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摘 要

在现代电子测量中，示波器在各个领域都很普及，是最常用的仪器之一。我们从显示的波形中可以掌握所测信号的很多特征，这样就能更加直观深入的了解被测对象。

本设计是简易数字示波器的数据采集部分，利用Verilog硬件描述语言实现模块功能。当数字示波器工作时，它最先进行的就是数据采集部分，将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后进行存储和显示。

本次设计需要使用到的设计工具是赛灵思公司提供的Vivado设计套件，modelsim软件以及Basys3开发板。在数据采集部分需要使用开发板上的模块——XADC，从而根据状态机，实现数据采集部分完整的时序仿真。通过最后的系统调试与测量，本设计已经具备显示一定频率的信源波形的功能，达到了设计的要求。

关键字：vivado 数字示波器 模数转换

The design of simple digital oscilloscope based on Vivado software

—— data collection

Abstract

In modern electronic measurement, digital oscilloscope, as one of the most commonly used instruments, is widely applied in various fields. From the waveform，we can know many characteristics of the measured signal, so we can get more intuitive understanding of the measured object.

This design is a simple digital oscilloscope based on FPGA. In order to realize the function, it uses verilog language that belongs to hardware description language . When digital oscilloscope is working, firstly it will need data collection part , which canv convert analog signals into digital signals. Then it will perform the operation of storage and display.

This design mainly introduces the data collection module. And it need to use the design of the tools , such as Vivado design suite, modelsim software and Basys3 board. In the data collection module, we need to use the part of development board - XADC. Then according to FSM, data collection part can finish complete timing simulation. After testing the actual function , this design can display a certain range of the original waveform . So it can reach the requirements of the design.

Key Words: Vivado；Digital oscilloscope；Analog-to-digital conversion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 FPGA的发展现状 1

1.2 FPGA设计规范与要领 2

1.3 数字示波器的发展 3

1.4设计平台及开发工具 3

第二章 系统总体设计 7

2.1 系统方案选择 7

2.2 系统模块介绍 7

第三章 系统详细设计 14

3.1 系统时钟 14

3.2 数据采集模块设计 14

3.2.1 AD转换原理 14

3.2.2 数据采集 16

3.2.3 数据采集的时序分析 18

3.2.4 XADC工程仿真 20

第四章 系统调试和分析 22

4.1 数据采集的验证结果 22

4.2 IP核制作 25

4.3 示波器显示结果 26

4.4 问题及其解决方法 27

第五章 结语 30

参考文献 31

致谢 34

第一章 绪论

1.1 FPGA的发展现状

FPGA（Field Programmable Gate Array），即表示的是现场可编程门阵列的英文简称，是一种可编程器件。它是在PAL(Programmable Logic Device)、GAL(
generic array logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)等传统逻辑电路以及门阵列的基础上发展完善的电路。和以往的器件相比，有着不同的结构特点，这就在于它使用了逻辑单元阵列(Logic Cell Array)这一个全新设计概念。在FPGA里面的主要部分包括可配置逻辑模块、输出输出模块和内部连线。

FPGA利用LUT来实现组合逻辑的。其中任意一个查找表的输入端均和D触发器相接，以此来启动另外的电路或者I/O，这就构成了一个基本逻辑单元模块。这个模块除了能够实现组合逻辑之外，时序逻辑功能也能够完成。这些基本模块之间的连接方式是依靠金属连线来实现的，或者还可以通过连接到I/O模块。可以明显看出，它在处理好定制电路欠缺之处的基础上，又处理了原有的编程器件的缺点。

跟PC，单片机的开发相比，它的开发有很大的区别。FPGA真正实行的的是并行执行，针对每一个独立的部分，处理起来都有专门的芯片。这样就可以在不受其他逻辑模块运行的影响下，保证准确快速的执行任务。而且FPGA的开发要分好几个方面，从整体模块功能设计开始进行划分、分层，接着进行每一个模块的实现，最后进行调试。它可以完全经由用户本身通过软件编程进行不同的配置，实现自己想要的功能，同时能够进行反复擦写。凭借FPGA这些优点，在设计电路上会有很大的优势。以至于FPGA渐渐成为了工程师们使用的主要硬件平台。其中较常用的有阿尔特拉和赛灵思公司的FPGA。

随着现代科学技术的不断发展，导致用户需求的增加等问题的出现，这就需要较高的工作频率，对技术方面的要求慢慢增多了。然而FPGA可以将软件仿真生成的线路经过处理后下载到FPGA开发板上，工程师就可以很直观地判断逻辑功能是否实现，以及指标是否准确。即使遇到问题，需要进行部分修改，也不需要

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