微位函數(shù)發(fā)生器開(kāi)源分享

描述

該項(xiàng)目是對(duì)先前發(fā)布的早期項(xiàng)目的增強(qiáng)：

微位脈沖發(fā)生器 - 可變范圍

增強(qiáng)功能是定制設(shè)計(jì)的 PCB，用于執(zhí)行正弦波和鋸齒波的 D2A 轉(zhuǎn)換，具有獨(dú)立的輸出和獨(dú)立的幅度控制。

增加了一個(gè) OLED 顯示屏來(lái)指示范圍、頻率和輸出狀態(tài)。

全部安裝在定制的 3D 打印外殼中。

數(shù)字波形

可以使用帶有加權(quán)輸出的移位電阻器生成數(shù)字正弦波波形。

使用兩個(gè) 4 位移位寄存器，我們可以生成 8 個(gè)離散的向上步進(jìn)和 8 個(gè)離散的向下步進(jìn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性。

對(duì)于第一個(gè)移位寄存器。

Q0 上有一個(gè)電阻器 R，當(dāng) QO 為高時(shí)，電流會(huì)流動(dòng)。如果我們?cè)?Q1 上放置一個(gè) R./2 的電阻器，那么當(dāng) Q1 為高電平時(shí)，電流將流過(guò)兩倍。因此，如果我們?cè)?Q2 上安裝 R/4 電阻，在 Q3 上安裝 R/8 電阻，那么我們每一步都有一個(gè)加權(quán)電流。

對(duì)于第二個(gè)移位寄存器。

Q3 上有一個(gè)電阻器 R，當(dāng) Q3 為高電平時(shí)，電流會(huì)流過(guò)。如果我們?cè)?Q2 上放置一個(gè) R./2 的電阻器，那么當(dāng) Q2 為高電平時(shí)，電流將流過(guò)兩倍。因此，如果我們?cè)?Q1 上安裝 R/4 電阻，在 Q0 上安裝 R/8 電阻，那么每一步的加權(quán)電流都會(huì)隨著計(jì)數(shù)的增加而減小。

如果兩個(gè)計(jì)數(shù)器的求和點(diǎn)連接到負(fù)載電阻器，則每個(gè)電流階躍都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓階躍。

輸出波形的頻率 = Fin/2^(n/2) 其中 n = 加權(quán)輸出。

因此，如果 Fin = 1KHz，則正弦波頻率將為 1000/16 = ~62.5Hz

電路設(shè)計(jì)

該電路采用低壓邏輯 IC（移位寄存器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、EXOR 和 OpAmp）設(shè)計(jì)，采用 DIL 封裝，易于組裝。

鋸齒波使用 CD4024、7 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器生成，二進(jìn)制加權(quán)電阻連接到 4 個(gè) LSB 輸出。

時(shí)鐘輸入來(lái)自 MicrobIt 的輸出 P0。

時(shí)鐘頻率的控制由一個(gè) 100k、10 圈的電位器提供，其主電阻連接在 0V 和 3V 之間，抽頭連接到 Microbit 的 P1 以提供用于改變頻率的可變電壓 (Vv)。

Vv = Rx/100k*3V 其中 Rx 是抽頭和 0V 連接之間的電阻

POR（上電復(fù)位）由連接到復(fù)位引腳的 CR* 網(wǎng)絡(luò)提供，以確保計(jì)數(shù)器和寄存器在低電平狀態(tài)下上電。

*（CR 網(wǎng)絡(luò)在上電時(shí)將復(fù)位引腳拉高約 1 毫秒，直到電容器充電，然后由電阻器保持低電平）。

二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘從 0 到 15 的每個(gè)負(fù)跳變時(shí)遞增，然后重置為 0 以重復(fù)循環(huán)。

結(jié)果是重復(fù)的數(shù)字鋸齒波。

求和點(diǎn)的電壓被饋送到配置為非反相放大器的雙運(yùn)算放大器的一半的非反相輸入。

一個(gè) 5k (Rf) 電位器與一個(gè) 220R (Rp) 一起連接在反饋路徑中，以控制波形輸出幅度。Vgain = 1+Rf/Rp，Vgain 為 1 至 24，可將輸出電壓控制在 ~0 至 3V。

