实验题目：基于 VGA 接口的简易数字示波器

1. 课程简要信息

模拟电路与数字系统（三）实验（微机原理实验），32 学时，信息大类各专业，大学三年级

2. 实验内容与任务（限 500 字）

基于 MicroBlaze 软核微处理器 Nexys4 实验平台实现具有以下功能的简单数字示波器。

功能需求分为两个层次：

基本功能：

（1）采集一路单极性模拟信号进行数字化存储。
（2）VGA 接口显示器图形化显示所采集的波形。
（3）波形水平时基和幅度刻度显示可调节。
（4）显示器正确显示当前时基和幅度刻度单位。
（5）触发电平可调节

拓展功能：

（1）同时采集两路模拟信号。
（2） 双通道同时显示，且可独立调整各通道垂直、水平位置和幅度刻度。（3） 双通道 x-y 显示。
（4） 测量并显示输入波形的频率、峰峰值。
（5） 支持单极性、双极性模拟信号切换
（6） 信号峰峰值大于 1V
（7）其他示波器功能

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习了解一般数字示波器的工作原理；
2）根据数字示波器的工作原理，设计系统模块框架，并确立各模块的主要功能和模块之间的接口；
3） 根据 Nexys4 实验平台及 MicroBlaze 微处理器特点，调研实现方案；
4） 确定各 IO 模块与 MicroBlaze 微处理器之间的数据通信方式：查询方式、中断方式还是 DMA 方式；
5） 基于 VGA 接口图形显示原理，规划显存空间布局以及波形显示区域；
6） 根据显示器分辨率、被采集信号频率范围、AD 模块最高转换速率，确定 AD采样深度以及采样频率与波形时基参数之间的调节关系；
7） 分析波形连续、稳定显示的影响因素；
8）搭建测试环境，将简易数字示波器测量的不同波形信号与实际示波器测量结果进行比较分析
9）撰写设计总结报告，并分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。
10） 录制实验过程精彩片段视频以及作品展示视频

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用数字、模拟电子技术以及计算机软、硬件系统解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用信号调节（放大、衰减）、模数、数模信号转换、VGA 图形数据显示、参数设定、触发电平控制、以及计算机 IO 接口数据传输控制、软硬件协同设计等相关知识与技术方法。并涉及测量仪器精度等工程概念与方法。

5. 教学目标与目的（限 100字）

在较为完整的工程项目实现过程中，引导学生了解计算机图形显示原理、接口控制原理；引导软硬件协同设计；通过同一工程项目的多种实现方案及各种技术方案的比较分析，引导学生根据工程需求合理选择技术方案。

6. 教学设计与引导

本实验是一个完整的数字系统工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）AD 转换器转换速度对数字示波器测量信号频率范围的影响，以及在 AD 转换器硬件确定的条件下，影响数字示波器测量信号的频率范围因素有哪些，如分析、测试 AD 接口不同数据传输控制（查询、中断、DMA）方式下，AD 模块采样速度的差别。
2）时域波形转换到平面空间图形的转换方案，介绍软件实现方案、硬件实现方案、软硬件协同实现（可编程硬件）方案等。
3）VGA 接口图形显示部分，实时显示需不断读取显存内容，实时采集信号需实时更新显存内容，此时将存在显存访问冲突和总线共享冲突问题，如何采取相关策略解决这些冲突，如多端口存储技术、多总线技术、DMA 技术等的引入。
4）讨论波形稳定显示的条件，触发方式实现方案——纯软件或软、硬件结合，并讨论两种不同实现方案的优缺点。
5）讨论时基参数对波形显示连续度的影响，单位时间刻度越大，通常要求采样频率越高，如何动态改变采样频率——软件延时或硬件定时器；若采样频率一定，如何通过软件算法对存储的波形数据进行插值处理以实现波形显示的连续。
6）微处理器是整个项目的核心控制模块，如何合理协调各个模块对 CPU 资源的占用率是提高系统整体性能的一个重要影响因素。CPU 资源的占用主要表现在软件代码量上。系统整体设计时，需根据各个模块的性能需求，平衡各个模块对 CPU的依赖程度，即可根据需要采取软硬件协同设计。
7）本项目为综合项目，为方便分析性能指标影响因素，要求学生在完成各个模块时，分别测试单模块的性能指标，并在逐步集成的同时，不断积累相关性能指标参数，学会发现和分析影响系统性能指标的因素。
8）实验完成后，需组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

这是一个综合工程项目，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；实现之前，需组织学生小组讨论方案的可行性以及预期性能指标。

