Генератор сигналов с дисплеем своими руками

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Генератор сигналов своими руками на Arduino

Каждый инженер, который любит поработать с электроникой, в какой-то момент времени захочет иметь собственную лабораторию. Мультиметр, осциллограф, измеритель LCR, функциональный генератор, двухрежимный источник питания и автоматический трансформатор – это минимальное оборудование для достойной лаборатории. В то время как все они могут быть приобретены, мы также можем легко собрать самостоятельно несколько приборов, таких как генератор функций и двухрежимный источник питания.

В этой статье мы узнаем, как быстро и легко мы можем создать собственный генератор сигналов с помощью Arduino. Этот генератор может создавать прямоугольный сигнал или меандр (5 В / 0 В) с частотой от 1 Гц до 2 МГц, частоту сигнала можно контролировать с помощью регулятора, а скважность (обратная рабочему циклу) жестко закодирована на 50%, но ее легко изменить в программе. Кроме того, генератор может также производить управление частотой.

Ниже приведена полная принципиальная схема этого генератора сигналов на основе Arduino. Как вы можете видеть, у нас есть Arduino Nano, который действует как мозг нашего проекта и ЖК-дисплей 16×2 для отображения значения частоты, которая в настоящее время генерируется. У нас также есть угловой кодер, который поможет нам установить частоту. Подача питания осуществляется от USB-порта самого Arduino.

Схема довольно проста; мы создаем прямоугольный сигнал на выводе D9, который может быть использован как таковой, частота этого прямоугольного сигнала контролируется поворотным кодером. Затем, чтобы получить синусоидальную волну, мы получаем сигнал SPWM (синусоидальная ШИМ) на выводе D5, частота этого сигнала должна быть связана с частотой PWM (ШИМ), поэтому мы заводим этот сигнал ШИМ на контакт D2, чтобы он действовал как прерывание, а затем используем ISR для управления частотой.

Люди, которые используют Arduino, могут быть знакомы с тем, что Arduino может генерировать сигналы ШИМ, просто используя функцию аналоговой записи. Но эта функция ограничивается только контролем рабочего цикла сигнала ШИМ, а не частоты сигнала. Но для генератора сигналов нам нужен сигнал ШИМ, частота которого может контролироваться. Это можно сделать, непосредственно управляя таймерами Arduino и переключая на него контакт GPIO. Но есть некоторые готовые библиотеки, которые делают то же самое и могут использоваться как таковые. Библиотека, которую мы используем, является библиотекой настройки частоты Arduino PWM Frequency Library (https://code.google.com/archive/p/arduino-pwm-frequency-library/downloads).

Есть и некоторые недостатки в этой библиотеке, потому что библиотека изменяет настройки Timer 1 и Timer 2 по умолчанию в Arduino. Следовательно, вы больше не сможете использовать серво-библиотеку или любую другую библиотеку, связанную с таймером. Также функция аналоговой записи на контактах 9,10,11 и 13 использует таймер 1 и таймер 2, поэтому вы не сможете создавать SPWM на этих контактах.

Преимущество этой библиотеки в том, что она не мешает таймеру 0 вашего Arduino, который более важен, чем таймер 1 и таймер 2. Из-за этого вы можете без проблем использовать функцию задержки и функцию millis(). Также контакты 5 и 6 управляются таймером 0, поэтому у нас не будет проблем с использованием аналоговой записи или управления сервомотором на этих контактах.

Поскольку мы знаем, что микроконтроллеры – это цифровые устройства, и они не могут генерировать синусоидальную волну простым кодированием. Но есть два популярных способа получения синусоидальной волны от микроконтроллера – это использование ЦАП и создание синусоидального ШИМ сигнала (SPWM). К сожалению, платы Arduino (кроме Due) не поставляются со встроенным ЦАП для создания синусоидальной волны, но вы всегда можете создать свой собственный ЦАП, используя простой метод R2R, а затем использовать его для создания приличной синусоидальной волны. Но для уменьшения аппаратной работы лучше использовать более оптимальный метод создания сигнала SPWM и затем преобразовать его в синусоидальную волну.

