搞定波形發(fā)生器!5大步驟制作Arduino波形發(fā)生器

想必大家對波形發(fā)生器均具備一定的了解，但是你知道如何制作波形發(fā)生器嗎?針對本文，具體而言，你了解制作Arduino波形發(fā)生器的制作步驟嗎?如果不了解，來看看本文給大家介紹的Arduino波形發(fā)生器的制作流程吧，超詳細哦!

步驟1：技術注意事項

制作模擬信號

Arduino Uno和Nano的一個缺點是它沒有數(shù)字信號 - 模擬(DAC)轉換器，因此無法直接在引腳上輸出模擬電壓。一種解決方案是R2R梯形圖：8個數(shù)字引腳連接到電阻網(wǎng)絡，因此可以達到256級輸出。通過直接端口訪問，Arduino可以通過一個命令同時設置8個引腳。對于電阻網(wǎng)絡，需要9個值為R的電阻，8個值為2R的電阻。我使用10kOhm作為R的值，它將引腳的電流保持在0.5mA或更低。我猜R = 1kOhm也可以工作，因為Arduino可以輕松地為每個引腳提供5mA電流，每端口40mA。重要的是R和2R電阻之間的比率確實為2.通過將2個R值的電阻串聯(lián)起來，總共25個電阻最容易實現(xiàn)。

相位累加器

生成波形然后重復向Arduino引腳重復發(fā)送一系列8位數(shù)字。波形存儲在256字節(jié)的數(shù)組中，并對該陣列進行采樣并發(fā)送到引腳。輸出信號的頻率取決于通過陣列前進的速度。一個強大，精確和優(yōu)雅的方法是使用相位累加器：32位數(shù)字以固定間隔遞增，我們使用8個最高有效位作為數(shù)組的索引。

快速采樣

中斷允許在明確定義的時間采樣，但中斷的開銷將采樣頻率限制在~100kHz。無限循環(huán)更新相位，采樣波形并設置引腳需要42個時鐘周期，從而實現(xiàn)16MHz/42 = 381kHz的采樣率。旋轉或推動旋轉編碼器會導致引腳更改和從環(huán)路中斷的中斷以更改設置(波形或頻率)。在此階段，重新計算陣列中的256個數(shù)字，以便不需要在主循環(huán)中執(zhí)行波形的實際計算。可以產(chǎn)生的絕對最大頻率是190kHz的一半，但是每個周期只有兩個樣本，因此對形狀的控制不大。因此，接口不允許將頻率設置在100kHz以上。在50kHz時，每個周期有7-8個采樣，并且在1.5kHz和低于所有存儲在陣列中的256個數(shù)據(jù)每個周期都被采樣。對于信號平滑變化的波形，例如正弦波，跳過樣本沒有問題。但對于具有窄尖峰的波形，例如占空比較小的方波，存在這樣的危險：對于高于1.5 kHz的頻率，單個樣本丟失會導致波形表現(xiàn)不盡如人意

頻率的準確度

每個樣本相位遞增的次數(shù)與頻率成正比。因此，頻率可以設置為381kHz/2 ^ 32 = 0.089mHz的精度。實際上，幾乎不需要這種精度，因此界面限制以1mHz的步長設定頻率。頻率的絕對精度由Arduino時鐘頻率的精度決定。這取決于Arduino類型，但大多數(shù)指定頻率為16.000MHz，因此精度為~10 ^ -4。該代碼允許修改頻率和相位增量的比率，以校正16MHz假設的小偏差。

緩沖和放大

電阻網(wǎng)絡具有高輸出阻抗，因此如果負載是，則其輸出電壓會快速下降連接。這可以通過緩沖或放大輸出來解決。這里，緩沖和放大是用運算放大器完成的。我使用的是LM358，因為我有一些。它是一個慢速運算放大器(壓擺率為每微秒0.5V)，因此在高頻和高幅度時信號會失真。一個好處是它可以處理非常接近0V的電壓。然而，輸出電壓限制在低于軌道約2V，因此使用+ 5V功率將輸出電壓限制為3V。升壓模塊結構緊湊，價格低廉，為運算放大器提供+ 20V電壓，可產(chǎn)生電壓高達18V的信號。 (注意，原理圖說LTC3105，因為那是我在Fritzing中發(fā)現(xiàn)的唯一升級。實際上我使用的是MT3608模塊，請參閱后續(xù)步驟中的圖片)。我選擇對R2R DAC的輸出應用可變衰減，然后使用其中一個運算放大器緩沖信號而不放大，另一個放大5.7，這樣信號可以達到約20V的最大輸出。輸出電流相當有限，約為10mA，因此如果信號要驅動大型揚聲器或電磁鐵，則可能需要更強的放大器。

