Artix-7 FPGA入門 A-D変換回路の実験

0～1Vを入力 7セグLEDにディジタル表示

Artix-7 FPGAとXADCを用いたA-D変換回路の基礎

FPGA内蔵ADCのあらまし

Artix-7 FPGAには，アナログ電圧をディジタル値に変換するための12ビット分解能のXADCモジュールが搭載されています．このXADCは最大2チャネルの入力信号を扱い，サンプリング・レートは154k～1000kサンプル/秒（sps）に設定可能です．

XADCは差動入力（$P$と$N$信号）をもち，ユニポーラ・モードでは$V_P \geq V_N$の条件下で正確な変換を行います．また，FPGAの温度や電源電圧の測定にも使用されるため，マルチチャネルの制御が必要です．

XADCの設定と利用方法

FPGA設計環境でXADCを利用するには，VivadoのIP CatalogからXADC Wizardを使用してIPコアを生成します．この際の基本的な設定例を以下に示します．

1. インターフェースとクロック設定
   
   • Interface:DRP
   • DCLK:100MHz
2. チャネル・シーケンサの構成
   使用するチャネルとして，例えば$vauxp6$と$vauxn6$を選択します．これにより，チャネル6に接続された0～1Vの信号を測定可能になります．
3. アラーム設定
   温度や電源電圧に関するアラーム機能は無効化します（チェックを外す）

生成されたIPコアは，Verilog HDLでプロジェクトに組み込むことができます．必要に応じて，各レジスタを制御するステートマシンを構築し，サンプリング結果を読み取ります．

実験の手順と結果の確認

1. 回路の構築
   
   • FPGAボードのPMOD端子に外部電圧源（例:定電圧電源または電池）を接続します
   • 入力電圧範囲を0～1Vに設定し，測定チャネルとして$vauxp6$を指定します
2. 実験の実行
   
   • 入力電圧に応じて，7セグメントLEDにディジタル値が表示されることを確認します
   • XADCの12ビット分解能に基づき，入力電圧を$V_{in}$とすると，変換結果は以下のようにスケールされます
     \[ Digital\ Output = \left\lfloor \frac{V_{in}}{1.0V} \times 4095 \right\rfloor \]

XADCが実現する高精度なアナログ計測

XADCのユニークな設計

Artix-7 FPGA内蔵のXADCモジュールは，高速かつ高精度なアナログ・データ処理を可能にします．その鍵は，複数の差動入力チャネルと柔軟な制御モードにあります．ユニポーラ・モードでは$V_N=0$基準で測定を行う一方，バイポーラ・モードでは$V_P$と$V_N$の差分を測定します．

FPGA設計における利点

XADCのもう1つの大きな利点は，ディジタル信号処理との密接な連携です．従来のマイクロコントローラを用いたシステムでは，アナログ計測結果を外部回路や通信インターフェース経由で伝送する必要がありました．一方，FPGA内部にXADCが統合されていることで，測定結果を直接ディジタル・ロジックに入力し，リアルタイムでのフィードバック制御や信号処理が可能です．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

1. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/Pi KIT］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
10. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．