Сигнал SPWM очень похож на PWM, но для него рабочий цикл управляется таким образом, чтобы получить среднее напряжение, подобное напряжению синусоидальной волны. Например, при 100%-ном рабочем цикле среднее выходное напряжение будет 5 В, а для 25% мы будем иметь 1,25 В, таким образом, управляя рабочим циклом, мы можем получить предварительно определенное переменное среднее напряжение, которое является ничем иным, как синусоидальной волной. Этот метод обычно используется в инверторах.

В приведенном выше изображении синим сигналом является сигнал SPWM. Обратите внимание, что рабочий цикл волны изменяется от 0% до 100%, а затем обратно до 0%. График строится в диапазоне напряжения от -1,0 до + 1,0 В, но в нашем случае, поскольку мы используем Arduino, масштаб будет составлять от 0 до 5 В.

Преобразование SPWM в синусоидальную волну требует наличие H-мостовой схемы, которая состоит из минимум 4 коммутаторов питания. Мы не будем углубляться в его принцип работы, поскольку мы не используем его здесь. Эти схемы H-мостов обычно используются в инверторах. Они используют два сигнала SPWM, где один сдвинут по фазе от другого, и оба сигнала применяются к переключателям питания в H-мосте, чтобы включить и выключить диагональные противоположные ключи в одно и то же время. Таким образом, мы можем получить волновую форму, которая похожа на синусоидальную волну, но она будет зашумленная. Чтобы получить чистый результат, мы должны использовать фильтр, подобный фильтру нижних частот, который состоит из катушки индуктивности и конденсатора.

Однако в нашей схеме мы не будем обеспечивать на выходе столь чистый синусоидальный сигнал, поэтому обойдемся простым RC-фильтром. Вы также можете попробовать LC-фильтр для получения лучших результатов, но здесь мы выберем RC для простоты. Значение резистора составляет 620 Ом, а конденсатор – 10 мкФ. На приведенном выше рисунке показан сигнал SPWM (желтый) с вывода 5 и синусоида (синий), который был получен после прохождения через RC-фильтр.

Ниже приведен код программы для создания генератора сигналов на основе Arduino. Он довольно прост и содержит комментарии, но перед компиляцией убедитесь, что вы добавили библиотеку Arduino PWM Frequency Library, иначе вы получите ошибку во время компиляции.

Соберите свое оборудование по схеме и загрузите код. Теперь вы готовы проверить свой проект. Было бы намного проще, если у вас есть осциллограф, но вы также можете проверить его с помощью светодиода.

Подключите щуп к выводу квадратного сигнала и выводу синусоидального сигнала. Используйте два светодиода на этих двух контактах, если у вас нет осциллографа. Включите схему, и вас поприветствует вводное сообщение на ЖК-дисплее. Затем поверните вал энкодера и установите требуемую частоту, чтобы вы могли наблюдать прямоугольную волну и синусоидальную волну, как показано ниже. Если вы используете светодиод, вы должны заметить, что светодиод мигает с разными интервалами в зависимости от частоты, которую вы установили.

Источник

Генераторы

Важной частью радиолюбительской лаборатории является низкочастотный генератор. С его помощью можно проверять, ремонтировать и налаживать самодельную или промышленную аудио-технику. Желательно использовать генератор НЧ совместно с частотомером (для точного определения частоты) и осциллографом .

Обычно при налаживании радиоприемной аппаратуры используют генератор ВЧ, а для модуляции генератор НЧ. И то и другое — синусоидальные генераторы, сделанные по достаточно сложным схемам. Однако, во многих случаях может быть вполне достаточно простого генератора -пробника, генерирующего .

В статье рассмотрен разработанный автором генератор сину-соидальных колебаний фиксированной низкой частоты, имеющих высокую стабильность амплитуды. Он содержит всего один операционный усилитель, три параллельных стабилизатора напряжения и один полевой транзистор. собенность генераторов с мостом .

Схема генератора высокой частоты, который вырабатывает сигналы в диапазоне от 10 до 50 МГц. Сигнал можно промодулировать по частоте подав НЧ напряжение от ГНЧ или микрофона. Девиация частоты зависит от величины этого напряжения ЗЧ. Если нужна девиация 50-100 кГц, то, при крайне верхнем .

