Voltímetro digital con salida VGA

Objetivo:

El objetivo de este trabajo es implementar, en lenguaje descriptor de hardware VHDL, un voltimetro digital conformado por un conversor analógico-digital Sigma-Delta a la entrada para realizar el muestreo y la conversión de la señal a medir. Al la salida del sistema, la medición realizada será enviada al módulo VGA de la placa Spartan-3E.

Los tres módulos principales del voltímetro se identifican de la siguiente manera:

• Bloque que se encarga de digitalizar el voltaje de entrada que se desea medir
• Bloque controlador VGA que se encarga de producir la señal de sincronismo e indicar en qué posición (horizontal y vertical) de la pantalla se encuentra el barrido en ese momento.
• Bloque que se encarga de encender los píxeles correspondientes a los caracteres que se desea proyectar en la pantalla (ROM)

Esquema de conexión física

Especificaciones:

• Fabricante: Xilinx
• Familia: Spartan 3E
• Modelo: XC3S500E
• Encapsulado: FG320
• Speed: -4
• Clock: 50MHz
• Clock VGA: 25MHz (utilizando bloque divisor de frecuencia)

Base de caracteres ROM:

Flag que habilita señal de salida del módulo v_CGA en base a la celda vertical en la que se encuentra el barrido.

    pos_h <= font_x(6)&font_x(5)&font_x(4); -- Determinacion del pixel horizontal
    pos_v <= font_y(6)&font_y(5)&font_y(4); -- Determinacion del pixel vertical

-- Determinacion del subondice para el caracter seleccionado
    digito <= to_integer(unsigned(char)); 
  
-- Determinacion del subindice para el pixel horizontal
    h <= to_integer(unsigned(pos_h));   
-- Determinacion del subindice para el pixel vertical
    v <= to_integer(unsigned(pos_v));   

    -- Condicion para habilitar salida (001)
    v_cond <= (not font_y(9)) and (not font_y(8)) and font_y(7);
    -- Caracter seleccionado
    char_out <= ROM(digito)(v)(h);

    mux_selector: v_mux_2x1
        port map(
            mux_x => '0',
            mux_y => char_out,
            mux_sel => v_cond,
            mux_out => rom_out
        );

Lógica de selección de caracter con multiplexor 5x1

En base a las señales de barrido horizonal y vertical generamos la mascara binaria selectora del dígito correspondiente

A este bloque se le agrega una mejora adicional para poder identificar posicion en base a señal de sincronismo vertical. Esto mismo termina de realizarse en el bloque v_CGA.

--	1		=		000    Franja de pantalla 1/5  y fijando franja vertical 001
selector(0) <= (not (h_pos(9) or h_pos(8) or h_pos(7))) and ((not v_pos(9)) and (not v_pos(8)) and v_pos(7));

--	1		=		001    Franja de pantalla 2/5 y fijando franja vertical 001
selector(1) <= ((not h_pos(9)) and (not h_pos(8)) and h_pos(7)) and ((not v_pos(9)) and (not v_pos(8)) and v_pos(7));

--	1		=		010    Franja de pantalla 3/5 y fijando franja vertical 001
selector(2) <= ((not h_pos(9)) and h_pos(8) and (not h_pos(7))) and ((not v_pos(9)) and (not v_pos(8)) and v_pos(7));

--	1		=		011    Franja de pantalla 4/5 y fijando franja vertical 001
selector(3) <= ((not h_pos(9)) and h_pos(8) and h_pos(7)) and ((not v_pos(9)) and (not v_pos(8)) and v_pos(7));

--	1		=	    100    Franja de pantalla 5/5 y fijando franja vertical 001
selector(4) <= (h_pos(9) and (not h_pos(8)) and (not h_pos(7))) and ((not v_pos(9)) and (not v_pos(8)) and v_pos(7));
	
	digito_in(0) <= D1;
	digito_in(1) <= punto;
	digito_in(2) <= D2;
	digito_in(3) <= D3;
	digito_in(4) <= V;
	
	digito_out_block : for i in 0 to 4 generate
	   digito_out(i) <= (digito_in(i)(3)and selector(i))&(digito_in(i)(2)and selector(i))&(digito_in(i)(1)and selector(i))&(digito_in(i)(0)and selector(i));
	end generate digito_out_block;
	
	MUX_out <= digito_out(4) or digito_out(3) or digito_out(2) or digito_out(1) or digito_out(0);

Programación de kit Spartan-3E con Xilinx ISE:

https://www.useloom.com/share/d45cef04821c4ec081f3bdbafc6b1c5d

Material de consulta

• Contador Binario: https://www.youtube.com/watch?v=_o6NkZKH0yg
• flip-flop T: https://www.youtube.com/watch?v=wK5qJGI8qBA
• flip-flop D: https://www.youtube.com/watch?v=kQ9WICIFWnU
• Multiplexor: https://www.youtube.com/watch?v=oRIKoCm1eA8
• Lista de reproduccion: https://www.youtube.com/watch?v=vsoYlH1_hbc&list=PLWPirh4EWFpHk70zwYoHu87uVsCC8E2S-
• Contador binario 4 bits flip-flop d: https://www.vlsifacts.com/circuit-design-4-bit-binary-counter-using-d-flip-flops/
• ADC Sigma-Delta: https://www.hardwaresecrets.com/how-analog-to-digital-converter-adc-works/9/
• 1 bit DAC basado en flip-flop d: https://www.youtube.com/watch?v=DTCtx9eNHXE

Simulador de circuitos

• https://www.falstad.com/circuit/

Tutorial VHDL

• https://www.seas.upenn.edu/~ese171/vhdl/vhdl_primer.html#Fourbitadder#Fourbitadder
• http://www.srmuniv.ac.in/ramapuram/sites/ramapuram/files/EC308.pdf