Digitaltechnik Praktikum Versuch 6 - VGA Signal

In diesem ersten Versuch geht es um die Analyse des VGA Signals mit dem Logikanalysator und den Entwurf einer Schaltung zur Erzeugung des horizontalen Synchronisationssignals.

Vorbereitung

Zur Vorbereitung des Versuchs müssen Sie sich in die Funktion der VGA Schnittstelle vertraut machen. Die folgenden Links beschreiben die Funktionsweise der VGA Schnittstelle.

http://en.wikipedia.org/wiki/Video_Graphics_Array

http://lslwww.epfl.ch/pages/teaching/cours_lsl/ca_es/VGA.pdf

http://martin.hinner.info/vga

http://www.tinyvga.com/vga-timing/640x480@60Hz

Im DE1 Usermanual

https://www.hs-augsburg.de/~beckmanf/restricted/DE1_V.1.0.1_CDROM/DE1_user_manual/DE1_UserManual_v1.2.1.pdf

ist die Verschaltung des VGA Anschlusses FPGA in Kapitel 4.6 dargestellt.

Fragen zur Vorbereitung

  1. Wozu dient ein VGA Anschluss? Was kann man an einen VGA Anschluss anschliessen?
  2. Was wird über die drei Anschlüsse R, G und B über den VGA Anschluss übertragen?
  3. Wie schnell können sich die Signale an R, G und B bei einer Videoauflösung von 640×480 ändern?
  4. Was sind die minimale und die maximale Spannung der R, G und B Signale?
  5. Was bedeutet Pixeltakt? Welche Frequenz hat der Pixeltakt bei einer Auflösung von 640×480 Punkten?
  6. Was passiert in einem Röhrenmonitor wenn das HSYNC Signal aktiv ist?
  7. Was passiert in einem Röhrenmonitor wenn das VSYNC Signal aktiv ist?
  8. Ist die Frequenz des HSYNC Signals größer oder kleiner als die des VSYNC Signals?
  9. Was ist die front porch und die back porch time?
  10. Ist die front porch time für das VSYNC Signal länger oder kürzer als die front porch time für das HSYNC Signal?
  11. Warum kann man die Länge des HSYNC Signals in Pixeln und die Länge des VSYNC Signals in Zeilen angeben?
  12. Was ist die typische Leitungsimpedanz eines VGA Kabels?
  13. Welche Spannung stellt sich am VGA Steckerpin R ein, wenn VGA_R0 bis VGA_R2 auf “L” und VGA_R3 auf “H” liegen? Die Namen beziehen sich auf Figure 4.11 im DE1 Usermanual.
  14. Welche Farbe wird ein Pixel haben, wenn alle Signale VGA_R(3..0), VGA_G(3..0), VGA_B(3..0) auf “L” liegen?
  15. Welche Farbe wird ein Pixel haben, wenn alle Signale VGA_R(3..0), VGA_G(3..0), VGA_B(3..0) auf “H” liegen?

Laboraufgaben

Lassen Sie im Labor diese Checkliste V6 von den Betreuern abzeichnen. Installieren Sie das Projektverzeichnis mit

git clone https://git.etech.fh-augsburg.de/friedrich.beckmann/digilab_vga.git

Analyse des VGA DAC

Auf dem DE1 Board befindet sich der VGA Digital-Analog Wandler (DAC). Der Schaltplan des DE1 Boards ist hier:

https://www.hs-augsburg.de/~beckmanf/restricted/DE1_V.1.0.1_CDROM/DE1_schematics/de1_v11a.pdf

Bei dem DAC soll die statische Übertragunskennlinie analytisch und experimentell untersucht werden. Die Ergebnisse werden mit einer idealen Kennlinie verglichen. Für alle Untersuchungen sind handschriftliche Aufzeichnungen notwendig.