移位寄存器在時(shí)鐘的每個(gè)正跳變上傳輸數(shù)據(jù)，寄存器 1 的最后一級(jí) (Q3) 連接到寄存器 2 的數(shù)據(jù)輸入，其最后一級(jí) (Q3) 反饋到寄存器 1 的數(shù)據(jù)輸入。

在打開(kāi)時(shí)，所有寄存器都復(fù)位為零，但連接到寄存器 1 的數(shù)據(jù)輸入的反相器在每次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)將每個(gè)階段設(shè)置為邏輯 1。逐漸增加電壓。

一旦寄存器 2 的最后一級(jí)設(shè)置為 1，反相器將數(shù)據(jù)輸入設(shè)置為 0，并且每個(gè)級(jí)依次設(shè)置為 0。電壓逐漸降低。

結(jié)果是重復(fù)的數(shù)字正弦波。

求和點(diǎn)的電壓被饋送到配置為非反相放大器的雙運(yùn)算放大器的一半的非反相輸入。

一個(gè) 5k (Rf) 電位器與一個(gè) 220R (Rp) 一起連接在反饋路徑中，以控制波形輸出幅度。Vgain = 1+Rf/Rp，Vgain 為 1 至 24，可將輸出電壓控制在 ~0 至 3V。

編碼

在該項(xiàng)目的最初版本中，Microbit 顯示器用于指示狀態(tài)。

但是，由于 Microbit 的信息有限，無(wú)需滾動(dòng)即可一次性顯示，因此升級(jí)為 OLED 顯示屏。

因此包含了額外的代碼來(lái)使用這個(gè)顯示。

顯示的信息是：

應(yīng)用程序名稱和版本。

輸出狀態(tài)。

頻率范圍

頻率

代碼說(shuō)明

On start這調(diào)用重置（分配的變量和設(shè)置的初始值）。如果使用具有內(nèi)置發(fā)聲器的 Microbit V2，則需要將其關(guān)閉，如果使用 V1，則忽略。

按鈕 A - 輸出啟用

顯示輸出啟用或輸出禁用

啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)為禁用輸出。

按鈕 B - 范圍

為 1k、10k、100k、250k 和 500kHz max_range 設(shè)置每次按下按鈕時(shí)的 max_range。

啟動(dòng)時(shí)的默認(rèn)值為 1kHz。

Pot_Adjust

讀取 P1 上的模擬輸入 將其轉(zhuǎn)換為最大位數(shù)的百分比和基于最大范圍的頻率。頻率 = max_Range *（位值/1023）

更新相對(duì)于所選 max_range 的顯示值

永遠(yuǎn)

以所需頻率應(yīng)用鈴聲的地方。

此處根據(jù)其狀態(tài)應(yīng)用輸出使能以輸出所需頻率或零頻率。

在代碼中，Microbit 顯示器的大部分活動(dòng)都被禁用，因?yàn)樗鼘⒈话诳騼?nèi)。

但是，只需重新插入 Plot 代碼塊即可重新啟用此功能。

外殼設(shè)計(jì)

對(duì)于以前的項(xiàng)目，我制作了盒子，這些盒子分為兩部分（一個(gè)打開(kāi)的盒子和一個(gè)蓋子），但是對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，這種方法比以前的版本大得多，我決定制作六個(gè)面來(lái)啟用它們單獨(dú)進(jìn)行3D打印。

