ZYNQ FPGA实验——ADDA测试
文章目录
- 前言
- 一、ADDA模块介绍
- 二、添加PLL IP核
- 三、添加ILA IP核
- 四、DDS IP核和VIO IP核
- 五、编写测试程序
- 六、管脚分配
- 七、连接开发板测试
- 八、Matlab中分析输出波形
- 总结
前言
本实验是ADDA测试，具体的要求、注意事项以及开发流程如下。
ADDA测试实验流程：
1.注意，AN108是34针的插头，注意其插装位置，1脚和zynq底板对齐，不要插错。
2.黑金AN108的低通滤波器通带为0-20MHz左右。
3.基于“DDS IP 数字波形合成DAC”实验方案，使用50MHz时钟频率，使用DAC输出正弦波。
4.把DAC输出模拟信号自环给ADC的输入。
5.使用MMCM分频，给ADC提供25MHz采样时钟。
6.使用ILA捕获ADC的输出数据，不少于2048样点。
7.使用Matlab分析ADC数据频谱。
8.用VIO更改频率字，生成1MHz和3MHz的正弦信号，用Matlab分析ILA数据验证频谱正确。
本实验是基于“DDS IP 数字波形合成DAC”的，是在工程dds_test的基础上改动的，涉及到的改动或是添加的文件在文中都会提到，关于DDS IP 数字波形合成实验的具体过程可以参考博文：ZYNQ FPGA实验——DDS IP数字波形合成。
该实验亦是在ZYNQ之高速AD/DA验证实验的基础上进行的，准确的说，该实验是上述两个实验的综合。
一、ADDA模块介绍
本实验中使用的ADDA模块型号为AN108，该模块如下图所示。
其中，ADC的最大采样率为32MHz，精度为8位，DAC的最大采样率为125MHz，精度也为8位。
该ADDA模块不管是AD IN口还是DA OUT口都是通过BNC接口与外界连接的。
AN108的硬件结构图如下图所示。
DA电路由高速DA芯片AD9708、7阶巴特沃斯低通滤波器、幅度调节电路和信号输出接口组成。高速DA芯片AD9708是8位，125MSPS的DA转换芯片，内置1.2V参考电压，差分电流输出。AD9708芯片差分输出以后，为了防止噪声干扰，电路中接入了7阶巴特沃斯低通滤波器，其带宽为40MHz。在滤波器之后，连接了2片高性能的145MHz带宽的运放AD8056，以实现差分变单端、幅度调节等功能，从而使得整个电路性能得到最大限度的提升，幅度调节使用的是5K的电位器，因此最终的输出范围是-5V—5V，即10Vpp。
需要注意的是，由于电路器的精度不是很精确，最终的输出有一定误差，有可能波形幅度不能达到10Vpp，也有可能出现波形削顶等问题，这些都属正常情况。
AD电路由高速AD芯片AD9280、衰减电路和信号输入接口组成。高速DA芯片AD9280是8位，32MSPS的AD转换芯片。在信号进入芯片AD9280之前，使用一片AD8056芯片构建衰减电路，接口的输入范围是-5V至5V，通过衰减电路以后，输入范围满足AD芯片的输入范围，即0~2V，相应的转换公式如下。
黑金7020开发板与ADDA模块的连接如下图所示，开发板排针的1脚2脚和39脚40脚都在开发板上标出来了，ADDA模块的1脚2脚也在ADDA模块上标注出来了，由于AN108是34脚，而开发板的排针是40脚，因此要注意不要插反，先将ADDA模块的1脚2脚和开发板的1脚2脚口对齐，再依次从上至下插入即可。
二、添加PLL IP核
用 PLL 产生出25MHz的时钟，用于给ADC提供采样时钟。
先按照下图中的序号依次操作找到Clocking Wizard并双击打开。
在Output Clocks下添加一个时钟输出，频率设置为25MHz，其他的选项均保持默认，点击OK，然后点击Generate生成即可。
三、添加ILA IP核
ILA下各栏目的设置如下图所示。
这里设置4个探针，分别用来监测频率字控制位(2位)、频率字(24位)、ad数据(8位)和da数据(8位)。
各个探针位数的设置如下图所示。
以上各项设置成功以后点击OK，然后再点击Generate生成即可。
四、DDS IP核和VIO IP核
VIO IP核与实验ZYNQ FPGA实验——DDS IP数字波形合成相同，这里不再做变动。
DDS IP核与上面实验的不同之处在于Parameter Selection这里不再选用System Parameters，而是选择Hardware Parameters，硬件参数这里选择8位的输出宽度，因为ADDA模块最大只能传输8位宽度的数据。相位宽度与DDS IP数字波形合成实验保持一致，设置为20，如果这里位数有所变化，频率字设置代码就得相应的进行调整。
DDS总结栏目如下图所示。
其他的选项设置保持默认即可。
五、编写测试程序
本实验的文件目录结构如下图所示。
文件dds_test.v中写入的代码如下。