Принципиальная схема самодельного генератора логических импульсов с частотой от 1 Гц до 10КГц, собран на микросхеме 4011 (К561ЛА7). При ремонте и налаживании схем на цифровых микросхемах может быть очень полезен генератор логических импульсов. В общем, это генератор прямоугольных импульсов .

Низкочастотный генератор синусоидального сигнала — очень важный прибор в лаборатории любого радиолюбителя.Возможно, такой уже есть у всех. Но все же хочу познакомить читателей журнала со своим генератором. Генератор выполнен в виде самостоятельного прибора, питающегося от электросети. Но шкала .

Простой самодельный генератор-пробник, с регулировкой выходной частоты от 100 Гц до 10000 Гц, выполнен на микросхеме К561ЛА7. Если нужно экспромтом проверить прохождение сигнала по аудиотракту многие корифеи пользуются собственным пальцем как генератором НЧ (50 Гц сетевых наводок), регулируя .

Принципиальная схема самодельного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала для лабораторных целей, выполнен на микросхеме MAX038. Синусоидальный генератор является одним из важнейших приборов лаборатории радиолюбителя. Обычно делают два генератора, низкочастотный и высокочастотный .

Принципиальная схема простого генератора плавного диапазона на микросхеме HC4046, Частота до 50 MHz. Микросхема НС4046 (а так же аналогиMM74HC4046N, MJM74HC4046 и другие) представляет собой RC-генератор с ФАПЧ, способный генерировать стабильную частоту до 50 MHz, что позволяет сделать ГПД .

Приведена принципиальная схема низкочастотного генератора сигналов, который выполнен на ОУ КР140УД708. Низкочастотный генератор является одним из необходимейших приборов врадиолюбительской лаборатории. С его помощью можно налаживать различные усилители, снимать АЧХ, проводить эксперименты .

Источник

Генератор сигналов на Arduino

Генератор сигнала (т.н. функциональный генератор) может быть использован для тестирования и отладки схем. Я часто использую его для проверки частотных характеристик электронных компонентов, например ОУ и датчиков. Этот генератор сигналов построен на плате Arduino. Он может выдавать четыре типа сигнала: синусоидальный, треугольный, прямоугольный и пилообразный, частота каждого из которых может регулироваться от 1Гц до 50 кГц. Частота, длительность импульса и амплитуда (усиление) сигналов управляется тремя потенциометрами. Я также добавил опциональный светодиодный индикатор, который указывает какой сигнал сейчас на выходе.

Термоусадка.
Провод №22.
Припой.
Дрель со сверлами.
Термоклей.
Клей

Подготовка Arduino Proto Shield

Arduino Proto Shield — это удобный способ добавления своей схемы к Arduino, но я решил немного его урезать, чтобы он занимал меньше места в корпусе. Сначала я укоротил выводы при помощи кусачек. Потом я убрал шести контактный разъем. После этого я удалил разъемы с верхней части платы.

Корпус

Я решил использовать лазерный резак для изготовления корпуса. Я разработал корпус используя AutoCAD, Autodesk 123D Make, и Corel Draw. Все файлы проекта можно скачать внизу статьи. Если у вас нет доступа к лазерному резаку, вы можете сделать все детали корпуса вручную по двумерным чертежам.

На картинке показаны отверстия на передней панели:
(3x) 7мм отверстие для потенциометров усиления, частоты и ШИМ.
(3x) 7мм отверстие для четырех кнопок — синусоидальный, треугольный, прямоугольный и пилообразный сигналы.
(1x) 10мм отверстие для аудио разъема.

Я вырезал изображения всех четырех сигналов для того чтобы их можно было подсвечивать, но вы можете просверлить простые отверстия 5мм для светодиодов под каждой кнопкой.
Также есть прямоугольное (высота11мм, ширина 12 мм) отверстие для USB-порта Arduino в задней части устройства.

Я сделал корпус из дерева, поэтому мне пришлось склеивать все его части кроме задней панели, которое я приклею после сборки устройства.

Пайка проводов к кнопкам

Припаяйте 10 кОм резистор к одному из выводов каждой кнопки. Припаяйте зеленый провод к месту соединения кнопки и резистора и красный провод к резистору как показано на фото. Черный провод припаяйте к другому контакту кнопки. Все эти соединения надо заизолировать термоусадкой во избежание короткого замыкания.

