对于喜欢偶尔鼓捣电子产品的工程师来说，他们都希望能有自己的实验室。万用表、钳形表、示波器、LCR表、函数发生器、双模电源和自动变压器都是实验室的基本配置。虽然所有这些都可以购买，但我们也可以轻松地自行制作，如函数发生器和双模电源。

在本篇文章中，我们将学习如何使用Arduino开发板快速轻松地制作自己的函数生成器。该函数发生器又称波形发生器，可产生频率范围为1Hz至2MHz的方波（5V / 0V），波形频率可通过旋钮控制，占空比固定为50％，但在本文中也很容易改变。除此之外，波形发生器还可以通过频率控制产生正弦波。请注意，此波形发生器不是工业级的，不能用于严格的测试。但除此之外，它将为所有业余爱好项目派上用场，您无需等待数周的运输。还有什么比使用我们自己制作的设备更有趣。

所需的材料

●    Arduino Nano开发板

●    字符型图形点阵液晶1602

●    旋转编码器

●    电阻（5.6K，10K）

●    电容（0.1uF）

●    焊接套件

电路原理图

该Arduino函数发生器的完整电路图如下所示。正如您所看到的，我们使用Arduino Nano开发板作为项目的主控，1602 LCD显示当前正在生成的频率值。我们还有一个旋转编码器，可以帮助我们设置频率。

整个设备由Arduino自身的USB端口供电。我之前使用过的连接由于某些原因并没有达到要求，我们将在本文后面讨论这些原因。因此，我不得不通过改变引脚顺序来接线。无论如何，你不会有任何问题，因为它全部整理好，只需仔细按照电路知道哪个引脚连接到什么。您还可以参考下表来验证您的连接。

Arduino引脚	连接到
D14	连接到LCD的RS
D15	连接到LCD的RN
D4	连接到LCD的D4
D3	连接到LCD的D5
D6	连接到LCD的D6
D7	连接到LCD的D7
D10	连接到旋转编码器的2脚
D11	连接到旋转编码器的3脚
D12	连接到旋转编码器的4脚
D9	输出方波
D2	连接到Arduino的D9
D5	输出SPWM然后转换为正弦

电路非常简单；我们在引脚D9上产生方波，可以这样使用，该方波的频率由旋转编码器控制。然后为了获得正弦波，我们在引脚D5上产生SPWM信号，其频率必须与PWM频率相关，因此我们将这个PWM信号提供给引脚D2作为中断，然后使用ISR来控制正弦波的频率。

您可以在面包板上构建电路，也可以制作一个PCB。但我决定将它焊接在Perf板上以快速完成工作并使其长期可靠使用。所有连接完成后，我的电路板看起来像这样。

如果您想了解更多关于如何使用Arduino生成PWM和正弦波的信息，请阅读以下段落，或者您可以直接向下滚动到编程Arduino部分。

产生变频方波

使用Arduino的人可能很熟悉Arduino只需使用模拟写入函数即可生成PWM信号。但是这个函数仅限于控制PWM信号的占空比而不是信号的频率。但是对于波形发生器，我们需要一个可以控制频率的PWM信号。这可以通过直接控制Arduino的定时器并根据它切换GPIO引脚来完成。但是有一些预先构建的库可以完全相同并且可以这样使用。我们使用的库是Arduino PWM频率库。我们将在代码部分讨论有关此库的更多信息。

这个库也有一些缺点，因为库改变了Arduino中默认的Timer 1和Timer 2设置。因此，您将无法在Arduino上再使用伺服库或任何其他与计时器相关的库。引脚9、10、11和13上的模拟写入函数也使用定时器1和定时器2，因此您将无法在这些引脚上产生SPWM。

这个库的优点是它不会干扰Arduino的定时器0，其比定时器1和定时器2更重要。因此你可以自由地使用延迟函数和millis()函数而没有任何问题。引脚5和6也由定时器0控制，因此我们在这些引脚上使用模拟写或伺服控制操作时不会遇到问题。最初花了一些时间才弄清楚这一点，这就是为什么接线搞砸了。

使用Arduino生成正弦波

我们知道微控制器是数字设备，它们不能仅仅通过编码产生正弦波。但是，在从微控制器获得正弦波的两种流行方法中，一种是使用DAC，另一种是通过创建SPWM。不幸的是，Arduino开发板（除了Due）没有内置DAC来产生正弦波，但你总是可以使用简单的R2R方法构建自己的DAC，然后用它来产生正常的正弦波。但是为了减少硬件工作，我决定使用后面的方法，创建SPWM信号然后将其转换为正弦波。

