Digital Discovery je zařízení podobné Analog Discovery v oblasti spolupráce s prostředím WaveForms 2015. Avšak to první disponuje pouze nástroji pro práci s digitálními signály - analyzátorem logických stavů, generátorem logických signálů a analyzátorem protokolů. Má možnost testování ustáleného stavu vstup/výstupů (statický režim). Umožňuje rovněž vytvořit sekvenci digitálních signálů s použitím editoru skriptů. Ve své struktuře obsahuje napájecí zdroj. Digital Discovery nabízí navíc doplňkové kanály, větší vzorkovací rychlost a dodatečné možnosti přizpůsobení potřebám uživatele.

Obr. 1 Kapesní Digital Discovery

Logický analyzátor

Analyzátor logických stavů u Digital Discovery využívá rychlé vstupy, proto při 32 kanálech může dosáhnout rychlosti vzorkování 200 MS/s, při 16 kanálech rychlost vzrůstá na 400 MS/s a při 8 kanálech až na 800 MS/s. To je tedy dvakrát/čtyřikrát/osmkrát větší rychlost vzorkování, než kterou nabízí Analog Discovery 2, které má dvakrát méně digitálních kanálů!

Obr. 2 Program WaveForms

Vstupní a výstupní kanály u Digital Discovery

Logický analyzátor u Digital Discovery má dvacet čtyři digitálních kanálů, definovaných jako vstupní. Dalších šestnáct jsou výstupní digitální kanály. Analog Discovery 2 přitom disponuje pouze 16 digitálními kanály, sdílenými analyzátorem logických stavů a generátorem logických signálů.

Navíc jsou digitální vstupy a výstupy u Digital Discovery v jistém rozsahu konfigurovatelné. Konkrétně zdroj (kromě poskytování napájení) umožňuje konfigurovat specifikaci digitálních vstupů a výstupů a přizpůsobit je testovanému systému. Je možné:

• zvolit velikost napětí definujícího vysoký logický stav a mez, od které bude tento stav aktivní (z pěti různých hodnot),
• měnit velikost proudu jednotlivého výstupu nebo ponechat nastavení auto,
• měnit rychlost náběhu výstupního signálu. 

Díky výše uvedeným vlastnostem je Digital Discovery skvělým nástrojem pro konstrukci vestavěných systémů.

Obr. 3 Obrazovka konfigurace digitálních vstupů/výstupů Digital Discovery v programu WaveForms

Použití Digital Discovery na příkladu

• založení projektu

Projekt vytvořený pro demonstraci funkcí nástroje Digital Discovery je podrobně popsán na blogu firmy Digilent. Je v něm použita univerzální, 48pinová deska FPGA CMOD A7. Koncepce předpokládá stavbu čítače spolupracujícího se 7segmentovým displejem LED. Na displeji by se měla zobrazovat čísla od 0 do 9999. V dalším kroku by se měl čítač vynulovat a začít počítat od počátku.

Obr. 4 Čítač modulo 10k s externím obvodem analogového budiče

• realizace projektu

Deska CMOD A7 neobsahuje vestavěný 7segmentový displej, proto byl v projektu použit externí obvod analogového budiče. S tím byla spojena modifikace kódu, s ohledem na to, že např. katody i anody displeje byly řízeny stejnou logickou úrovní – proto mezi piny obvodu FPGA na desce a piny displeje pracovaly bipolární tranzistory, plnící funkci invertorů.

Když už kód a budič fungovaly správně, bylo následným krokem sáhnutí po Digital Discovery. Digital Discovery má 40 pinů I/O, ze kterých, jak již víme, je dvacet čtyři digitálních vstupů vyvedených na přední 32pinovou zásuvku. Dva doplňkové porty jsou, v souladu se standardem PMOD, umístěny na bočních stěnách zařízení a mohou být využívány jako vstupy nebo výstupy.

Obr. 5 Tři různé kolíkové konektory dovolují připojit až 40 signálů

Bylo monitorováno 11 pinů, po jednom pro každý segment a každou katodu.

Obr. 6 Připojení sestavy kabelů  fly-wire Digital Discovery k pinům A7 CMOD.

Po zapojení všeho stačilo zaznamenat data s použitím softwaru WaveForms.

Obr. 7 Data zapsaná z A7

Obr. 8 Zvětšená data zapsaná z A7 při asi 6 Hz na 1 hodnotu na displeji

Digital Discovery je ve výchozím stavu nastaven na získávání 200 milionů vzorků za sekundu (MS/s), ale může dosáhnout až 800 MS/s, což značně překračovalo možnosti desky CMOD A7. Pro další testy byla použita sestava Nexys 4, taktovaná hodinami 100 MHz. Současně, aby bylo možno využít volbu 800 MS/s, bylo třeba použít adaptér HSA a k němu připojené sondy HPS umožňující záznam rychle se měnících signálů. Sondy byly připojeny k Digital Discovery prostřednictvím adaptéru HSA.