  • Es werden vier Teams aus den Laborgruppen gebildet. Zwei Teams untersuchen den DAC analytisch und zwei Teams experimentell. Jedes Team hat maximal vier Mitglieder.
  • Die (2er) Gruppen in den Teams arbeiten zunächst unabhängig voneinander und notieren die Ergebnisse auf einem Zettel.
  • Die 2er Gruppen vergleichen dann die Ergebnisse mit den Ergebnissen der anderen Gruppe im Team.
  • Jedes Team entwirft ein Flipchart mit den Ergebnissen. Jedes Teammitglied muss die Ergebnisse erläutern können. So entstehen insgesamt vier Flipcharts.
  • Jedes Team teilt sich auf. Die eine Hälfte des Teams bleibt bei dem eigenen Flipchart um Fragen zu beantworten (Erklärer). Die andere Hälfte (Wanderer) besucht reihum die anderen Flipcharts. Beim Zeitzeichen geht jede Wandergruppe eine Station weiter.
  • Danach tauschen die Wanderer und die Erklärer ihre Rollen.

Analytische Untersuchung des DAC

  1. Finden Sie im DE1 Schaltplan den DAC.
  2. Zeichnen Sie ein Ersatzschaltbild eines Farbkanals des DAC. Fassen Sie Reihen- und Parallelschaltungen von Widerständen zusammen. Wie modellieren Sie die digitalen Ausgänge des FPGA?
  3. Erklären Sie die Funktion des DAC.
  4. Finden Sie einen analytischen Ausdruck für die Ausgangsspannung eines Farbkanals in Abhängigkeit vom digitalen Zustand der Ausgänge.
  5. Starten Sie eine Tabellenkalkulation und berechnen Sie die Ausgangsspannung für jeden digitalen Wert.
  6. Vergleichen Sie die berechneten Werte mit der idealen Kurve.
  7. Welche Unterschiede gibt es?
  8. Wie hängt die Linearität vom Lastwiderstand ab?

Experimentelle Untersuchung

  1. Entwerfen Sie auf dem Papier eine Schaltung mit der Sie die Ausgangsspannung am roten Farbkanal messen können. Aus dem Schaltplan soll ersichtlich sein, welche Komponenten des DE1 Boards sie verwenden und wo Sie messen wollen.
  2. Zeichnen Sie ein Ersatzschaltbild des VGA_R Farbkanals des DAC. Fassen Sie Reihen- und Parallelschaltungen von Widerständen zusammen. Wie modellieren Sie die digitalen Ausgänge des FPGA?
  3. Berechnen Sie die erwarteten Spannungen für VGA_R(3..0) = “0000” und “1111”.
  4. Analysieren Sie die Schaltung “de1_vgadac” im Projektverzeichnis. Vergleichen Sie die Schaltung mit der von Ihnen vorgeschlagenen Schaltung aus Punkt 1. Wie können Sie mit dieser Schaltung die Kennlinie messen?
  5. Messen Sie die Ausgangsspannungen für alle möglichen Wertekombinatonen von VGA_R.
  6. Berechnen Sie die Werte bei idealem DAC Verhalten.
  7. Vergleichen Sie das gemessene Verhalten mit dem idealen Verhalten.

Messung und Analyse eines unbekannten VGA Signals

Messung und Analyse in der Gruppe

Zunächst sollen die Signalverläufe eines unbekannten VGA Signals am Ausgang des DE1 FPGA Boards gemessen und analysiert werden. In dieser vga-messungen-fpga-belegung.zip Datei ist für jede Gruppe eine FPGA Belegungsdatei enthalten. Laden Sie die FPGA Belegungsdatei für Ihre Gruppe über den Quartus Programmer auf das FPGA. Ihre Aufgabe ist die Messung und Analyse des Signals mit dem Oszilloskop und dem Logikanalysator. Im Rahmen eines schriftlichen Analyseberichts müssen Sie folgende Fragen beantworten.

