【紫光同创国产FPGA教程】【第十八章】AD实验之AD7606波形显示

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适用于板卡型号：

PGL22G/PGL12G

1. 实验简介

本实验练习使用ADC，实验中使用的ADC模块型号为AN706，最大采样率200Khz，精度为16位。实验中把AN706的2路输入以波形方式在HDMI上显示出来，我们可以用更加直观的方式观察波形，是一个数字示波器雏形。

8路200K采样16位ADC模块实验预期结果

2. 实验原理

AD7606是一款集成式8通道同步采样数据采集系统，片内集成输入放大器、过压保护电路、二阶模拟抗混叠滤波器、模拟多路复用器、16位200 kSPS SAR ADC和一个数字滤波器, 2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。

AD7606采用+5V单电源供电, 可以处理±10V和±5V真双极性输入信号, 同时所有通道均以高达200KSPS的吞吐速率采样。输入钳位保护电路可以耐受最高达±16.5V的电压。

无论以何种采样频率工作, AD7606的模拟输入阻抗均为1M欧姆。它采用单电源工作方式, 具有片内滤波和高输入阻抗, 因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。

AD7606抗混叠滤波器的3dB截至频率为22kHz; 当采样速率为200kSPS时, 它具有40dB抗混叠抑制特性。灵活的数字滤波器采用引脚驱动, 可以改善信噪比(SNR), 并降低3dB带宽。

2.1 AD7606时序

AD7606可以对所有8路的模拟输入通道进行同步采样。当两个CONVST引脚(CONVSTA和CONVSTB)连在一起时， 所有通道同步采样。此共用CONVST信号的上升沿启动对所有模拟输入通道的同步采样(V1至V8)。

AD7606内置一个片内振荡器用于转换。所有ADC通道的转换时间为tCONV。BUSY信号告知用户正在进行转换， 因此当施加CONVST上升沿时，BUSY变为逻辑高电平， 在整个转换过程结束时变成低电平。BUSY信号下降沿用来使所有八个采样保持放大器返回跟踪模式。BUSY下降沿还表示，现在可以从并行总线DB[15:0]读取8个通道的数据。

2.2 AD7606配置

在AN706 8通道的AD模块硬件电路设计中，我们对AD7606的3个配置Pin脚通过加上拉或下拉电阻来设置AD7606的工作模式。

AD7606这款芯片支持外部基准电压输入或内部基准电压。如果使用外部基准电压，芯片的REFIN/REFOUT需要外接一个2.5V的基准源。如果使用内部的基准电压。REFIN/REFOUT引脚为2.5V的内部基准电压输出。REF SELECT引脚用于选择内部基准电压或外部基准电压。在本模块中，因为考虑到AD7606的内部基准电压的精度也非常高（2.49V~2.505V)，所以电路设计选择使用了内部的基准电压。

Pin脚名	设置电平	说明
REF SELECT	高电平	使用内部的基准电压2.5V

AD7606的AD转换数据采集可以采用并行模式或者串行模式， 用户可以通过设置PAR/SER/BYTE SEL引脚电平来设置通信的模式。我们在设计的时候，选择并行模式读取AD7606的AD数据。

Pin脚名	设置电平	说明
PAR/SER/BYTE SEL	低电平	选择并行接口

AD7606的AD模拟信号的输入范围可以设置为±5V或者是±10V，当设置±5V输入范围时，1LSB=152.58uV；当设置±10V输入范围时，1LSB=305.175uV 。用户可以通过设置RANGE引脚电平来设置模拟输入电压的范围。我们在设计的时候，选择±5V的模拟电压输入范围。

Pin脚名	设置电平	说明
RANGE	低电平	模拟信号输入范围选择：±5V

AD7606内置一个可选的数字一阶sinc滤波器，在使用较低吞吐率或需要更高信噪比的应用中，应使用滤波器。数字滤波器的过采样倍率由过采样引脚OS[2:0]控制。下表提供了用来选择不同过采样倍率的过采样位解码。

