步驟1：技術(shù)注意事項(xiàng)

制作模擬信號(hào)

Arduino Uno和Nano的一個(gè)缺點(diǎn)是它沒(méi)有數(shù)字信號(hào) - 模擬（DAC）轉(zhuǎn)換器，因此無(wú)法直接在引腳上輸出模擬電壓。一種解決方案是R2R梯形圖：8個(gè)數(shù)字引腳連接到電阻網(wǎng)絡(luò)，因此可以達(dá)到256級(jí)輸出。通過(guò)直接端口訪問(wèn)，Arduino可以通過(guò)一個(gè)命令同時(shí)設(shè)置8個(gè)引腳。對(duì)于電阻網(wǎng)絡(luò)，需要9個(gè)值為R的電阻，8個(gè)值為2R的電阻。我使用10kOhm作為R的值，它將引腳的電流保持在0.5mA或更低。我猜R = 1kOhm也可以工作，因?yàn)锳rduino可以輕松地為每個(gè)引腳提供5mA電流，每端口40mA。重要的是R和2R電阻之間的比率確實(shí)為2.通過(guò)將2個(gè)R值的電阻串聯(lián)起來(lái)，總共25個(gè)電阻最容易實(shí)現(xiàn)。

相位累加器

生成波形然后重復(fù)向Arduino引腳重復(fù)發(fā)送一系列8位數(shù)字。波形存儲(chǔ)在256字節(jié)的數(shù)組中，并對(duì)該陣列進(jìn)行采樣并發(fā)送到引腳。輸出信號(hào)的頻率取決于通過(guò)陣列前進(jìn)的速度。一個(gè)強(qiáng)大，精確和優(yōu)雅的方法是使用相位累加器：32位數(shù)字以固定間隔遞增，我們使用8個(gè)最高有效位作為數(shù)組的索引。

快速采樣

中斷允許在明確定義的時(shí)間采樣，但中斷的開(kāi)銷將采樣頻率限制在~100kHz。無(wú)限循環(huán)更新相位，采樣波形并設(shè)置引腳需要42個(gè)時(shí)鐘周期，從而實(shí)現(xiàn)16MHz/42 = 381kHz的采樣率。旋轉(zhuǎn)或推動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)導(dǎo)致引腳更改和從環(huán)路中斷的中斷以更改設(shè)置（波形或頻率）。在此階段，重新計(jì)算陣列中的256個(gè)數(shù)字，以便不需要在主循環(huán)中執(zhí)行波形的實(shí)際計(jì)算?？梢援a(chǎn)生的絕對(duì)最大頻率是190kHz的一半，但是每個(gè)周期只有兩個(gè)樣本，因此對(duì)形狀的控制不大。因此，接口不允許將頻率設(shè)置在100kHz以上。在50kHz時(shí)，每個(gè)周期有7-8個(gè)采樣，并且在1.5kHz和低于所有存儲(chǔ)在陣列中的256個(gè)數(shù)據(jù)每個(gè)周期都被采樣。對(duì)于信號(hào)平滑變化的波形，例如正弦波，跳過(guò)樣本沒(méi)有問(wèn)題。但對(duì)于具有窄尖峰的波形，例如占空比較小的方波，存在這樣的危險(xiǎn)：對(duì)于高于1.5 kHz的頻率，單個(gè)樣本丟失會(huì)導(dǎo)致波形表現(xiàn)不盡如人意

頻率的準(zhǔn)確度

每個(gè)樣本相位遞增的次數(shù)與頻率成正比。因此，頻率可以設(shè)置為381kHz/2 ^ 32 = 0.089mHz的精度。實(shí)際上，幾乎不需要這種精度，因此界面限制以1mHz的步長(zhǎng)設(shè)定頻率。頻率的絕對(duì)精度由Arduino時(shí)鐘頻率的精度決定。這取決于Arduino類型，但大多數(shù)指定頻率為16.000MHz，因此精度為~10 ^ -4。該代碼允許修改頻率和相位增量的比率，以校正16MHz假設(shè)的小偏差。

緩沖和放大

電阻網(wǎng)絡(luò)具有高輸出阻抗，因此如果負(fù)載是，則其輸出電壓會(huì)快速下降連接。這可以通過(guò)緩沖或放大輸出來(lái)解決。這里，緩沖和放大是用運(yùn)算放大器完成的。我使用的是LM358，因?yàn)槲矣幸恍?。它是一個(gè)慢速運(yùn)算放大器（壓擺率為每微秒0.5V），因此在高頻和高幅度時(shí)信號(hào)會(huì)失真。一個(gè)好處是它可以處理非常接近0V的電壓。然而，輸出電壓限制在低于軌道約2V，因此使用+ 5V功率將輸出電壓限制為3V。升壓模塊結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，為運(yùn)算放大器提供+ 20V電壓，可產(chǎn)生電壓高達(dá)18V的信號(hào)。 （注意，原理圖說(shuō)LTC3105，因?yàn)槟鞘俏以贔ritzing中發(fā)現(xiàn)的唯一升級(jí)。實(shí)際上我使用的是MT3608模塊，請(qǐng)參閱后續(xù)步驟中的圖片）。我選擇對(duì)R2R DAC的輸出應(yīng)用可變衰減，然后使用其中一個(gè)運(yùn)算放大器緩沖信號(hào)而不放大，另一個(gè)放大5.7，這樣信號(hào)可以達(dá)到約20V的最大輸出。輸出電流相當(dāng)有限，約為10mA，因此如果信號(hào)要驅(qū)動(dòng)大型揚(yáng)聲器或電磁鐵，則可能需要更強(qiáng)的放大器。

