每個(gè)喜歡在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)修補(bǔ)電子設(shè)備的工程師都希望擁有自己的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置。萬(wàn)用表、鉗形表、示波器、LCR 表、函數(shù)發(fā)生器、雙模電源和自動(dòng)變壓器是體面實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的最低限度設(shè)備。雖然所有這些都可以購(gòu)買，但我們也可以輕松地自己構(gòu)建一些，例如函數(shù)發(fā)生器和雙模電源。

在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何快速輕松地使用 Arduino 構(gòu)建自己的函數(shù)生成器。這個(gè)函數(shù)發(fā)生器又名波形發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率范圍從 1Hz 到 2MHz 的方波 （5V/0V），波的頻率可以通過(guò)旋鈕控制，占空比硬編碼為 50%，但很容易改變?cè)诠?jié)目中也是如此。除此之外，該發(fā)生器還可以產(chǎn)生帶頻率控制的自波。請(qǐng)注意，該發(fā)生器不是工業(yè)級(jí)的，不能用于嚴(yán)格的測(cè)試。但除此之外，它對(duì)于所有愛(ài)好項(xiàng)目都會(huì)派上用場(chǎng)，您無(wú)需在數(shù)周內(nèi)等待貨物到達(dá)。還有什么比使用我們自己構(gòu)建的設(shè)備更有趣的事情。

所需材料

Arduino納米

16*2 字母數(shù)字液晶顯示屏

旋轉(zhuǎn)編碼器

電阻（5.6K，10K）

電容 （0.1uF）

Perf 板，Bergstik

焊接套件

電路原理圖

這個(gè)Arduino 函數(shù)發(fā)生器的完整電路圖如下所示。如您所見(jiàn)，我們有一個(gè) Arduino Nano 作為我們項(xiàng)目的大腦和一個(gè)16x2 LCD來(lái)顯示當(dāng)前生成的頻率值。我們還有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以幫助我們?cè)O(shè)置頻率。

完整的設(shè)置由 Arduino 本身的 USB 端口供電。由于某些我們將在本文后面討論的原因，我之前使用的連接沒(méi)有成功。因此，我不得不通過(guò)更改引腳順序來(lái)稍微弄亂接線。無(wú)論如何，您不會(huì)有任何此類問(wèn)題，因?yàn)樗呀?jīng)全部解決了，只需仔細(xì)按照電路了解哪個(gè)引腳連接到什么。您還可以參考下表來(lái)驗(yàn)證您的連接。

電路非常簡(jiǎn)單；我們?cè)?D9 引腳上產(chǎn)生一個(gè)方波，可以這樣使用，該方波的頻率由旋轉(zhuǎn)編碼器控制。然后為了得到一個(gè)正弦波，我們?cè)谝_ D5 上產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)，它的頻率必須與 PWM 頻率相關(guān)，所以我們將此 PWM 信號(hào)提供給引腳 D2 作為中斷，然后使用 ISR 來(lái)控制頻率自波。

您可以在面包板上構(gòu)建電路，甚至可以為其購(gòu)買 PCB。但我決定將它焊接在 Perf 板上，以快速完成工作并使其長(zhǎng)期使用可靠。所有連接完成后，我的電路板看起來(lái)像這樣。

如果您想了解更多關(guān)于如何使用 Arduino 產(chǎn)生 PWM 和正弦波的信息，請(qǐng)閱讀以下段落，否則您可以直接向下滾動(dòng)到 Programming Arduino 部分。

產(chǎn)生變頻方波

使用 Arduino 的人可能會(huì)熟悉， Arduino只需使用模擬寫入功能即可產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。但此功能僅限于控制 PWM 信號(hào)的占空比，而不是控制信號(hào)的頻率。但是對(duì)于波形發(fā)生器，我們需要一個(gè)頻率可以控制的 PWM 信號(hào)。這可以通過(guò)直接控制 Arduino 的定時(shí)器并基于它切換 GPIO 引腳來(lái)完成。但是有一些預(yù)先構(gòu)建的庫(kù)可以做同樣的事情并且可以這樣使用。我們使用的庫(kù)是Arduino PWM 頻率庫(kù)。我們將在編碼部分討論更多關(guān)于這個(gè)庫(kù)的信息。