在AN706模块的硬件设计中, OS[2:0] 已经引到外部的接口中，FPGA或CPU可以通过控制OS[2:0]的管脚电平来选择是否使用滤波器，以达到更高的测量精度。

2.3 AD7606 AD转换

AD7606的输出编码方式为二进制补码。所设计的码转换在连续LSB整数的中间(既1/2LSB和3/2LSB)进行。AD7606的LSB大小为FSR/65536。AD7606的理想传递特性如下图所示：

2.4 程序设计

本实验显示部分是基于前面的已有的实验，在彩条上叠加网格线和波形。

timing_gen_xy模块完成视频图像的坐标生成，x坐标，从左到右增大，y坐标从上到下增大。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
clk	in	1	系统时钟
rst_n	in	1	异步复位，低电平复位
i_hs	in	1	视频行同步输入
i_vs	in	1	视频场同步输入
i_de	in	1	视频数据有效输入
i_data	in	24	视频数据输入
o_hs	out	1	视频行同步输出
o_vs	out	1	视频场同步输出
o_de	out	1	视频数据有效输出
o_data	out	24	视频数据输出
x	out	12	坐标x输出
y	out	12	坐标y输出

timing_gen_xy模块端口

grid_display模块主要完成视频的网格线叠加，本实验将彩条视频输入，然后叠加一个网格后输出，提供给后面的波形显示模块使用。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
pclk	in	1	像素时钟
rst_n	in	1	异步复位，低电平复位
i_hs	in	1	视频行同步输入
i_vs	in	1	视频场同步输入
i_de	in	1	视频数据有效输入
i_data	in	24	视频数据输入
o_hs	out	1	带网格视频行同步输出
o_vs	out	1	带网格视频场同步输出
o_de	out	1	带网格视频数据有效输出
o_data	out	24	带网格视频数据输出

grid_display模块端口

wav_display显示模块主要是完成波形数据的叠加显示，模块内含有一个双口ram，写端口是由ADC采集模块写入，读端口是显示模块。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
pclk	in	1	像素时钟
rst_n	in	1	异步复位，低电平复位
wave_color	in	24	波形颜色，rgb
adc_clk	in	1	adc模块时钟
adc_buf_wr	in	1	adc数据写使能
adc_buf_addr	in	12	adc数据写地址
adc_buf_data	in	8	adc数据，无符号数
i_hs	in	1	视频行同步输入
i_vs	in	1	视频场同步输入
i_de	in	1	视频数据有效输入
i_data	in	24	视频数据输入
o_hs	out	1	带网格视频行同步输出
o_vs	out	1	带网格视频场同步输出
o_de	out	1	带网格视频数据有效输出
o_data	out	24	带网格视频数据输出

wav_display模块端口

ad7606_sample模块有符号数转换为无符号数，最后位宽转换到8bit。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
adc_clk	in	1	adc系统时钟
rst	in	1	异步复位，高复位
adc_data	in	16	ADC数据输入
adc_data_valid	in	1	adc数据有效
adc_buf_wr	out	1	ADC数据写使能
adc_buf_addr	out	12	ADC数据写地址
adc_buf_data	out	8	无符号8位ADC数据

ad7606_sample模块端口

3. 实验现象

1. 将AN706模块插入开发板的扩展口 J8，注意1脚对齐，不要插错、插偏，不能带电操作。

2. 连接AN706的输入到信号发生器的输出，AN706模块本身没有焊接SMA插头，本实验为了方便，自行焊接了一个SMA插头。

AN706连接信号源示意图

1）连接HDMI显示器，注意：连接的是显示器，不是笔记本电脑HDMI接口

HDMI接口连接示意图

2）下载程序，调节信号发生的频率和幅度，AN706输入范围-5V-5V，为了便于观察波形数据，建议信号输入频率200hz到2Khz。观察显示器输出，红色波形为CH1输入、蓝色为CH2输入、黄色网格最上面横线代表5V，最下面横线代表-5V，中间横线代表0V，每个竖线间隔是10个采样点。