描述

概述：

有一天，我正在閱讀 Arduino 論壇，發(fā)現(xiàn)一位年輕人想知道如何使用 Arduino 制作正弦波發(fā)生器。顯然，他是一名工科學(xué)生，這是他的任務(wù)。有人告訴他這是不可能的，其他人說是的，但速度只有 50 Hz。由于我們公司為 Arduino 制作了 I2C DAC 開發(fā)板，因此我認(rèn)為（對我而言）使用 DAC 板制作正弦波發(fā)生器會(huì)很有教育意義。

關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目

信號發(fā)生器通常有各種可以產(chǎn)生的信號，如正弦波、方波和三角波。其他具有掃描功能和任意波形。這些是研討會(huì)中的有用工具。它們可用于測試音頻電路、運(yùn)算放大器電路和測試電路響應(yīng)。大多數(shù)現(xiàn)代函數(shù)發(fā)生器可以輕松輸出高達(dá) 1 Mhz 的頻率。

因此，雖然我沒想到基于 Arduino 的正弦波發(fā)生器會(huì)取代我的桌面函數(shù)發(fā)生器，但我認(rèn)為看看如何設(shè)計(jì)一個(gè)正弦波發(fā)生器以及它的性能會(huì)很有趣。

DAC PCB、Arduino 和無焊面包板

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查找表

我決定最簡單的開始方法是創(chuàng)建一個(gè)值查找表，用于我的正弦波輸出。表中的值越多，輸出就越接近真正的正弦波。在創(chuàng)建要重復(fù)循環(huán)的查找表時(shí)，使用 2 的冪也非常方便。因此，8 個(gè)值是行不通的，而 128 個(gè)值可能會(huì)對 MCU 的能力造成負(fù)擔(dān)。我決定從 32 個(gè)值開始。

接下來，我需要決定提供多少分辨率。SF-5 基于 12 位器件 MCP4725 DAC。（注：您可以在 Tindie 上購買 SF-5，也可以購買設(shè)備的 DIP 封裝并直接放在您的無焊面包板上）。所以，它是 12 位。我打開一個(gè) Excel 電子表格，記下從 0 到 31 的數(shù)字。我需要的下一列是以弧度表示的角度。這只是指數(shù)乘以 2 乘以 Pi 除以 32。下一列是信號的歸一化幅度。我只是在上一欄中取了角度的正弦值。這產(chǎn)生了一個(gè)峰峰值為 2 個(gè)單位且以零為中心的信號。它的最大值為+1，最小值為-1。

輸出范圍為 0 到 5V，我需要一個(gè)以 2.5V 為中心且幅度為 ± 2.5V 的信號。下一列只是將信號乘以 2.5。然后我們將其偏移 2.5V。信號顯示最大值為 5V，最小值為 0V。完美的！

現(xiàn)在我們只需要把它轉(zhuǎn)換成一個(gè) 12 位的數(shù)字放到我們的表中。由于我們希望電壓為 5V 時(shí)的值為 4095，因此我們乘以 4095 并除以 5。要檢查，請查看第 8 行。電壓輸出為 5V，位數(shù)為 4095。

桌子

32 個(gè) 2 字節(jié)的數(shù)字不是很多數(shù)據(jù)，可以很容易地存儲(chǔ)在 RAM 中，但這是一次學(xué)習(xí)體驗(yàn)，我想學(xué)習(xí)如何將表存儲(chǔ)在 FLASH 中并根據(jù)需要讀取它。優(yōu)點(diǎn)是有一天我會(huì)有太多的數(shù)據(jù)要放入 RAM 并且需要使用 FLASH，所以這是學(xué)習(xí)的好時(shí)機(jī)。命令是 PROGMEM，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的語句是：

const PROGMEM unsigned int mysine [] = {TABLE}

編碼

我編寫了一個(gè)簡單的循環(huán)程序，在串行線路上查找用戶輸入。在我的情況下，當(dāng)看到數(shù)字 6 時(shí)，它會(huì)跳轉(zhuǎn)到通過 I2C 總線將表格轉(zhuǎn)儲(chǔ)到 DAC 的代碼中。在我第一次想到我可以索引我的數(shù)組并讀取數(shù)據(jù)之前從未直接使用過 FLASH。RTFM – 閱讀精美手冊。從 FLASH 讀取時(shí)，您使用不同的命令 -

temp = pgm_read_word_near(mysine + i);