這個(gè)庫(kù)也有一些缺點(diǎn)，因?yàn)閹?kù)改變了 Arduino 中的默認(rèn)定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2 設(shè)置。因此，您將不再能夠在 Arduino 上使用伺服庫(kù)或任何其他與計(jì)時(shí)器相關(guān)的庫(kù)。此外，引腳 9、10、11 和 13 上的模擬寫入功能使用定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2，因此您將無(wú)法在這些引腳上產(chǎn)生 SPWM。

這個(gè)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)干擾 Arduino 的 Timer 0，它比 Timer 1 和 Timer 2 更重要。因此，您可以毫無(wú)問(wèn)題地自由使用延遲函數(shù)和 millis（） 函數(shù)。引腳 5 和 6 也由定時(shí)器 0 控制，因此我們?cè)谶@些引腳上使用模擬寫入或伺服控制操作不會(huì)有問(wèn)題。最初我花了一些時(shí)間才弄清楚這一點(diǎn)，這就是為什么接線有點(diǎn)混亂的原因。

這里我們也建了一個(gè)簡(jiǎn)單的方波發(fā)生器，但是要改變波形的頻率，你必須更換電阻或電容，而且很難得到所需的頻率。

使用 Arduino 產(chǎn)生正弦波

眾所周知，微控制器是數(shù)字設(shè)備，它們不能僅通過(guò)編碼來(lái)產(chǎn)生正弦波。但是有兩種從微控制器獲得正弦波的流行方法，一種是利用 DAC，另一種是創(chuàng)建 SPWM。不幸的是，Arduino 板（Due 除外）沒(méi)有內(nèi)置 DAC 來(lái)產(chǎn)生正弦波，但您始終可以使用簡(jiǎn)單的 R2R 方法構(gòu)建自己的 DAC，然后使用它來(lái)產(chǎn)生體面的正弦波。但為了減少硬件工作，我決定使用后一種方法來(lái)創(chuàng)建 SPWM 信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為正弦波。

什么是 SPWM 信號(hào)？

術(shù)語(yǔ) SPWM 代表正弦脈沖寬度調(diào)制。該信號(hào)與 PWM 非常相似，但對(duì)于 SPWM 信號(hào)，占空比被控制為獲得類似于正弦波的平均電壓。例如，100% 占空比時(shí)，平均輸出電壓為 5V，25% 時(shí)我們將有 1.25V，因此通過(guò)控制占空比，我們可以獲得預(yù)定義的可變平均電壓，這不過(guò)是一個(gè)正弦波。這種技術(shù)通常用于逆變器。

在上圖中，藍(lán)色信號(hào)是 SPWM 信號(hào)。請(qǐng)注意，波形的占空比從 0% 變化到 100%，然后又回到 0%。該圖是為 -1.0 到 +1.0V 繪制的，但在我們的例子中，由于我們使用的是 Arduino，因此比例將從 0V 到 5V。我們將在下面的編程部分學(xué)習(xí)如何使用 Arduino 生成 SPWM。

將 SPWM 轉(zhuǎn)換為正弦波

將 SPWM 單波轉(zhuǎn)換為正弦波需要一個(gè)由至少 4 個(gè)電源開(kāi)關(guān)組成的 H 橋電路。我們不會(huì)更深入地研究它，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@里沒(méi)有使用它。這些 H 橋電路通常用于逆變器。它利用兩個(gè) SPWM 信號(hào)，其中一個(gè)與另一個(gè)相移，兩個(gè)信號(hào)都應(yīng)用于 H 橋中的電源開(kāi)關(guān)，以使對(duì)角相對(duì)的開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。通過(guò)這種方式，我們可以得到一個(gè)看起來(lái)類似于正弦波的波形，但實(shí)際上不會(huì)更接近上圖所示的任何波形（綠色波形）。為了獲得純自波輸出，我們必須使用像低通濾波器這樣的濾波器，它由電感器和電容器組成。