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

2） 实现方案

简易数字示波器整体方案可以分为两大类：基于微处理器的软硬件结合方案和纯硬件电路方案。本课程培养目标是掌握计算机系统接口和程序设计技术，因此要求基于微处理器。但是即使基于微处理器，各个模块的实现方案也较多，而且还可以通过权衡软硬件设计中各个部分的工作量和性能，采用相应的方案。

AD 转换模块在计算机接口电路中既可以采用串行接口的 AD 转换芯片，也可以采用并行接口的 AD 转换芯片，还可以是 Nexys4 FPGA 内部集成的 AD 转换器。AD 转换后的数据可以由 CPU 通过查询或中断方式读入数据存储器，也可以由 DMA 控制器读入存储器，还可以直接由硬件电路（地址计数器）产生相应时序的存储器地址和写控制信号，直接存入数据存储器。

简易示波器的触发信号直接采用信号源，触发电平可以直接由程序根据 AD 转换的结果进行判断，确定触发点，之后再进行数据存储记录；也可以由硬件电路产生触发电平（DA 转换器），经比较器产生中断信号之后，再由 CPU 启动 AD 转换并开始记录数据；还可以由硬件触发电平比较电路产生使能信号，控制地址计数器的工作状态转换，实现波形数据的稳定显示。

测频、测幅的实现方案：一是通过查找存储在数据存储器中波形数据的最大值、最小值以及过零值等特征数据，由软件按照定义计算出信号的频率、周期、峰峰值、有效值等波形参数。二是由硬件测频、测幅电路测量之后，由 CPU 读入测量结果。测频电路通常由整形电路和计数器构成，而测幅电路则可由 DA 转换器和比较器构成，DA 转换器的精度将影响测幅的准确度。

数据存储器既要存储 AD 转换结果，同时还要将波形数据传送给显示存储器以便VGA 接口进行图形化显示，由于波形数据按照时间顺序先入先出，因此可以采用 FIFO双端口存储器来实现。

显示存储器既要接收波形数据，也需提供数据给 VGA 接口电路进行扫描点亮显示器相应的位置，因此需为双端口存储器。由于显存除了波形数据之外，还需保存其他字符数据等，因此不能为 FIFO 存储器，需为随机写入存储器。

存储在数据存储器中的波形数据转换为显存图形位置数据时，要求将 AD 转换结果的数据（幅度）转换为显示位置的垂直位置，而 AD 转换结果的存储地址（时间）转换为显示位置的水平位置，最后再合成为显存的地址。转换关系式的具体参数由设定的显示幅度刻度、时基刻度、AD 采样频率决定。因此对某特定的幅度刻度、时基刻度、AD采样频率，转换关系式是确定的，而不同的幅度刻度、时基刻度、AD 采样频率，转换关系式参数需相应调整。该转换过程既可以由软件实现，也可以由硬件电路实现。若由硬件电路实现，要求该硬件电路可编程控制以实现幅度刻度和时基刻度可调节。

8. 教学实施进程

1） 课程开始时，项目选题公布，提出设计需求、给出部分设计草案，并展示往届学生作品，以增强学生的自信心和学习动力。同时公布项目进展阶段各个检查节点。项目以小组为单位开展，小组成员 2-3 人。并将实验平台发放给学生，以便学生课后训练。

2） 开课 4 周后，要求学生自行组队提交设计方案草案，并与指导教师以小组为单位探讨设计方案的可行性。

3） 课程开展过程中，训练学生各个相关模块的独立实验内容：如 AD 转换、DA 转换、查询接口程序设计、中断接口程序设计、DMA 方式接口设计、VGA 接口程序设计。并提供相关独立模块的实验过程案例和详尽的实验步骤。针对部分单元模块实验，提供实验教学视频，以便学生课后学习。

4） 课程最后两周时间，提供开放实验时间，以便学生利用实验室仪器设备调试和测试设计。

5） 最后一周现场验收学生作品，并以小组为单位在班级内现场以 PPT 形式讲解实验方案，展示作品及实验过程视频。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2）实现方案论证
3）系统架构分析
4） 模块实现方案（硬件电路原理图、框图、软件算法、程序流程）
5） 单元模块测试方法、系统测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8）实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如被测信号的频率范围、幅度范围，波
形显示的准确度、稳定度等），完成时间。
2） 实验质量：实现方案的合理性，接口技术运用的多样性，扩展功能的完成度。
3） 自主创新：功能构思、设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验数据：测试数据和测量误差的完备性。
5） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。
6） 作品展示：成果视频展示的完善度、团队成员的参与度
7） 讲演答辩：实验原理、关键技术表述清晰度（文字和口头）

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性，工程能力训练的全面性（团队合作、文档撰写、口头讲演、软硬件设计与实现）。

实验案例信息表