Obr. 9 HSP připojené k HSA

Signály ovládající displej byly vyvedeny na dva konektory PMOD desky Nexys 4. K těmto konektorům byly rovněž připojeny sondy. Piny GND byly zkratovány. V tomto okamžiku bylo třeba zohlednit fakt, že volná zakončení sond mají teplem smrštitelné trubičky – zajišťující solidní spojení, ale komplikující položení vedle sebe více než tří vodičů ve standardní rozteči 100 mils na univerzálních deskách. Při připojování se tedy ukázala potřeba prokázat jistou tvořivost.

Obr. 10 Připojování sond k Nexys 4

Následně byl kód programu modifikován tak, aby pracoval s deskou Nexys 4, a na konci nahrán. Údaj jednotek na čtyřmístném displeji byl zkontrolován systémovými hodinami 100 MHz. Číslice tisíců se pak měnila v rozmezí 0–9 s kmitočtem 10 kHz. To je jednoznačně příliš rychlé na to, aby to mohlo lidské oko postřehnout.

Po provedení několika úprav v nastavení logického analyzátoru...

Obr. 11 Volba možnosti  800 MS/s omezuje vstupy pouze na piny  0–7

a záznamu dat...

Obr. 12 Data zapsaná z Nexys 4 pracujícího s rychlostí 100 MHz

... začaly být viditelné. Na výše uvedeném obrázku představuje část dat vlevo od prvního červeného kurzoru data signálu segmentu při zapnutém digitu tisíců. Při přiblížení kurzoru můžeme pozorovat následující obraz:

Obr. 13 Rozdělení mezi daty segmentu pro digit tisíců a digit jednotek

• shrnutí projektu

Zřetelně jsou vidět (Obr. 14) přecházející signály segmentu představované desítkovými hodnotami na vrchu sběrnice, označené modrou barvou. Jsou to hodnoty zakódované pro potřeby 7segmentového displeje. Binární hodnota 1111000 převedená na segmenty GFEDCBA (aktivní segment je ten s nízkým logickým stavem), informuje o tom, že segmenty A, B a C jsou zapnuté a na displeji dostáváme číslici 7. Při prohlížení zbytku desítkových dat vidíme, že počítání od 0 do 9 a reset s návratem do 0 trvá 100 μs!

Na dalším obrázku je přiblížený velký bílý blok dat (na Obr. 14 vpravo). Jsou to data směřující do displeje při volbě digitu jednotek pro kmitočet 100 MHz.

Obr. 14 Data segmentu pro číslici jednotek

Bylo přidáno několik kurzorů pro označení intervalů. Všechny kurzory se nacházejí ve vzdálenosti 10 ns od sebe a když se podíváme na desítkovou hodnotu (označenou modrou barvou na vrchu každého kurzoru), je shodná se sekvencí dat na předchozím obrázku. Tentokrát počítání od 0 do 9 a reset s návratem do 0 probíhalo rychlostí 100 MHz. Mezi kurzory bylo osm bodů dat, proto nebyly přechody mezi stavy přesně definovány. Může se zdát, že byla zaznamenána nějaká nesprávná data, ale je třeba pamatovat, že když se data na modré čáře zdají rušená, tak to několik kanálů na sběrnici současně mění stav. Také se zdá, že se všechny ty signály nemění současně.

Ale zde je třeba se nad něčím zamyslet... Měděné cestičky plošného spoje Nexys 4 PCB, propojující obvod FPGA s výstupem PMOD, nebyly konstruovány se záměrem přenášet rychle se měnící signály. To znamená, že při takových rychlostech zavádí fyzická vzdálenost mezi konektorem a obvodem FPGA nevyhnutelné zpoždění šíření signálu. Toto přidané zpoždění lze postřehnout v zaznamenaných datech (výše). Možnost toto vidět je opravdu fascinující, zvláště u tak malého a kompaktního přístroje jako Digital Discovery!

Shrneme-li uvedené, Digital Discovery se ideálně osvědčuje v aplikacích, ve kterých je třeba pružnost při přizpůsobování rozsahu logických úrovní, velké komunikační rychlosti (jako například přenos videosignálu) nebo současná analýza až 32 digitálních kanálů. Více informací lze nalézt na stránkách firmy Transfer Multisort Elektronik (www.tme.eu).