然而，在我們的電路中，我們不會(huì)使用正弦波為任何東西供電。我只是想從生成的 SPWM 信號(hào)中創(chuàng)建，所以我使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 濾波器。您也可以嘗試使用 LC-Filter 以獲得更好的結(jié)果，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我選擇了 RC。我的電阻值是 620 歐姆，電容是 10uF。上圖顯示了來(lái)自引腳 5 的 SPWM 信號(hào)（黃色）和通過(guò) RC 濾波器后獲得的正弦波（藍(lán)色）。

如果您不想改變頻率，您也可以使用這個(gè)使用晶體管的簡(jiǎn)單正弦波發(fā)生器電路來(lái)產(chǎn)生正弦波。

添加 Arduino PWM 頻率庫(kù)

可以通過(guò)單擊下面的鏈接下載 Arduino 頻率庫(kù)。

Arduino PWM 頻率庫(kù)

在撰寫本文時(shí)，Arduino PWM 頻率庫(kù) V_05 是最新的，它將以 ZIP 文件的形式下載。提取 ZIP 文件廣告，您將獲得一個(gè)名為 PWM 的文件夾。然后導(dǎo)航到 Arduino IDE 的 Libraries 文件夾，對(duì)于 Windows 用戶，它將位于您的文檔中，路徑為C：UsersUserDocumentsArduinolibraries。將 PWM 文件夾粘貼到庫(kù)文件夾中。有時(shí)您可能已經(jīng)有一個(gè) PWM 文件夾，在這種情況下，請(qǐng)確保將舊文件夾替換為新文件夾。

為波形發(fā)生器編程 Arduino
與往常一樣，可以在本頁(yè)底部找到該項(xiàng)目的完整程序。您可以這樣使用代碼，但請(qǐng)確保您已為 Arduino IDE 添加了可變頻率庫(kù)，如上所述，否則您將收到編譯時(shí)錯(cuò)誤。在本節(jié)中，讓我們查看代碼以了解正在發(fā)生的事情。

基本上我們想在引腳 9 上產(chǎn)生一個(gè)可變頻率的 PWM 信號(hào)。該頻率應(yīng)使用旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置，該值也應(yīng)顯示在 16*2 LCD 上。一旦在引腳 9 上創(chuàng)建了 PWM 信號(hào)，它將在引腳 2 上產(chǎn)生中斷，因?yàn)槲覀円呀?jīng)將兩個(gè)引腳都短路了。使用此中斷，我們可以控制在引腳 5 上生成的 SPWM 信號(hào)的頻率。

與往常一樣，我們通過(guò)包含所需的庫(kù)來(lái)開(kāi)始我們的程序。液晶庫(kù)是 Arduino 內(nèi)置的，我們剛剛安裝了 PWM 庫(kù)。

#include //用于控制頻率的PWM庫(kù)。PWM 信號(hào)的
#include
接下來(lái)我們聲明全局變量，并提及 LCD、Rotary Encoder 和信號(hào)引腳的引腳名稱。如果您按照上面的電路圖進(jìn)行操作，則可以不受干擾。

const int rs = 14, en = 15, d4 = 4, d5 = 3, d6 = 6, d7 = 7; //注明LCD連接的管腳號(hào)
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

常量 int Encoder_OuputA = 11;
常量 int Encoder_OuputB = 12;
常量 int Encoder_Switch = 10;
常量 int signal_pin = 9;
常量 int Sine_pin = 5;
常量 int POT_pin = A2;

int Previous_Output;
整數(shù)乘數(shù) = 1;
雙角 = 0;
雙倍增量 = 0.2;
int32_t 頻率；//要設(shè)置的頻率
int32_t lower_level_freq = 1; //最低可能的頻率值為1Hz
int32_t upper_level_freq = 100000; //最大可能頻率為100KHz
在setup函數(shù)中，我們初始化 LCD 和串行通信以進(jìn)行調(diào)試，然后將 Encoder 的引腳聲明為輸入引腳。我們還在引導(dǎo)過(guò)程中顯示一條介紹消息，以確保一切正常。

lcd.begin(16, 2); //初始化16*2 LCD

lcd.print("信號(hào)發(fā)生器"); //介紹消息行 1
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("-CircuitDigest"); //介紹消息第 2 行
延遲（2000）；
lcd.clear();
lcd.print("頻率:00000Hz");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Inc. by: 1");