//该代码参考自博客：vivado VIO IP的用法，以及正点原子官方文件，见总结
`timescale 1ns / 1psmodule dds_test(input sys_clk, //系统时钟 50MHz T=20nsinput rst_n, //系统复位 //DA芯片接口output da_clk, //DA(AD9708)驱动时钟,最大支持125Mhz时钟output [7:0] da_data, //输出给DA的数据//AD芯片接口input [7:0] ad_data, //AD输入数据//模拟输入电压超出量程标志(本次试验未用到)//input ad_otr , //0:在量程范围 1:超出量程output ad_clk //AD(AD9280)驱动时钟,最大支持32Mhz时钟 );//----------VIO按键控制频率控制字（key_PINC）--------------//wire [1:0] key_PINC;vio_0 vio_0_inst (.clk(sys_clk), // input wire clk.probe_out0(key_PINC) // output wire [1 : 0] probe_out0
);//---------------信号频率控制模块--------------//
wire [23:0] Fword ; //频率字
Fword_set Fword_set_inst(//input.clk (sys_clk),.rst_n (rst_n),.key_PINC (key_PINC),//output.Fword (Fword));//---------------DDS模块--------------//
//input
wire [0:0] fre_ctrl_word_en ;
//output
wire [0:0] m_axis_data_tvalid ;
wire [7:0] m_axis_data_tdata ;
wire [0:0] m_axis_phase_tvalid ;
wire [23:0] m_axis_phase_tdata ;assign fre_ctrl_word_en=1'b1;//例化DDS IP
dds_compiler_0 dds_compiler_0_inst (.aclk (sys_clk ), // input wire aclk.s_axis_config_tvalid (fre_ctrl_word_en ), // input wire s_axis_config_tvalid.s_axis_config_tdata (Fword ), // input wire [23: 0] s_axis_config_tdata.m_axis_data_tvalid (m_axis_data_tvalid ), // output wire m_axis_data_tvalid.m_axis_data_tdata (m_axis_data_tdata ), // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata.m_axis_phase_tvalid (m_axis_phase_tvalid ), // output wire m_axis_phase_tvalid.m_axis_phase_tdata (m_axis_phase_tdata ) // output wire [23 : 0] m_axis_phase_tdata
); //例化PLL
clk_wiz_0 pll_inst(// Clock out ports.clk_out1(ad_clk), // 给ad_clk 25MHz的频率// Status and control signals.reset(~rst_n), // input reset.locked(locked), // output locked// Clock in ports.clk_in1(sys_clk) // input clk_in1);//DA数据发送
da_wave_send u_da_wave_send(.clk (sys_clk), .rst_n (rst_n),.rd_data (m_axis_data_tdata),.da_clk (da_clk), .da_data (da_data));//ILA采集AD数据
ila_0 ila_0_inst (.clk(sys_clk), // input wire clk.probe0(key_PINC), // input wire [1:0] probe0 .probe1(Fword), // input wire [23:0] probe1 .probe2(da_data), // input wire [7:0] probe2.probe3(ad_data) // input wire [7:0] probe3
