第三十八章：电压表实验
本文对应原书第996页起，第五篇「实战篇」。
本章在讲什么？（先看这个）
第三十七章我们用 ILA 观察 AD 采集到的原始数据，那只是一串 0~255 的数字，对初学者来说既不直观也没有实用价值。本章要把它变成一个能用的数字电压表：AD9280 采集输入电压，FPGA 对数据做校准、滤波、换算，最终在 RGB LCD 屏上显示出"12.34"这样的电压值，分辨率 0.01V，每 0.2 秒刷新一次。
本章的核心其实不是 AD 采集本身（上一章已经学过），而是数据处理：如何把 8 位原始数据换算成真实的物理量电压。这套"采原始值→校准→滤波→定点计算→显示"的流程，是所有测量类 FPGA/嵌入式系统的通用套路。
核心概念拆解
硬件基础：7020 开发板 + J4 扩展口
本实验必须使用 7020 领航者开发板，因为 LCD 接口和高速 AD/DA 模块要同时占用扩展口资源（模块接 J4 扩展口，LCD 接 RGB LCD 接口）。AD 部分的接法与上一章完全相同。
0V 电压校准：voltage_calibrator 模块
理想情况下，输入 0V 时 AD9280 输出的数字量应该是 0x80（128，即中值），但实际芯片有偏移误差。voltage_calibrator 模块的任务就是测出这个真实的"0V 码值"（记为 voc_data），方法非常朴素：
- 上电后连续采集 2048 个数据；
- 丢弃前 1023 个（等待前端电路稳定）；
- 对后 1024 个数据求和，再做除法求均值。
if (data_cnt < 10'd1023) // 丢弃前1023个数据
data_cnt <= data_cnt + 1'b1;
else // 对后1024个数据累加
data_sum <= data_sum + ad_data;
均值用右移 10 位（除以 1024）实现，四舍五入的处理很巧妙：累加和的低 10 位如果 ≥512（即 10'b100_0000_0000 的判断），就把右移结果加 1。这是 FPGA 里做定点除法取舍的标准手法，值得记住。
data_aver <= data_sum[18:10] + ((data_sum[9:0] >= 10'b10_0000_0000) ? 1'b1 : 1'b0);
校准完成后输出 voc_done 标志，后续模块才开始工作。
电压换算：voltage_data 模块
拿到校准值后，怎么把任意采样值换算成电压？书上给出了两个定点公式：
- 正压（采样值 ≥ voc_data）：
temp0 <= 5000 * (data_aver - voc_data) / (256 - voc_data); // 公式①
- 负压（采样值 < voc_data）：
temp0 <= 5000 * (voc_data - data_aver) / (voc_data + 1); // 公式②
公式里的 5000 代表把电压扩大 1000 倍（即以 mV 为单位计算，5V→5000）。FPGA 不方便做浮点，所以全部用整数乘除法完成。分母取 256-voc_data 或 voc_data+1，是按"满量程 255 对应 5V、0V 对应 voc_data"线性映射出来的，初学者代入几个数验证一下就能理解。
之后是把 temp0 拆成各位数字供数码管/LCD 显示：
temp1 = temp0 / 1000; // 个位（电压的整数部分，0~5）
temp2 = temp0 / 100 % 10; // 十分位
temp3 = temp0 % 100; // 余下两位
// 十分位 = temp2 - temp1*10，百分位 = temp3 / 10
超量程保护：如果计算结果超过 5V，直接显示 99.99，提醒使用者超出量程。
测试电压源：test_voltage 模块
实验需要一个不断变化的电压来做验证，但没有信号发生器怎么办？书上用 test_voltage 模块 + DA 输出自己造：以 50MHz 时钟运行，内部计数器每 0.2 秒让 da_data 从 0 加到 255 循环递增，经 DA 输出就是一个缓慢上升的阶梯电压。把这个电压接到 AD 输入，LCD 上就能看到 0.00V→5.00V 循环爬升的读数，非常直观。
时钟与整体框架
- ad_clk：AD9280 的驱动时钟，由 50MHz 二分频得到 25MHz（与上一章一致）；
- TIME_200MS = 10_000_000：25MHz 下计 0.2 秒的计数值，控制显示刷新；
- 顶层 top_dvm 例化：AD 接收、voltage_calibrator、voltage_data、LCD 驱动（复用 LCD 实验的通用模块）、test_voltage 与 DA 输出。
图片对照
- 系统结构：图 38.4.1 系统架构图、图 38.4.2 整体框图，看懂数据流"AD→校准→换算→LCD"。
- 校准模块：图 38.4.3（0V 电压校准模块框图）、图 38.4.4（波形图）、图 38.4.5（仿真波形）——重点看 voc_data 是怎么被测出来的。
- 换算模块：图 38.4.6（电压数据处理模块框图）、图 38.4.7（波形图）、图 38.4.8（仿真波形）——对照公式①②看乘除法的结果。
- 整体仿真：图 38.4.9 数字电压表仿真波形。
- 上板验证：图 38.5.1（RGBLCD 模块 FPC 连接器）、图 38.5.2（开发板连接液晶屏）、图 38.5.3（实验结果图，LCD 显示电压读数）。
初学者容易踩的坑
- 误以为 0V 就该读到 128（0x80），没做校准就直接按"128=0V"换算，结果永远有零点几伏的固定偏差。必须先用 voltage_calibrator 测出真实的 voc_data。
- 均值没有做四舍五入，直接右移 10 位，导致校准值系统性偏小 0.5LSB。记得把低 10 位 ≥512 的进位补上。
- 除零风险：公式②分母是 voc_data+1，为什么 +1？因为 voc_data 理论上可能等于 0，不加 1 会除零。改公式时别把这个保护改丢了。
- 显示数字没有拆位：temp0 是 0~5000 的整数（mV），直接往 LCD 送是不行的，必须先除 1000、取余等拆出个位/十分位/百分位。
- 刷新太快反而看不清：0.2 秒刷新一次是刻意设计的，若把 TIME_200MS 改小，读数会跳变闪烁。
- 用 7010 开发板跑本实验：LCD 与高速模块都需要足够逻辑资源与扩展口，本实验只支持 7020 板，注意确认自己的硬件。
小结 & 下一步
本章把"原始 ADC 数据"升级成了"可读的物理量"：校准模块测零点、均值滤波去抖动、定点乘除算电压、拆位送显示。四舍五入右移、整数定点运算、超量程处理这三个技巧，以后做任何测量仪器都会反复用到。
下一步进入第三十九章：同样是 DA 出正弦波，我们将升级成 DDS（直接数字频率合成）架构，用相位累加器实现频率、波形都可以按键随意切换的信号发生器。