序列號(hào).開(kāi)始（9600）；//調(diào)試串口

//pin 模式聲明
pinMode (Encoder_OuputA, INPUT);
pinMode (Encoder_OuputB, INPUT);
pinMode（編碼器開(kāi)關(guān)，輸入）；
另一條重要的線路是InitTimerSafe，它初始化定時(shí)器 1 和 2 以產(chǎn)生可變頻率 PWM。一旦調(diào)用此函數(shù)，Arduino 的默認(rèn)計(jì)時(shí)器設(shè)置將被更改。

InitTimersSafe(); //初始化定時(shí)器而不干擾定時(shí)器0
我們還在引腳 2 上運(yùn)行了外部中斷。因此，每當(dāng)引腳 2 的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，該中斷將運(yùn)行中斷服務(wù)程序 (ISR) 功能。這里 ISR 函數(shù)的名稱是generate_sine。

attachInterrupt(0,generate_sine,CHANGE);
接下來(lái)，在void 循環(huán)中，我們必須檢查旋轉(zhuǎn)編碼器是否已轉(zhuǎn)動(dòng)。只有當(dāng)它已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們才需要調(diào)整 PWM 信號(hào)的頻率。我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何將Rotary Encoder 與 Arduino連接。如果你是新來(lái)的，我建議你回到那個(gè)教程然后回到這里。

如果旋轉(zhuǎn)編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，我們通過(guò)將頻率值與乘數(shù)相加來(lái)增加頻率值。這樣我們可以將頻率值增加/減少 1、10、100 甚至 1000。乘數(shù)的值可以通過(guò)按下旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)設(shè)置。如果編碼器旋轉(zhuǎn)，我們會(huì)改變頻率值并在引腳 9 上產(chǎn)生一個(gè) PWM 信號(hào)，如下所示。這里的值 32768 將 PWM 設(shè)置為 50% 周期。選擇值 32768，因?yàn)?65536 的 50% 是 32768，因此您可以確定所需占空比的值。但這里的占空比固定為 50%。最后，函數(shù)SetPinFrequencySafe用于設(shè)置我們的信號(hào)引腳（即引腳 9）的頻率。

pwmWriteHR(signal_pin, 32768); //默認(rèn)設(shè)置占空比為50% -> for 16-bit 65536/2 = 32768
SetPinFrequencySafe(signal_pin, frequency);
在 ISR 函數(shù)中，我們編寫代碼來(lái)生成 SPWM 信號(hào)。有很多方法可以生成 SPWM 信號(hào)，甚至還有可用于 Arduino 的預(yù)構(gòu)建庫(kù)。我使用了最簡(jiǎn)單的方法來(lái)利用Arduino 中的 sin() 函數(shù)。如果您有興趣，也可以嘗試使用查找表方法。sin() 返回一個(gè)介于 -1 到 +1 之間的變量值（十進(jìn)制），當(dāng)根據(jù)時(shí)間繪制時(shí)，這會(huì)給我們一個(gè)正弦波。

現(xiàn)在我們要做的就是將這個(gè) -1 到 +1 的值轉(zhuǎn)換為 0 到 255 并將其提供給我們的模擬寫入函數(shù)。為此，我將其乘以 255 只是為了忽略小數(shù)點(diǎn)，然后使用 map 函數(shù)將值從 -255 到 +255 轉(zhuǎn)換為 0 到 +255。最后，使用模擬寫入功能將該值寫入引腳 5。每次調(diào)用 ISR 時(shí)，角度值都會(huì)增加 0.2，這有助于我們控制正弦波的頻率

雙正弦值 = sin(角度);
正弦值 *= 255;
int plot = map(sineValue, -255, +255, 0, 255);
Serial.println(plot);
類比寫入（正弦引腳，繪圖）；
角度 += 增量；

在硬件上測(cè)試 Arduino 函數(shù)發(fā)生器

根據(jù)電路圖構(gòu)建您的硬件并上傳本頁(yè)底部給出的代碼?，F(xiàn)在，您已準(zhǔn)備好測(cè)試您的項(xiàng)目。如果你有 DSO（示波器）會(huì)容易得多，但你也可以用 LED 測(cè)試它，因?yàn)轭l率范圍非常高。

