VGA彩条信号发生器的设计实验

VGA彩条信号发生器的设计

一、  实验目的
1．了解普通显示器正确显示的时序。
2．了解VHDL产生VGA显示时序的方法。
3．进一步加强对FPGA的认识。
二、  实验原理
尽管显示器的新品层出不穷，但CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）的基本工作原理一直沿用了几十年，直到今天也没有太大的变化。显示器是一种复杂的设备，其扩展性和可靠性也十分惊人，在这一方面，电子控制起了很大的作用，任何机械都会有磨损，唯有用电子才能延长寿命，甚至能适应数千小时的工作。电子枪是显示像管的核心，安发出的电子束击中光敏材料（荧光屏），刺激荧光粉就能产生图像。实际上，电子枪和大体积的、功率强劲的二极管没有什么区别，其原理也适用于电视机和示波器。
CRT分为几个部分：Deflection  Coil（偏转线圈）用于电子枪发射器的定位，它能够产生一个强磁场，通过改变强度来移动电子枪。线圈偏转的角度有限，当电子束传播到一个平坦的表面时，能量会轻微的偏移目标，仅有部分荧光粉被击中，四边的图像会产生弯曲现象。为了解决这个问题，显示器生产厂把显像管做成球形，让荧光粉充分地接受能量，缺点是屏幕将变得弯曲，电子束射击由左至右，由上至下的过程称为刷新，不断重复的刷新能保持图像的持续性。
显示器屏幕的色彩是由RGB（红、绿、蓝）三色光所合成的，我们可通过调整这三个基色调出其它的颜色，在许多图像处理软件里都有提供色彩调配功能，你可输入三基色的数值来调配颜色，也可直接根据软件提供的调色板来选择颜色。在这一部分的功能上实验系统采用专用的编解码芯片来完成。其具体实现、原理我们将在以后的实验中做详细的说明。在本实验中只用到了RGB三基色来组成八种颜色构成彩条信号。
VGA显示器在显示过程中主要由五个信号来控制，分别是R、G、B、HS和VS。其中R、G、B分别用来驱动显示器三个基色的显示，即红、绿和篮，HS是行同步信号，VS是场同步信号。在做本实验时，由于没有任何显示器驱动，所以显示器工作在默认状态，分辨率：640×480，刷新率：60Hz。在此状态下，当VS和HS都为低电平时，VGA显示器显示亮的状态，其正向扫描过程约为26us。当一行扫描结束后，行同步信号HS置高电平，持续约6us后，变成低电平，在HS为高电平期间，显示器产生消隐信号，这就是显示器回扫的过程。当扫描完一场后，也就是扫描完480行以后，场同步信号VS置高电平，产生场同步，此同步信号可以使扫描线回到显示器的第一行第一列位置。显示器显示的时序图如下图4-18-1所示：

图4-18-1  CRT显示器时序
上图中T1为同步消隐信号，约为6us脉宽，T2为行显示过程，约为26us，T3为行同步信号，宽度为两个行同步周期，T4为显示时间，约为480行周期。
三、  实验内容
      本实验要完成的任务就是通过FPGA在显示器上显示一些条纹或图案，要求CRT显示器上能够显示横条纹、竖条纹以及棋盘格子图案。实验中系统时钟选择时钟模块的12MHz，用一个按键模块的BT1来控制显示模式，每按下一次，屏幕上的图案改变一次，依次为横条纹、竖条纹以及棋盘格子图案。实验的输出就直接输出到VGA接口，通过CRT显示器显示出来。
四、  实验步骤
1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2、建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。
3、按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。
4、编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。
5、对自己编写的VHDL程序进行编译并仿真，对程序的错误进行修改。
6、编译仿真无误后，根据用户自己的要求进行管脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
7、根据实验内容用实验导线将上面管脚分配的FPGA管脚与对应的模块连接起来。
如果是调用的本书提供的VHDL代码，则实验连线如下：
CLK：FPGA时钟，接数字时钟CLOCK1，并将其设为12MHZ。
KEY：显示模式选择信号，接一个按键开关。
R、G、B、HS、VS: VGA控制信号，接VGA模块的R、G、B、HS、VS端口。
8、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致。
五、  实验结果与现象
以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，将显示器与实验系统视频输入输出模块的VGA接口连接起来，数字信号源的时钟选择为12MHZ。此时连接的VGA显示屏上将会出现纵向的彩条信号。按下核心板上的复位按键RST键将会改变为横彩条和方格彩条。
六、  实验报告
1、绘出仿真波形，并作说明。
2、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。
3、试编写其它图形的VGA显示的程序。