什么是SPWM信号？

术语SPWM代表正弦脉冲宽度调制。该信号与PWM非常相似，但对于SPWM信号，以这样的方式控制占空比，以获得与正弦波相似的平均电压。例如，在100％占空比时，平均输出电压为5V，在25％时我们将为1.25V，从而控制占空比，我们可以获得预定义的可变平均电压，这只是一个正弦波。这种技术通常用于逆变器。

在上图中，蓝色信号是SPWM信号。请注意，波形的占空比在0％到100％之间变化，然后再回到0％。该曲线图绘制为-1.0至+ 1.0V，但在我们的情况下，由于我们使用的是Arduino，因此刻度将为0V至5V。我们将在下面的编程部分学习如何使用Arduino生成SPWM。

将SPWM转换为正弦波

将SPWM单个转换为正弦波需要H桥电路，该电路由最少4个电源开关组成。我们不会深入研究它，因为我们不在这里使用它。这些H桥电路通常用于逆变器。它利用两个SPWM信号，其中一个信号与另一个相移，并且两个信号都被施加到H桥中的电源开关，以使对角线相对的开关同时打开和关闭。通过这种方式，我们可以获得看起来类似于正弦波的波形，但实际上不会更接近上图中显示的任何波形（绿波）。为了获得纯波形输出，我们必须使用像低通滤波器这样的滤波器，它包括一个电感和电容。

但是在电路中，我们不会使用正弦波来为任何东西供电。我只是想从生成的SPWM信号创建该波形，所以我选择了一个简单的RC-Filter。您也可以尝试使用LC滤波器以获得更好的结果，但为了简单起见，我选择了RC。我的电阻值为620欧姆，电容为10uF。上图显示了引脚5的SPWM信号（黄色）和通过RC滤波器后获得的正弦波（蓝色）。

添加Arduino PWM频率库

点击以下链接即可下载Arduino频率库。

       ●    Arduino PWM频率库

在撰写本文时，Arduino PWM频率库V_05是最新版本，它将以ZIP文件形式供下载。 解压ZIP文件，然后您将得到一个名为PWM的文件夹。 然后导航到Arduino IDE的Libraries文件夹，对于Windows用户，它将位于路径C:\Users\User\Documents\Arduino\libraries中。 将PWM文件夹粘贴到libraries文件夹中。 有时你可能已经有一个PWM文件夹，这时，请确保用这个新文件夹替换旧文件夹。

波形发生器的Arduino编程

与往常一样，本篇文章的完整程序可以在本页的末尾处列出找到。您可以直接使用该代码，但是请确保您已经在Arduino IDE中添加了上面提到的频率库，否则您将编译时收到错误。在本节中，我们将查看代码来理解工作工程。

我们在引脚9上产生可变频率的PWM信号。该频率应使用旋转编码器设置，该值也应显示在液晶屏1602上。一旦在引脚9上产生PWM信号，它将在引脚2上产生中断，因为我们已经短接了两个引脚。使用此中断，我们可以控制在引脚5上生成的SPWM信号的频率。

一如既往，我们首先在程序中包含所需的库。液晶库内置于Arduino中，我们只安装了PWM库。

1. #include <PWM.h> //PWM librarey for controlling freq. of PWM signal
   
2. #include <LiquidCrystal.h>

复制代码

接下来我们声明全局变量，并定义LCD、旋转编码器和信号引脚的引脚名称。如果您按照上面的电路图，可以不用改变这些定义。

1. const int rs = 14, en = 15, d4 = 4, d5 = 3, d6 = 6, d7 = 7; //Mention the pin number for LCD connection
   
2. LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
   
3. 
   
4. const int Encoder_OuputA  = 11;
   
5. const int Encoder_OuputB  = 12;
   
6. const int Encoder_Switch = 10;
   
7. const int signal_pin = 9;
   
8. const int Sine_pin = 5;
   
9. const int POT_pin = A2;      
   
10. 
    
11. int Previous_Output;
    
12. int multiplier = 1;
    
13. double angle = 0;
    
14. double increment = 0.2;
    
15. int32_t frequency; //frequency to be set
    
16. int32_t lower_level_freq = 1; //Lowest possible freq value is 1Hz
    
17. int32_t upper_level_freq = 100000; //Maximum possible freq is 100KHz

复制代码

在setup()函数中，我们初始化LCD和串行通信以进行调试，然后将Encoder的引脚声明为输入引脚。 我们还在启动期间显示一个介绍消息，以确保一切正常。

1. lcd.begin(16, 2); //Initialise 16*2 LCD
   
2. 
   
3.   lcd.print("Signal Generator"); //Intro Message line 1
   
4.   lcd.setCursor(0, 1);
   
5.   lcd.print("-CircuitDigest "); //Intro Message line 2
   
6.   delay(2000);
   
7.   lcd.clear();
   
8.   lcd.print("Freq:00000Hz");
   
9.   lcd.setCursor(0, 1);
   
10.   lcd.print("Inc. by: 1 ");
    
11. 
    