); endmodule
文件Fword_set.v中写入的代码如下。
//该代码来自博客：vivado VIO IP的用法，见总结
`timescale 1ns / 1psmodule Fword_set(input clk ,input rst_n ,input [1:0] key_PINC ,output reg [23:0] Fword);always@(*)
begincase(key_PINC)0: Fword <= 'h51eb; //1Mhz 20971.52 取整209711: Fword <= 'ha3d7; //2Mhz 41943.04 取整419432: Fword <= 'hf5c2; //3Mhz 62914.56 取整62914//3: Fword <= 'h33333; //10Mhz 209715.2 取整209715endcase
endendmodule
文件da_wave_send.v中写入的代码如下。
//本代码来自正点原子
module da_wave_send(input clk , //时钟input rst_n , //复位信号，低电平有效 input [7:0] rd_data, //读出的数据//DA芯片接口output da_clk , //DA(AD9708)驱动时钟,最大支持125Mhz时钟output [7:0] da_data //输出给DA的数据
);//parameter 频率调节控制
parameter FREQ_ADJ = 8'd5; //频率调节,FREQ_ADJ的值越大,最终输出的频率越低,范围0~255//reg define
reg [7:0] freq_cnt ; //频率调节计数器//数据rd_data是在clk的上升沿更新的，所以DA芯片在clk的下降沿锁存数据是稳定的时刻
//而DA实际上在da_clk的上升沿锁存数据,所以时钟取反,这样clk的下降沿相当于da_clk的上升沿
assign da_clk = ~clk;
assign da_data = rd_data; //将读到的数据赋值给DA数据端口//频率调节计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(rst_n == 1'b0)freq_cnt <= 8'd0;else if(freq_cnt == FREQ_ADJ) freq_cnt <= 8'd0;else freq_cnt <= freq_cnt + 8'd1;
endendmodule
六、管脚分配
ADDA模块——AN108的34针排布的原理图如下。
黑金开发板的J11扩展口原理图如下。
其中，J11扩展口所对应的引脚号如下表所示。
J11管脚
信号名称
ZYNQ引脚名
ZYNQ引脚号
PIN1
GND
-
-
PIN2
+5V
-
-
PIN3
EX_IO2_1N
IO_L6N_T0_35
F17
PIN4
EX_IO2_1P
IO_L6P_T0_35
F16
PIN5
EX_IO2_2N
IO_L15N_T2_35
F20
PIN6
EX_IO2_2P
IO_L15P_T2_35
F19
PIN7
EX_IO2_3N
IO_L18N_T2_35
G20
PIN8
EX_IO2_3P
IO_L18P_T2_35
G19
PIN9
EX_IO2_4N
IO_L14N_T2_35
H18
PIN10
EX_IO2_4P
IO_L14P_T2_35
J18
PIN11
EX_IO2_5N
IO_L9N_T1_35
L20
PIN12
EX_IO2_5P
IO_L9P_T1_35
L19
PIN13
EX_IO2_6N
IO_L7N_T1_35
M20
PIN14
EX_IO2_6P
IO_L7P_T1_35
M19
PIN15
EX_IO2_7N
IO_L12N_T1_35
K18
PIN16
EX_IO2_7P
IO_L12P_T1_35
K17
PIN17
EX_IO2_8N
IO_L10N_T1_35
J19
PIN18
EX_IO2_8P
IO_L10P_T1_35
K19
PIN19
EX_IO2_9N
IO_L17N_T2_35
H20
PIN20
EX_IO2_9P
IO_L17P_T2_35
J20
PIN21
EX_IO2_10N
IO_L11N_T1_35
L17
PIN22
EX_IO2_10P
IO_L11P_T1_35
L16
PIN23
EX_IO2_11N
IO_L8N_T1_35
M18
PIN24
EX_IO2_11P
IO_L8P_T1_35
M17
PIN25