  1. Welche Polarität hat das VSYNC Signal? Ist es high- oder low-aktiv?
  2. Welche Polarität hat das HSYNC Signal? Ist es high- oder low-aktiv?
  3. Für welchen Zeitraum ist das VSYNC Signal aktiv?
  4. Für welchen Zeitraum ist das HSYNC Signal aktiv?
  5. Mit welcher Frequenz wiederholt sich das VSYNC Signal?
  6. Mit welcher Frequenz wiederholt sich das HSYNC Signal?
  7. Wie ist die Bildwiederholfrequenz?
  8. Wie viele Zeilen hat das VGA Signal pro Bild? Warum?
  9. Welche Auflösung hat das Bild?
  10. Geben Sie die front porch und back porch Zeit für das HSYNC Signal an.
  11. Geben Sie die front porch und back porch Zeit für das VSYNC Signal an.
  12. Skizzieren Sie den Amplitudenverlauf für die R, G und B Signale.
  13. Skizzieren Sie das Bild, das am Monitor erscheint, wenn Sie das FPGA an einen Monitor anschliessen. Geben Sie die Farben im Bild an.

Begründen Sie Ihre Antworten und nehmen Sie Messbilder vom Oszilloskop in Ihren Bericht mit auf. Zu der Antwort müssen geeignete Messungen (mit Bild) im Bericht vorhanden sein.

Bericht

Sie können den Bericht mit Libreoffice auf den Laborrechnern schreiben. Vom Laborrechner können Sie auch auf dem Labordrucker drucken. Laden Sie die Oszilloskopbilder über das Webinterface vom Oszilloskop und verwenden Sie Bilder ohne schwarzen Hintergrund. Die IP Adresse vom Oszilloskop können Sie am Oszilloskop über Tools→Utility→I/O erfahren. Wenn Sie alle Fragen in Ihrem Bericht beantwortet haben, legen Sie den Bericht einem Betreuer vor, der den Bericht mit Ihnen durchgehen wird.

Anschluss eines VGA Monitors an das Board

Wenn Sie mit Ihrer Ausarbeitung fertig sind und ein Betreuer den Bericht abgenommen hat, wird der VGA Monitor an das FPGA angeschlossen und das erwartete Bild mit dem Monitorbild verglichen.

Zulässige Komponenten für den Schaltungsentwurf

In den weiteren Versuchen werden Sie auf dem Papier Schaltungen entwerfen. Für den Schaltungsentwurf sollen Sie die folgenden Grundkomponenten nach Bedarf verwenden.

D-Flipflop

Ein einfaches D Flipflop mit positiver Flankensteuerung und low aktivem Reset.

D Flipflop

Das Flipflop kann mit folgendem VHDL Code erzeugt werden:

entity ff is
  port(
    clk_i, res_n : in  std_ulogic;
    d_i          : in  std_ulogic;
    q_o          : out std_ulogic);
end;
architecture rtl of ff is
begin
  q_o <= '0' when res_n = '0' else d_i when rising_edge(clk_i);
end architecture;
Register

Ein Register mit einstellbarer Bitbreite.

Register

entity reg is
  port(
    clk_i, res_n : in  std_ulogic;
    d_i          : in  std_ulogic_vector(9 downto 0);
    q_o          : out std_ulogic_vector(9 downto 0));
end;
architecture rtl of reg is
begin
  q_o <= "0000000000" when res_n = '0' else d_i when rising_edge(clk_i);
end architecture;

Im folgenden Beispiel wird das Register direkt auf Basis von Signalen erzeugt:

architecture rtl of example is
  signal d, q : std_ulogic_vector(9 downto 0);
  signal clk, res_n : std_ulogic;
begin
  q <= "0000000000" when res_n = '0' else d when rising_edge(clk);
  -- weiterer Code
  -- 
end architecture rtl; 
Multiplexer

Ein Multiplexer mit einstellbarer Bitbreite

Multiplexer

Hier ein Codebeispiel für einen 2 zu 1 Multiplexer

entity mux is
  port(
    a_i,b_i         : in  std_ulogic_vector(9 downto 0); 
    sel_i           : in  std_ulogic;
    y_o             : out std_ulogic_vector(9 downto 0));
end;
 
architecture rtl of mux is
begin
  y <= a_i when sel_i = '0' else b_i; 
end architecture;   

Und hier ein Beispiel für einen 4 zu 1 Multiplexer mit Signalen

architecture rtl of example is
signal a,b,c,d,y : std_ulogic_vector(9 downto 0);
signal sel : std_ulogic_vector(1 downto 0);
begin
 
  with sel select
  y <=
  a when "00",
  b when "01",
  c when "10",
  d when others;
 
  -- weiterer Code 
 
end architecture;   
Addierer

Ein Addierer mit einstellbarer Bitbreite

Addierer

Der Addierer steht als VHDL Komponente in src/adder_rtl.vhd zur Verfügung.