外殼是在 TinkerCAD 中設(shè)計(jì)的：Function_generator_box

所有固定孔、切口、支架和圖例都將作為打印過(guò)程的一部分創(chuàng)建。

完成的盒子尺寸為 132 毫米（寬）x 93 毫米（高）x 104 毫米（深），包括頂部、底部、左側(cè)、右側(cè)、后部、前部和顯示支架。

附件印刷

外殼的各個(gè)元素使用以下設(shè)置進(jìn)行 3D 打印。

層高：0.15mm

填充密度：25%

填充圖案：三六邊形

基礎(chǔ)附著力：邊緣

PCB組裝

為了便于組裝，首先安裝具有最低輪廓的組件，最后安裝具有最高輪廓的組件。

因?yàn)檫@使您能夠?qū)⒔M件焊接在一個(gè)平面上，這有助于將它們固定到位。

電阻器。

用尖嘴鉗彎曲兩端電阻的引線，并在板的孔之間插入正確的值。這些值印在板上以減少裝配錯(cuò)誤。

焊接電線以固定到位。

插座

插入 IC 插座，注意引腳 1 標(biāo)識(shí)并焊接到位。

陶瓷電容器

如果適用，請(qǐng)用尖嘴鉗彎曲電線以安裝在孔之間，并防止對(duì)元件主體施加過(guò)大的壓力并焊接到位。

電解電容器

如果適用，請(qǐng)用尖嘴鉗彎曲電線以安裝在孔之間，并防止對(duì)元件主體施加過(guò)大的壓力并焊接到位。

接線端子

將引腳插入電路板并焊接到位。

在插入 IC 之前，目視檢查電路板以確保所有連接均已焊接且不存在焊橋和/或使用 DMM（在二極管或電阻上），檢查電源端子上的 + 和 - 之間以確保沒(méi)有短路.

一旦您確信不存在短路或開(kāi)路并且所有無(wú)源元件都已正確放置，就可以再次插入 IC，確保它們的方向正確并插入正確的插座。

名稱印在板上以減少組裝錯(cuò)誤。

確保遵循 ESD 保護(hù)預(yù)防措施，以防止在處理和插入過(guò)程中損壞 IC。

盒子組裝

盒子組件涉及許多元素。

從底座開(kāi)始，分線板被擰到最短的柱子上。這些已經(jīng)印有通孔，允許從頂部插入自攻螺釘（最大 M3 x 8mm）或從底部插入螺栓（最小 M3 x 9mm）并在頂部安裝螺母。

M/F 115mm 跳線將分線板連接到 PCB 接線端子和顯示板。

從分線板到 PCB 的連接是：

P0 到 CLK IP

P1 到 FCTRL IP

3V 至 + & 0V 至 -

在安裝 PCB 之前，需要連接 OLED 顯示器。

然而，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，主邊緣連接器被繞過(guò)，直角端子引腳焊接到 I2C 擴(kuò)展端口。

從分線板到顯示板的連接是：

SCL (19) 至 SCL

SDA (20) 至 SDA

3V 至 3V

0V 至 0V

與交換機(jī)的連接是：

啟用（按鈕 A-P5）

范圍（按鈕 B -P11）

這兩個(gè)開(kāi)關(guān)的其余連接以 0V 連接在一起。

PCB 通過(guò)自攻螺釘 (M3 x 8mm) 或螺栓 (M3 x 30mm) 安裝到 27mm 柱子上。

繼續(xù)將接線柱、開(kāi)關(guān)和電位計(jì)連接到前面板。

如果使用不同的元件，預(yù)先存在的孔可能需要去毛刺或調(diào)整尺寸，這可以根據(jù)需要使用銼刀或鉆頭來(lái)完成。

前接線柱在接線端子處連接到 PCB。

電位器連接到 PCB 上的端子引腳，可能需要在前面板后部鉆一個(gè)防轉(zhuǎn)孔，因?yàn)檫@不是預(yù)印的。

安裝適合電位器的旋鈕。

安裝前面板元件后，需要將顯示器安裝到位。

盒子元素中包括兩個(gè)顯示插槽，它們連接到前面板的背面并將顯示屏固定到位。

插槽中的上孔僅位于 M3 x 8mm 螺母和螺栓的突出邊緣上，而下孔由一直穿過(guò)前面板和插槽的螺母和螺栓固定到位。

然而，由于連接器在顯示板頂部的位置，顯示器從前面板的開(kāi)口向后縮進(jìn)，從而產(chǎn)生了間隙。這個(gè)間隙被一塊 52mm x 52mm x 5mm 大小的透明有機(jī)玻璃占據(jù)。