EX_IO2_12N
IO_L4N_T0_35
D20
PIN26
EX_IO2_12P
IO_L4P_T0_35
D19
PIN27
EX_IO2_13N
IO_L5N_T0_35
E19
PIN28
EX_IO2_13P
IO_L5P_T0_35
E18
PIN29
EX_IO2_14N
IO_L16N_T2_35
G18
PIN30
EX_IO2_14P
IO_L16P_T2_35
G17
PIN31
EX_IO2_15N
IO_L13N_T2_35
H17
PIN32
EX_IO2_15P
IO_L13P_T2_35
H16
PIN33
EX_IO2_16N
IO_L19N_T3_35
G15
PIN34
EX_IO2_16P
IO_L19P_T3_35
H15
PIN35
EX_IO2_17N
IO_L20N_T3_35
J14
PIN36
EX_IO2_17P
IO_L20P_T3_35
K14
PIN37
GND
-
-
PIN38
GND
-
-
PIN39
+3.3V
-
-
PIN40
+3.3V
-
-
根据上面表中各管脚对应的引脚号，结合AN108的原理图和J11扩展口的原理图，打开管脚配置界面依次分配管脚即可。
七、连接开发板测试
连接开发板，点击Generate Bitstream生成比特流文件，将其下载到开发板上。
这时候会出现hw_ila_1和hw_vios两个窗口，其中hw_vios窗口是用来调节频率字的，其中00对应1MHz，01对应2MHz，10对应3MHz，hw_ila_1窗口是用来查看输出波形的。
1MHz输出频率在ILA下观察到的输出波形如下图所示。
放大后如下图所示。
2MHz输出频率在ILA下观察到的输出波形如下图所示。
放大后如下图所示。
3MHz输出频率在ILA下观察到的输出波形如下图所示。
放大后如下图所示。
由上面的输出波形图可以看到，DA输出的正弦波比较规整圆滑，没有毛刺，而AD输入的正弦波不是特别的规则，但是大体的轮廓还是比较接近正弦波。
八、Matlab中分析输出波形
将上面ILA下不同输出频率对应的正弦波导出为CSV文件，然后在Matlab中进行分析。
新建脚本文件并写入如下代码。
csv_row6 = iladata{:,6}; %取出csv文件中的第六列数据
csv_row7 = iladata{:,7}; %取出csv文件中的第七列数据
fs=50000000; %设置采样频率为50MHz
N=4096; %采样点
n=0:N-1;
t=n/fs;
f=n*fs/N; %频率序列
figure;
subplot(2,1,1);plot(t,csv_row6);grid on;title('1MHz-DA时域波形');
y1=abs(fft(csv_row6,N));
subplot(2,1,2);plot(f,y1,'r');grid on;title('1MHz-DA频谱');
figure;
subplot(2,1,1);plot(t,csv_row7);grid on;title('1MHz-AD时域波形');
y2=abs(fft(csv_row7,N));
subplot(2,1,2);plot(f,y2,'r');grid on;title('1MHz-AD频谱');
输出频率为1MHz的DA输出图如下。
输出频率为1MHz的AD输出图如下。
同样的方法得到输出频率为2MHz和3MHz的输出图。
输出频率为2MHz的DA输出图如下。
输出频率为2MHz的AD输出图如下。
输出频率为3MHz的DA输出图如下。
输出频率为3MHz的AD输出图如下。
通过Matlab分析不同输出频率的频谱可知，1MHz、2MHz和3MHz输出频率所对应的DA输出频率和AD输入频率都是相等的，虽然AD输入端的正弦波不是特别规整，但是通过频谱图中最高的点仍然可以读出其输出频率与DA输出端的频率一致。
总结
以上就是ZYNQ FPGA实验——AD/DA测试的所有内容了，本实验是ZYNQ FPGA实验——DDS IP数字波形合成和ZYNQ之高速AD/DA验证实验这两个实验的综合，需要注意的就是在添加DDS IP核时与之前有区别，相位宽度和输出宽度如果设置不当就不会得到预想的结果，ILA探针的数量可以根据自己需要观察的信号数量确定，特别要注意一些细节的改变，否则编译时会出现错误。
本文参考资料：
正点原子–course_s1_ZYNQ那些事儿-FPGA实验篇V1.06.pdf
ALINX黑金AX7020开发板用户手册V2.2.pdf
领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0 .pdf
本文参考博文：
vivado VIO IP的用法
FPGA数字信号处理基础----Xilinx DDS IP使用