這將從數(shù)組中讀取一個(gè) 16 位字或一個(gè)條目。我從 i=0 開始并增加到 31，然后再次將其設(shè)置回零（i = I & 0x1F;）。很高興我們可以從 FLASH 中讀取字，但我們只能以字節(jié)寫入 DAC。我們需要對我們的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些編輯。

首先發(fā)送 MSB。前兩位是速度，接下來的兩位是掉電選擇模式，接下來的 4 位是數(shù)據(jù)。使用 Wire.write 命令將其發(fā)送出去。接下來，我們發(fā)送低 8 位數(shù)據(jù)，同樣使用 Wire.write 命令。

頻率怎么樣？

當(dāng)您進(jìn)入一個(gè)循環(huán)并連續(xù)發(fā)送 32 個(gè)表?xiàng)l目時(shí)，這是您可以執(zhí)行的最快速度和最高頻率。我得到的頻率是92Hz。然后我想調(diào)整頻率，我決定在每個(gè)表?xiàng)l目之后添加一個(gè)延遲（）。每個(gè)周期將是 32 毫秒（大約）。因此，后續(xù)頻率為 23Hz、13Hz、9Hz。您最多可以延遲 256。我認(rèn)為這給了我 8 秒的時(shí)間。

來自 DAC 的原始輸出

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多么可怕的輸出！

看著原始輸出的圖片，您可能會(huì)想，“看起來多么糟糕的輸出?！?它有一個(gè)階梯圖案。那是因?yàn)檫@些是我們從 DAC 輸出的 32 個(gè)電壓。我們可以在表格中添加更多條目以使階梯模式變得更平滑，但這會(huì)降低最大頻率。我們可以做的另一件事是濾除在我們改變電壓電平時(shí)在波形中形成尖角的高頻。我使用了一個(gè)簡單的 RC 低通濾波器；R = 10K，C = 0.1uF，截止頻率約為 160Hz。如您所見，它看起來好多了，并且更接近真正的正弦波。

過濾輸出

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改進(jìn)用戶界面

我允許用戶通過鍵盤修改延遲，方法是在收到“+”字符時(shí)將延遲增加一個(gè)單位，并在收到“-”字符時(shí)減少延遲。

我也不想將用戶鎖定在無限循環(huán)中，所以我檢查用戶是否發(fā)送了“e”或“E”（因?yàn)闆]有什么比擔(dān)心區(qū)分大小寫更煩人的了）。當(dāng)我得到它時(shí)，我將其視為退出請求并跳回主循環(huán)。我這樣做有點(diǎn)不雅，不考慮我將電壓輸出留在哪里。但請記住，我們只是在這里玩得開心。如果這是一個(gè)產(chǎn)品，我希望將輸出保持在已知狀態(tài)，可能是 0 伏。

這是主菜單（數(shù)字應(yīng)該是連續(xù)的，但沒有很好地復(fù)制）

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改進(jìn)

我使用了一個(gè)任何人都可以在 Arduino 上編寫的簡單用戶界面。我相信你可以在你的電腦上使用 Python 或其他東西來制作一個(gè)非?？岬慕缑?。我也沒有這樣做的具體原因，所以如果你有一個(gè)有實(shí)際需求的項(xiàng)目，你可能會(huì)更改代碼以適應(yīng)。

演示

我制作了一個(gè)演示視頻，其中包含菜單中的所有選項(xiàng)，包括 Sinewave 輸出 (6) 并將其放在 Youtube 上。如果你跳到最后，你可以看到正弦波的演示：

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