步驟2：所需組件

核心波形發(fā)生器

Arduino Uno或Nano

16x2 LCD顯示屏+ 20kOhm微調和100歐姆用于背光的串聯(lián)電阻器

5針旋轉編碼器(帶集成按鈕)

25個10kOhm電阻

用于緩沖器/放大器

LM358或其他雙運算放大器

升壓模塊基于MT3608

50kOhm可變電阻

10kOhm電阻

47kOhm電阻

1μF電容

步驟3：構造

我在7x9cm原型板上焊接了所有東西，如圖所示。由于所有電線都有點亂，我試著給帶正電壓紅色的引線和帶黑色的引線涂上顏色。

我使用的編碼器有5個引腳，一邊是3個，2個是另一邊。有3個引腳的一側是實際的編碼器，帶有2個引腳的一側是集成按鈕。在3引腳側，中央應接地，另外兩個接到D10和D11。在2引腳側，一個引腳應連接到地，另一個應連接到D12。

這是我做過的最丑陋的事情，但它有效。放入一個外殼會很好，但是現(xiàn)在額外的工作和成本并沒有真正證明它的合理性。 Nano和顯示器附有針頭。如果我要建一個新的，我不會再那樣做了。我沒有在板上放置連接器來拾取信號。相反，我用突出的銅線上的鱷魚引線拾取它們，標記如下：

R - 來自R2R DAC的原始信號

B - 緩沖信號

A - 放大信號

來自引腳9的T - 定時器信號

G - 接地

+ - 來自升壓的正“高”電壓模塊

步驟4：代碼

代碼是一個Arduino草圖，附上并應上傳到Arduino。

已有20個波形預定義。添加任何其他wave應該是直截了當?shù)?。請注意，隨機波填充具有隨機值的256值數(shù)組，但每個周期都會重復相同的模式。真正的隨機信號聽起來像噪聲，但這種波形聽起來更像是哨聲。

該代碼在引腳D9上用TIMER1設置1kHz信號。這對于檢查模擬信號的時序非常有用。這就是我如何計算時鐘周期數(shù)為42：如果我假設41或43，并產(chǎn)生1kHz信號，它顯然與引腳D9上的信號具有不同的頻率。使用值42，它們完全匹配。

通常，Arduino每毫秒都會中斷以使用millis()函數(shù)跟蹤時間。這會干擾準確的信號生成，因此禁用特定的中斷。

編譯器說：“Sketch使用7254字節(jié)(23%)的程序存儲空間。最大值為30720字節(jié)。全局變量使用483字節(jié)(23%)動態(tài)內存，為局部變量留下1565個字節(jié)。最大為2048個字節(jié)。“因此，有足夠的空間可以使用更復雜的代碼。

步驟5：用法

只需通過Arduino的mini-USB線纜即可為設備供電納米。最好使用移動電源，這樣它就不會與可能連接的設備發(fā)生意外的接地回路。

接通電源時會產(chǎn)生100Hz的正弦波。通過旋轉旋鈕，可以選擇其他20種波形中的一種。通過按下旋轉，可以將光標設置為頻率的任何數(shù)字，然后可以將其更改為所需的值。

可以使用電位計調節(jié)振幅，也可以使用緩沖器或可以使用放大的信號。

使用示波器檢查信號幅度非常有用，特別是當信號向另一個設備提供電流時。如果汲取的電流太大，信號將被削波并且信號嚴重失真

對于非常低的頻率，輸出可以通過LED與10kΩ電阻串聯(lián)來顯示。用揚聲器可以聽到音頻。確保將信號設置為非常小~0.5V，否則電流過高，信號開始削波。