12. Serial.begin(9600); //Serial for debugging
    
13. 
    
14. //pin Mode declaration
    
15.   pinMode (Encoder_OuputA, INPUT);
    
16.   pinMode (Encoder_OuputB, INPUT);
    
17.   pinMode (Encoder_Switch, INPUT);

复制代码

另一个重要的代码是InitTimerSafe，它初始化定时器1和2以产生可变频率PWM。调用此函数后，Arduino的默认计时器设置将被更改。

1. InitTimersSafe(); //Initialize timers without disturbing timer 0

复制代码

我们还在引脚2上运行外部中断。因此，只要引脚2的状态发生变化，就会触发中断，从而运行中断服务程序（ISR）函数。这里ISR函数的名称是generate_sine。

1. attachInterrupt(0,generate_sine,CHANGE);

复制代码

接下来，在void loop()函数中，我们需要检查旋转编码器是否已经转动。只有在它被转动时我们才需要调整PWM信号的频率。我们已经学会了如何将旋转编码器是与Arduino连接。如果你是新手，我会建议你回到那个教程，然后再回到这里。

如果顺时针旋转旋转编码器，我们通过将其与乘数值相加来增加频率值。这样我们可以将频率值增加/减少1、10、100或甚至1000。可以通过按下旋转编码器来设置乘数的值。如果编码器旋转，我们改变频率值并在引脚9上产生一个PWM信号。这里值32768将PWM设置为50％周期。选择值32768，因为65536的50％是32768，类似地，您可以确定所需占空比的值。但这里的占空比固定为50％。最后，函数SetPinFrequencySafe用于设置引脚9的信号引脚的频率。

1. pwmWriteHR(signal_pin, 32768); //Set duty cycle to 50% by default -> for 16-bit 65536/2 = 32768
   
2. SetPinFrequencySafe(signal_pin, frequency);

复制代码

在ISR函数内部，我们编写代码来生成SPWM信号。有很多方法可以生成SPWM信号，甚至可以为Arduino提供预构建的库。我使用了最简单的利用Arduino中sin()函数的方法。如果您有兴趣，也可以尝试使用查找表方法。 sin()返回-1到+1之间的变量值（十进制），这在绘制时间时会给我们一个正弦波。

现在我们要做的就是将-1到+1的值转换为0到25​​5并将其输入到我们的模拟写入函数。我将它与255相乘只是为了忽略小数点，然后使用map函数将-255到+255的值转换为0到+255。最后，使用模拟写入函数将该值写入引脚5。每次调用ISR时，角度值增加0.2，这有助于我们控制正弦波的频率。

1. double sineValue = sin(angle);
   
2.    sineValue *= 255;
   
3.    int plot = map(sineValue, -255, +255, 0, 255);
   
4.    Serial.println(plot);
   
5.    analogWrite(Sine_pin,plot);
   
6.    angle += increment;

复制代码

在硬件上测试Arduino函数发生器

按照电路图搭建硬件并上传本文给出的代码。现在，您已准备好测试您的项目。如果你有一个DSO（示波器）会更容易，但你也可以用LED测试它，因为频率范围非常宽。

将探头连接到电路的方波和正弦波引脚。如果没有示波器，请在这两个引脚上使用两个LED。给电路供电，你应该看到液晶显示屏上的介绍信息。然后改变旋转编码器并设置所需的频率，您应该能够观察示波器上的方波和正弦波，如下所示。如果您使用LED，您应该注意到LED会根据您设置的频率以不同的间隔闪烁。

以上就是本篇文章的全部内容。希望你喜欢本文并从中学到一些有用的东西。如果您遇到任何问题，请在本帖下面进行回复。

代码

以下是本文使用的完整代码： main.rar (1.13 KB, 下载次数: 181)

2018-12-5 22:07 上传

点击文件名下载附件

PWM库打不开  能不能帮忙解决一下

Porket 发表于 2019-4-8 21:41
PWM库打不开  能不能帮忙解决一下

已上传zip文件 请查收

Arduino PWM Frequency Library v_05.zip (13.72 KB, 下载次数: 95)

2019-4-9 08:54 上传

点击文件名下载附件

请问可以用uno或者2560的板子吗

图上的元件和文章里的不一样啊

那个十脚芯片是天外来物吗？？？？？？

西文的全套资料在这里！
ht t p s  : / / w w w . all about circuits.com/projects/how-to-D I Y-waveform-generator-analog-devices-a d 9833-AT mega 328 p/#login Modal
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