將探頭連接到電路的方波和正弦波引腳。如果您沒(méi)有示波器，請(qǐng)?jiān)谶@兩個(gè)引腳上使用兩個(gè) LED。接通電路電源，您應(yīng)該會(huì)在 LCD 上看到介紹性消息。然后改變旋轉(zhuǎn)編碼器并設(shè)置所需的頻率，您應(yīng)該能夠在示波器上觀察方波和正弦波，如下所示。如果您使用 LED，您應(yīng)該注意到 LED 根據(jù)您設(shè)置的頻率以不同的間隔閃爍。

#include //用于控制頻率的PWM庫(kù)。PWM 信號(hào)的

#include


const int rs = 14, en = 15, d4 = 4, d5 = 3, d6 = 6, d7 = 7; //注明LCD連接的管腳號(hào)

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);


int Encoder_OuputA = 11;

int Encoder_OuputB = 12;

int Encoder_Switch = 10;

int Previous_Output;

整數(shù)乘數(shù) = 1;


雙角 = 0;

雙倍增量 = 0.2;



常量 int signal_pin = 9;

常量 int Sine_pin = 5;

常量 int POT_pin = A2;

int32_t 頻率；//要設(shè)置的頻率

int32_t lower_level_freq = 1; //最低可能的頻率值為1Hz

int32_t upper_level_freq = 100000; //最大可能頻率為100KHz


無(wú)效 setup()

{

lcd.begin(16, 2); //初始化16*2 LCD


lcd.print("信號(hào)發(fā)生器"); //介紹消息行 1

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("-CircuitDigest"); //介紹消息第 2 行

延遲（2000）；

lcd.clear();

lcd.print("頻率:00000Hz");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Inc. by: 1");



序列號(hào).開(kāi)始（9600）；//調(diào)試序列號(hào)

InitTimersSafe(); //初始化定時(shí)器而不干擾定時(shí)器 0



//pin 模式聲明

pinMode (Encoder_OuputA, INPUT);

pinMode (Encoder_OuputB, INPUT);

pinMode（編碼器開(kāi)關(guān)，輸入）；


Previous_Output = digitalRead(Encoder_OuputA); //讀取輸出A的初始值


attachInterrupt(0,generate_sine,CHANGE);

}






void loop()

{

if (digitalRead(Encoder_OuputA) != Previous_Output)

{

if (digitalRead(Encoder_OuputB) != Previous_Output)

{

頻率 = 頻率 + 乘數(shù)；

// Serial.println(頻率);

pwmWriteHR(signal_pin, 32768); //默認(rèn)設(shè)置占空比為50% -> for 16-bit 65536/2 = 32768

SetPinFrequencySafe(signal_pin, frequency);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("頻率：Hz");

lcd.setCursor(5, 0);

lcd.print（頻率）；

}

else

{

頻率 = 頻率 - 乘數(shù)；

// Serial.println(頻率);

pwmWriteHR(signal_pin, 32768); //默認(rèn)設(shè)置占空比為50% -> for 16-bit 65536/2 = 32768

SetPinFrequencySafe(signal_pin, frequency);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("頻率：Hz");

lcd.setCursor(5, 0);

lcd.print（頻率）；

}

}


if (digitalRead(Encoder_Switch) == 0)

{

乘數(shù) = 乘數(shù) * 10;


如果（乘數(shù)> 1000）

乘數(shù)=1；



// Serial.println(乘數(shù));

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Cng.by:");

lcd.setCursor(8, 1);

lcd.print（乘數(shù)）；



延遲（500）；

而（數(shù)字讀取（編碼器開(kāi)關(guān)）== 0）；

}


Previous_Output = digitalRead(Encoder_OuputA);



}


void generate_sine()

{

double sineValue = sin(angle);

正弦值 *= 255;

int plot = map(sineValue, -255, +255, 0, 255);

Serial.println(plot);

類比寫入（正弦引腳，繪圖）；

角度 += 增量；


如果（角度> 180）

角度=0；

}
?