如何使用Arduino開發(fā)板制作函數(shù)生成器（波形發(fā)生器）

對于喜歡偶爾鼓搗電子產(chǎn)品的工程師來說，他們都希望能有自己的實驗室。萬用表、鉗形表、示波器、LCR表、函數(shù)發(fā)生器、雙模電源和自動變壓器都是實驗室的基本配置。雖然所有這些都可以購買，但我們也可以輕松地自行制作，如函數(shù)發(fā)生器和雙模電源。

在本篇文章中，我們將學(xué)習(xí)如何使用Arduino開發(fā)板快速輕松地制作自己的函數(shù)生成器。該函數(shù)發(fā)生器又稱波形發(fā)生器，可產(chǎn)生頻率范圍為1Hz至2MHz的方波（5V / 0V），波形頻率可通過旋鈕控制，占空比固定為50％，但在本文中也很容易改變。除此之外，波形發(fā)生器還可以通過頻率控制產(chǎn)生正弦波。請注意，此波形發(fā)生器不是工業(yè)級的，不能用于嚴(yán)格的測試。但除此之外，它將為所有業(yè)余愛好項目派上用場，您無需等待數(shù)周的運輸。還有什么比使用我們自己制作的設(shè)備更有趣。

所需的材料

● Arduino Nano開發(fā)板

● 字符型圖形點陣液晶1602

● 旋轉(zhuǎn)編碼器

● 電阻（5.6K，10K）

● 電容（0.1uF）

● 焊接套件

電路原理圖

該Arduino函數(shù)發(fā)生器的完整電路圖如下所示。正如您所看到的，我們使用Arduino Nano開發(fā)板作為項目的主控，1602 LCD顯示當(dāng)前正在生成的頻率值。我們還有一個旋轉(zhuǎn)編碼器，可以幫助我們設(shè)置頻率。

整個設(shè)備由Arduino自身的USB端口供電。我之前使用過的連接由于某些原因并沒有達到要求，我們將在本文后面討論這些原因。因此，我不得不通過改變引腳順序來接線。無論如何，你不會有任何問題，因為它全部整理好，只需仔細按照電路知道哪個引腳連接到什么。您還可以參考下表來驗證您的連接。

電路非常簡單；我們在引腳D9上產(chǎn)生方波，可以這樣使用，該方波的頻率由旋轉(zhuǎn)編碼器控制。然后為了獲得正弦波，我們在引腳D5上產(chǎn)生SPWM信號，其頻率必須與PWM頻率相關(guān)，因此我們將這個PWM信號提供給引腳D2作為中斷，然后使用ISR來控制正弦波的頻率。

您可以在面包板上構(gòu)建電路，也可以制作一個PCB。但我決定將它焊接在Perf板上以快速完成工作并使其長期可靠使用。所有連接完成后，我的電路板看起來像這樣。

如果您想了解更多關(guān)于如何使用Arduino生成PWM和正弦波的信息，請閱讀以下段落，或者您可以直接向下滾動到編程Arduino部分。

產(chǎn)生變頻方波

使用Arduino的人可能很熟悉Arduino只需使用模擬寫入函數(shù)即可生成PWM信號。但是這個函數(shù)僅限于控制PWM信號的占空比而不是信號的頻率。但是對于波形發(fā)生器，我們需要一個可以控制頻率的PWM信號。這可以通過直接控制Arduino的定時器并根據(jù)它切換GPIO引腳來完成。但是有一些預(yù)先構(gòu)建的庫可以完全相同并且可以這樣使用。我們使用的庫是Arduino PWM頻率庫。我們將在代碼部分討論有關(guān)此庫的更多信息。

這個庫也有一些缺點，因為庫改變了Arduino中默認的Timer 1和Timer 2設(shè)置。因此，您將無法在Arduino上再使用伺服庫或任何其他與計時器相關(guān)的庫。引腳9、10、11和13上的模擬寫入函數(shù)也使用定時器1和定時器2，因此您將無法在這些引腳上產(chǎn)生SPWM。

這個庫的優(yōu)點是它不會干擾Arduino的定時器0，其比定時器1和定時器2更重要。因此你可以自由地使用延遲函數(shù)和millis()函數(shù)而沒有任何問題。引腳5和6也由定時器0控制，因此我們在這些引腳上使用模擬寫或伺服控制操作時不會遇到問題。最初花了一些時間才弄清楚這一點，這就是為什么接線搞砸了。

使用Arduino生成正弦波

我們知道微控制器是數(shù)字設(shè)備，它們不能僅僅通過編碼產(chǎn)生正弦波。但是，在從微控制器獲得正弦波的兩種流行方法中，一種是使用DAC，另一種是通過創(chuàng)建SPWM。不幸的是，Arduino開發(fā)板（除了Due）沒有內(nèi)置DAC來產(chǎn)生正弦波，但你總是可以使用簡單的R2R方法構(gòu)建自己的DAC，然后用它來產(chǎn)生正常的正弦波。但是為了減少硬件工作，我決定使用后面的方法，創(chuàng)建SPWM信號然后將其轉(zhuǎn)換為正弦波。

什么是SPWM信號？

術(shù)語SPWM代表正弦脈沖寬度調(diào)制。該信號與PWM非常相似，但對于SPWM信號，以這樣的方式控制占空比，以獲得與正弦波相似的平均電壓。例如，在100％占空比時，平均輸出電壓為5V，在25％時我們將為1.25V，從而控制占空比，我們可以獲得預(yù)定義的可變平均電壓，這只是一個正弦波。這種技術(shù)通常用于逆變器。

在上圖中，藍色信號是SPWM信號。請注意，波形的占空比在0％到100％之間變化，然后再回到0％。該曲線圖繪制為-1.0至+ 1.0V，但在我們的情況下，由于我們使用的是Arduino，因此刻度將為0V至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單個轉(zhuǎn)換為正弦波需要H橋電路，該電路由最少4個電源開關(guān)組成。我們不會深入研究它，因為我們不在這里使用它。這些H橋電路通常用于逆變器。它利用兩個SPWM信號，其中一個信號與另一個相移，并且兩個信號都被施加到H橋中的電源開關(guān)，以使對角線相對的開關(guān)同時打開和關(guān)閉。通過這種方式，我們可以獲得看起來類似于正弦波的波形，但實際上不會更接近上圖中顯示的任何波形（綠波）。為了獲得純波形輸出，我們必須使用像低通濾波器這樣的濾波器，它包括一個電感和電容。

但是在電路中，我們不會使用正弦波來為任何東西供電。我只是想從生成的SPWM信號創(chuàng)建該波形，所以我選擇了一個簡單的RC-Filter。您也可以嘗試使用LC濾波器以獲得更好的結(jié)果，但為了簡單起見，我選擇了RC。我的電阻值為620歐姆，電容為10uF。上圖顯示了引腳5的SPWM信號（黃色）和通過RC濾波器后獲得的正弦波（藍色）。

添加Arduino PWM頻率庫

● Arduino PWM頻率庫

在撰寫本文時，Arduino PWM頻率庫V_05是最新版本，它將以ZIP文件形式供下載。 解壓ZIP文件，然后您將得到一個名為PWM的文件夾。 然后導(dǎo)航到Arduino IDE的Libraries文件夾，對于Windows用戶，它將位于路徑C:\Users\User\Documents\Arduino\libraries中。 將PWM文件夾粘貼到libraries文件夾中。 有時你可能已經(jīng)有一個PWM文件夾，這時，請確保用這個新文件夾替換舊文件夾。
編輯：hfy