Vergleicher

Ein Vergleicher mit ge_o = '1', wenn a >= b, sonst '0'.

 Vergleicher

Der Vergleicher steht als VHDL Komponente in src/compare_rtl.vhd zur Verfügung.

Logik auf Basis von booleschen Ausdrücken

Logik als Resultat von beliebigen booleschen Ausdrücken in VHDL.

-- Beispiel 
sync_o <= a and not(b); 
active_o <= not(a) and not(b); 
y_o <= not(a and not(b)) xor c; 

Addierer

Design Clock Enable Generator

Entwerfen Sie jetzt einen Generator, der ein Enablesignal für jeden zweiten Takt generiert. Ein Zähler mit Enableeingang, der mit 50 MHz Taktfrequenz getaktet ist, würde mit diesem Enablesignal mit 25 MHz hochzählen.

Clock Enable Generator

Der Generator soll die Ein- und Ausgänge gemäß des vorherigen Bildes haben.

Zusammenarbeit

Bei dieser Aufgabe sollen alle Kursteilnehmer möglichst schnell zu einem funktionierenden Entwurf und dann zu einer funktionierenden Implementierung kommen.

Entwurfsphase

In der Entwurfsphase soll auf dem Papier der Entwurf des Enablegenerators erfolgen. Zeichnen Sie einen Schaltplan, benennen Sie Signale und zeichnen Sie geeignete Timingdiagramme auf denen die Signalverläufe der Ein- und Ausgänge zu sehen sind.

  1. Zeichnen Sie ein Timingdiagramm mit dem gewünschten Signalverlauf.
  2. Machen Sie einen Entwurf und zeichnen Sie einen Schaltplan. Benennen Sie Ein- und Ausgänge sowie interne Signale.
  3. Machen Sie sich Gedanken was Sie benötigen um Ihren Entwurf einer anderen Gruppe zu erklären.

Unabhängig von dem Entwurf bisher sollen Sie auch einen Entwurf auf Basis eines Mooreautomaten machen.

  1. Geben Sie die Ein- und Ausgänge des Automaten an.
  2. Benennen Sie die notwendigen Zustände
  3. Zeichnen Sie den Zustandsgraphen
  4. Zeichnen Sie ein Timingdiagramm mit Takt, Zustand und Ausgang des Automaten.
  5. Geben Sie eine Zustandskodierung an und geben Sie die Zustandsübergangslogik und die Ausgangslogik an.

Erklärungsphase

Jeweils zwei Gruppen erklären sich gegenseitig den Entwurf.

  1. Eine Gruppe erklärt einer anderen Gruppe den Entwurf (3 min).
  2. Danach können Fragen gestellt und der Entwurf diskutiert werden. Notieren Sie Änderungen.
  3. Danach wechseln die Rollen.

Designphase

In der Designphase soll der Entwurf in VHDL umgesetzt werden.

  1. Setzen Sie jetzt Ihr clockengen Design in VHDL um. Modifizieren Sie dazu die VHDL Datei “clockengen_rtl.vhd”. Verwenden Sie Signalnamen aus Ihrem Papierentwurf.
  2. Verifizieren Sie Ihr Design im Simulator. Das Simulationsverzeichnis lautet “clockengen”. Die Testbench ist bereits vorhanden.

Verifikationsphase

Jetzt sollen die Gruppen gegenseitig ihr Design kontrollieren.

  1. Teilen Sie Ihre Gruppenmitglieder auf in einen “Tester” und einen “Erklärer”.
  2. Jeweils ein “Tester” geht zu einer anderen Gruppe und lässt sich vom “Erklärer” das Design und den Simulationsverlauf erläutern.
  • dtpr_versuch_6.txt
  • Last modified: 2018/04/30 14:40
  • by beckmanf