在有機(jī)玻璃塊底部的 26 毫米 x 5 毫米處，在有機(jī)玻璃上制造一個(gè) 3 毫米的孔，并與前面板重合，并用 M3 x 10 毫米螺栓固定在一起。

右側(cè)面板有一個(gè) 8 毫米的孔以容納 USB 插頭，但這可能需要根據(jù)插頭主體的尺寸加寬。

盒子可以使用與相鄰邊緣對(duì)齊并用 M3 x 8mm 自攻螺釘固定的預(yù)印孔完全組裝。

文字鑲嵌

該文本作為永久性 3D 打印過(guò)程的一部分包含在內(nèi)，目的是填充每個(gè)字符以創(chuàng)建嵌體。

在填充字符之前，可能需要進(jìn)行一些準(zhǔn)備以去除由于過(guò)度擠壓而導(dǎo)致的多余材料，這可能會(huì)在字符中產(chǎn)生孤島或障礙。使用手術(shù)刀或采摘工具去除這些。

字符可以用各種材料填充，油漆、涂改液、指甲油或液體環(huán)氧樹(shù)脂。在這種情況下，將使用環(huán)氧樹(shù)脂，這將是 2 部分 1:1 的混合物。

一旦樹(shù)脂混合，就加入環(huán)氧樹(shù)脂顏料，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，環(huán)氧樹(shù)脂顏料是一種白色顏料。

根據(jù)粘度、面積和細(xì)節(jié)程度、干燥時(shí)間和清潔表面的難易程度和材料，可以采用不同的應(yīng)用技術(shù)。

這些可能包括注射器、油漆刷、涂抹器或滴管。

將采用使用扦子或雞尾酒棒的滴管技術(shù)，將棒浸入樹(shù)脂中，然后將小滴樹(shù)脂轉(zhuǎn)移到凹陷處，一旦干燥，樹(shù)脂就會(huì)固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/font>

如果過(guò)度填充，請(qǐng)少量涂抹并增加填充物；多余的可以用紙巾、棉簽畫(huà)筆或竹簽去除。

由于空隙減少，填充百分比越大，字符周圍的任何滲出就越小。這流血了我的結(jié)果，樹(shù)脂被從被填充的角色中吸出。

您可以重復(fù)填充字符，或者在樹(shù)脂凝固填充局部空隙后重新填充，以防止進(jìn)一步流血。

填寫(xiě)完所有字母后，水平放置直到樹(shù)脂固化。

這種技術(shù)的另一個(gè)例子可以在以前的項(xiàng)目中找到：微二進(jìn)制時(shí)鐘

手術(shù)

通過(guò) USB 從合適的電源為函數(shù)發(fā)生器供電，連接器開(kāi)口位于右側(cè)。

它將初始化并顯示狀態(tài)。

這將禁用輸出，最大頻率范圍：1000Hz，頻率 0Hz。

顯示屏周圍的電源指示燈也會(huì)發(fā)出綠光。

按啟用按鈕打開(kāi)輸出，將顯示脈沖頻率。

按 Range 按鈕更改最大頻率范圍。

轉(zhuǎn)動(dòng)頻率旋鈕調(diào)節(jié)頻率值。

調(diào)整頻率將影響正弦波、鋸齒波和脈沖波形。

然而，由于 D2A 轉(zhuǎn)換過(guò)程，正弦和鋸齒波的頻率將比脈沖輸出的頻率低 16 倍。

正弦波和鋸齒波具有從~100mV 到 3V 的獨(dú)立幅度控制。

脈沖輸出電壓固定在最大值 3V。

但是，輸出端的分壓器將允許使用公式設(shè)置不同的電壓。

Vout = 3V*Rout/Rtotal 其中 Rtotal = Rin+ Rout 從輸出串聯(lián)到 0V，輸出取自兩個(gè)電阻器的中心抽頭。

如果 Rin = 10K 且 Rout = 5K，則 3V*5K/15K = 1V 最大值。

可以使用 4mm 香蕉插頭、鏟形連接器或松散的電線連接到輸出端子。

此外，輸出接線柱之間的間距與 BNC 至 2x 4mm 香蕉插頭適配器兼容，允許在需要時(shí)使用同軸電纜。

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