNC按钮进行采样频率调节，在VGA显示器上观察输出结果

2. 基于OpenScope

按照下图连接方式，将OpenScope的波形发生器的输出引线W1（黄色）与Basys3的JXADC的pin1相连接。

1） 打开Digilent Agent

2） 在Windows工具栏右侧，右键Digilent Agent图标，选择‘Launch WaveForms Live’，在浏览器中打开WaveForms Live。

3） 选择在实验二中已经添加的设备，点击连接该设备

4） 在右侧找到并展开Wavegen（波形发生器），按以下参数进行配置：

选择正弦波

Frequency：2 kHz

Amplitude：1 Vpp

DC Offset：1.4 V

5） 点击右上角开关按钮，打开波形发生器。

6） 在VGA显示器上观察输出结果，可以使用Basys3开发板上BTNC按钮进行采样频率调节。

编辑：黄飞