步驟2：所需組件

核心波形發(fā)生器

Arduino Uno或Nano

16x2 LCD顯示屏+ 20kOhm微調(diào)和100歐姆用于背光的串聯(lián)電阻器

5針旋轉(zhuǎn)編碼器（帶集成按鈕）

25個(gè)10kOhm電阻

用于緩沖器/放大器

LM358或其他雙運(yùn)算放大器

升壓模塊基于MT3608

50kOhm可變電阻

10kOhm電阻

47kOhm電阻

1μF電容

步驟3：構(gòu)造

我在7x9cm原型板上焊接了所有東西，如圖所示。由于所有電線都有點(diǎn)亂，我試著給帶正電壓紅色的引線和帶黑色的引線涂上顏色。

我使用的編碼器有5個(gè)引腳，一邊是3個(gè)，2個(gè)是另一邊。有3個(gè)引腳的一側(cè)是實(shí)際的編碼器，帶有2個(gè)引腳的一側(cè)是集成按鈕。在3引腳側(cè)，中央應(yīng)接地，另外兩個(gè)接到D10和D11。在2引腳側(cè)，一個(gè)引腳應(yīng)連接到地，另一個(gè)應(yīng)連接到D12。

這是我做過(guò)的最丑陋的事情，但它有效。放入一個(gè)外殼會(huì)很好，但是現(xiàn)在額外的工作和成本并沒(méi)有真正證明它的合理性。 Nano和顯示器附有針頭。如果我要建一個(gè)新的，我不會(huì)再那樣做了。我沒(méi)有在板上放置連接器來(lái)拾取信號(hào)。相反，我用突出的銅線上的鱷魚(yú)引線拾取它們，標(biāo)記如下：

R - 來(lái)自R2R DAC的原始信號(hào)

B - 緩沖信號(hào)

A - 放大信號(hào)

來(lái)自引腳9的T - 定時(shí)器信號(hào)

G - 接地

+ - 來(lái)自升壓的正“高”電壓模塊

步驟4：代碼

代碼是一個(gè)Arduino草圖，附上并應(yīng)上傳到Arduino。

已有20個(gè)波形預(yù)定義。添加任何其他wave應(yīng)該是直截了當(dāng)?shù)?。?qǐng)注意，隨機(jī)波填充具有隨機(jī)值的256值數(shù)組，但每個(gè)周期都會(huì)重復(fù)相同的模式。真正的隨機(jī)信號(hào)聽(tīng)起來(lái)像噪聲，但這種波形聽(tīng)起來(lái)更像是哨聲。

該代碼在引腳D9上用TIMER1設(shè)置1kHz信號(hào)。這對(duì)于檢查模擬信號(hào)的時(shí)序非常有用。這就是我如何計(jì)算時(shí)鐘周期數(shù)為42：如果我假設(shè)41或43，并產(chǎn)生1kHz信號(hào)，它顯然與引腳D9上的信號(hào)具有不同的頻率。使用值42，它們完全匹配。

通常，Arduino每毫秒都會(huì)中斷以使用millis（）函數(shù)跟蹤時(shí)間。這會(huì)干擾準(zhǔn)確的信號(hào)生成，因此禁用特定的中斷。

編譯器說(shuō)：“Sketch使用7254字節(jié)（23％）的程序存儲(chǔ)空間。最大值為30720字節(jié)。全局變量使用483字節(jié)（23％）動(dòng)態(tài)內(nèi)存，為局部變量留下1565個(gè)字節(jié)。最大為2048個(gè)字節(jié)?！耙虼耍凶銐虻目臻g可以使用更復(fù)雜的代碼。

步驟5：用法

只需通過(guò)Arduino的mini-USB線纜即可為設(shè)備供電納米。最好使用移動(dòng)電源，這樣它就不會(huì)與可能連接的設(shè)備發(fā)生意外的接地回路。

接通電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生100Hz的正弦波。通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕，可以選擇其他20種波形中的一種。通過(guò)按下旋轉(zhuǎn)，可以將光標(biāo)設(shè)置為頻率的任何數(shù)字，然后可以將其更改為所需的值。

可以使用電位計(jì)調(diào)節(jié)振幅，也可以使用緩沖器或可以使用放大的信號(hào)。

使用示波器檢查信號(hào)幅度非常有用，特別是當(dāng)信號(hào)向另一個(gè)設(shè)備提供電流時(shí)。如果汲取的電流太大，信號(hào)將被削波并且信號(hào)嚴(yán)重失真

對(duì)于非常低的頻率，輸出可以通過(guò)LED與10kΩ電阻串聯(lián)來(lái)顯示。用揚(yáng)聲器可以聽(tīng)到音頻。確保將信號(hào)設(shè)置為非常小~0.5V，否則電流過(guò)高，信號(hào)開(kāi)始削波。