Установка аудио разъема

Свинтите пластиковый корпус с аудио разъема. Припаяйте красный провод к двум стерео контактам и черный провод к GND как показано на фотографии. Я использовал термоклей для предотвращения короткого замыкания и дополнительной фиксации проводов и пайки. После этого, вставьте гнездо в отверстие в корпусе и закрепите его термоклеем.

Установка кнопок

Снимите с кнопок верхнюю часть и установите их в корпус, зафиксировав термоклеем. После его высыхания, установите верхнюю часть кнопок обратно.

R2R ЦАП на Arduino Shield

Припаяйте восемь резисторов 20кОм на Arduino Proto Shield. Один из выводов каждого резистора должен быть подключен к цифровым контактам Arduino 0-7.

Припаяйте семь резисторов 10кОм на Arduino Proto Shield так, чтобы они были между выводами ранее припаянных восьми резисторов 20 кОм.

Припаяйте резистор 10кОм на Arduino Proto Shield так, чтобы один вывод резистора 10кОм был присоединён к цифровому контакту 0 Arduino, а другой вывод к GND.

Панелька для микросхем

Использовать панельки для микросхем хорошо, потому что благодаря им микросхема не перегревается при пайке и может быть легко заменена в случае поломки. Припаяйте панельку для микросхемы, как показано на фотографии.

Фильтр нижних частот

В качестве ФНЧ (Фильтр Нижних Частот) выступают резистор и конденсатор, соединенные последовательно. ФНЧ пропускает низкие частоты и подавляет ступеньки на сигнале.

Вот как я рассчитал номиналы компонентов в своем ФНЧ:
Частота среза = 1/(2*pi*R*C)

Согласно теореме Найквиста, сигналы не может иметь частоту больше чем половина частоты дискретизации. Если бы я использовал частоту дискретизации 100 кГц, то максимальная возможная частота была бы 50 кГц.

Если я использую резистор 300 Ом, и хочу иметь частоту среза 50 кГц:
50000 = 1/(6.28*300*C)
C = 1.06*10^-8 F
Если немного округлить:
C = 0.01 мкФ

Подключите один вывод резистора 300 Ом к резистору 10 кОм, подключенному к цифровому выводу 7. Подключите конденсатор к другому выводу резистора 300 Ом. Второй вывод конденсатора подключается к GND.

Усилитель

Подключите положительный вывод конденсатора 220мкФ к соединению резистора и конденсатора в ФНЧ. Второй вывод конденсатора 220мкФ подключается к резистору 20 кОм, второй вывод которого подключается к 3 выводу панельки для микросхемы. Резистор 4.7 кОм подключается между 3 и 4 контактами панельки. К 4 выводу панельки подключается GND.

Подключите положительный вывод второго конденсатора 200мкФ к 5 контакту панельки. Позже, второй его вывод будет к подключен к потенциометру «Усиление». Подключите 6 контакт панельки к Vin, 2 контакт к GND и вставьте микросхему в панельку.

Подключение потенциометра «Усиление»

Громкость или усиление звукового сигнала будет управляться аудио потенциометром 10 кОм с выключателем. Подключите выход усилителя и GND к потенциометру, как показано на фото. Средний контакт это аудио выход, который будет подключен непосредственно к разъему.

Также подключить провода к нижнему и левому контактам сзади как на фотографии. Это выключатель, который потом будет подключен к питанию.

Подключение батареи

Подключить черный провод от разъема для батареи к GND Arduino Shield. Один провод от выключателя в потенциометре подключите к красному проводу, а второй провод от выключателя потенциометра к Vin Arduino Shield. Пока не подсоединяйте батарею.

Подключение аудио разъема

Соедините выход усилителя (отрицательный вывод конденсатора подключенного к 5 пятому выводу панельки) с красным проводом присоединенным к аудио разъему раньше. Черный провод подключите к GND Arduino Shield.

Подключение кнопок

Подключите все красные провода от кнопок к 5В и все черные провода к GND Arduino shield. Подключите зеленые провода к аналоговым контактам 0-3 в следующем порядке:
Аналоговый контакт 0 = Прямоугольный
Аналоговый контакт 1 = Треугольный
Аналоговый контакт 2 = Пилообразный
Аналоговый контакт 3 = Синусоидальный

Подключение потенциометров «Частота» и ШИМ

Подключите красный, черный, и зеленый провода к потенциометрам 10кОм и 50кОм, как показано на фотографии. Подключите красный провод к 5В и черный провод к GND Arduino shield. Подключите зеленые провода к аналоговым контактам 4 (ШИМ) и 5 (Частота).

Установка потенциометров

Снимите шайбы и гайки с потенциометров перед установкой в корпус, чтобы позволить им стать вплотную с деревом. После установки потенциометров закрепите их гайками.

Подключение светодиодов

Подсоедините резистор 470 Ом к катоду каждого из четырех светодиодов. Припаяйте черный провод ко второму выводу резистора и красный провод к аноду светодиода. Заизолируйте всё термоусадкой во избежание короткого замыкания. Припаяйте черные провода от всех четырех светодиодов на GND Arduino shield. Припаяйте красные провода к цифровым контактам 8-11.

Установка светодиодов

Приклейте светодиоды в корпусе так, что каждый из них подсвечивал один символ на передней панели :
Цифровой контакт 8 = Прямоугольный
Цифровой контакт 9 = Треугольный
Цифровой контакт 10 = Пилообразный
Цифровой контакт 11 = Синусоидальный

Черный свето рассеиватель

Приклейте свето рассеиватель на вырезы в передней панели с внутренней стороны. Я использовал кусок черного пластикового мешка для мусора.

Программа

Прошейте Arduino кодом в файле function_generator.ino. В коде используются прерывания по таймеру на частоте 100 кГц для отправки новых данных в ЦАП. Остальная часть кода следит за состоянием кнопок и потенциометров. Так как прерывания происходят на высокой частоте, я должен сделать программу обработки прерываний в ISR(TIMER1_COMPA_vect)<> как можно короче. Математические операции с плавающей точкой и с помощью функции sin() занимают слишком много времени. Я рассмотрел с нескольких проектов, и получил это: Для треугольного и пилообразного сигнала я создал переменные sawByte, triByte, sawInc, и triInc. Каждый раз, когда частота меняется, я подсчитываю сумму на которую частота треугольного и пилообразного сигналов должна измениться с частотой 100 кГц:

То есть все, что должно быть сделано в прерывании, является простой математикой:

Для синусоидально сигнала, я написал простой скрипт на Python, который выводит 20000 значений 127+127 sin(х) за один полный цикл:

Я сохранил этот массив в памяти Arduino под названием sine20000[] и беру из него значения которые необходимо отправить в ЦАП. Это намного быстрее, чем вычислять значения каждый раз.

Последние штрихи

Подключите shield к Arduino. Подключите 9В батарею к разъему. Закрепите эти элементы внутри корпуса. Убедитесь, что USB-порт Arduino доступен снаружи. После запуска вы должны увидеть светящийся индикатор синусоиды.

Установка задней панели и ручек

Просверлите четыре отверстия на задней панели и закрепите её с помощью винтов. Привинтите ручки на потенциометры.

Тестирование

Немного поверните ручку усиление, чтобы включите генератор. Включите штекер в гнездо и подключите к нему осциллограф. Проверяйте каждый сигнал и меняйте его частоту, чтобы убедится, что всё в порядке. Переключитесь на Прямоугольный сигнал и проверьте наличие ШИМ сигнала.

Вы заметите, что прямоугольный сигнал является единственным, который по настоящему регулируется от 1 Гц до 50 кГц. Поскольку частота дискретизации 100 кГц, синусоидальный, треугольный, и пилообразный сигналы становятся немного неузнаваемыми примерно после 25 кГц (4 отсчета за такт-100kHz/25kHz). Пилообразный и треугольный сигналы понижаются примерно 100 Гц, иначе значения triInc и sawInc станут настолько низким, что они округляются до нуля. Синусоидальный сигнал понижается до 1 Гц, но на самом деле до 5Гц, так как Arduino имеет достаточно памяти только для хранения около 20 тыс. значений.

Источник