對(duì)于喜歡偶爾鼓搗電子產(chǎn)品的工程師來(lái)說，他們都希望能有自己的實(shí)驗(yàn)室。萬(wàn)用表、鉗形表、示波器、LCR表、函數(shù)發(fā)生器、雙模電源和自動(dòng)變壓器都是實(shí)驗(yàn)室的基本配置。雖然所有這些都可以購(gòu)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(qǐng)注意，此波形發(fā)生器不是工業(yè)級(jí)的，不能用于嚴(yán)格的測(cè)試。但除此之外，它將為所有業(yè)余愛好項(xiàng)目派上用場(chǎng)，您無(wú)需等待數(shù)周的運(yùn)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(diǎn)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(xiàng)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(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以幫助我們?cè)O(shè)置頻率。

整個(gè)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(dá)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(lái)接線。無(wú)論如何，你不會(huì)有任何問題，因?yàn)樗空砗?，只需仔?xì)按照電路知道哪個(gè)引腳連接到什么。您還可以參考下表來(lái)驗(yàn)證您的連接。

電路非常簡(jiǎn)單；我們?cè)谝_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?cè)谝_D5上產(chǎn)生SPWM信號(hào)，其頻率必須與PWM頻率相關(guān)，因此我們將這個(gè)PWM信號(hào)提供給引腳D2作為中斷，然后使用ISR來(lái)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(gè)PCB。但我決定將它焊接在Perf板上以快速完成工作并使其長(zhǎng)期可靠使用。所有連接完成后，我的電路板看起來(lái)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(qǐng)閱讀以下段落，或者您可以直接向下滾動(dòng)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(hào)。但是這個(gè)函數(shù)僅限于控制PWM信號(hào)的占空比而不是信號(hào)的頻率。但是對(duì)于波形發(fā)生器，我們需要一個(gè)可以控制頻率的PWM信號(hào)。這可以通過直接控制Arduino的定時(shí)器并根據(jù)它切換GPIO引腳來(lái)完成。但是有一些預(yù)先構(gòu)建的庫(kù)可以完全相同并且可以這樣使用。我們使用的庫(kù)是Arduino PWM頻率庫(kù)。我們將在代碼部分討論有關(guān)此庫(kù)的更多信息。

這個(gè)庫(kù)也有一些缺點(diǎn)，因?yàn)閹?kù)改變了Arduino中默認(rèn)的Timer 1和Timer 2設(shè)置。因此，您將無(wú)法在Arduino上再使用伺服庫(kù)或任何其他與計(jì)時(shí)器相關(guān)的庫(kù)。引腳9、10、11和13上的模擬寫入函數(shù)也使用定時(shí)器1和定時(shí)器2，因此您將無(wú)法在這些引腳上產(chǎn)生SPWM。

這個(gè)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)干擾Arduino的定時(shí)器0，其比定時(shí)器1和定時(shí)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(shí)器0控制，因此我們?cè)谶@些引腳上使用模擬寫或伺服控制操作時(shí)不會(huì)遇到問題。最初花了一些時(shí)間才弄清楚這一點(diǎn)，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(lái)產(chǎn)生正弦波，但你總是可以使用簡(jiǎn)單的R2R方法構(gòu)建自己的DAC，然后用它來(lái)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(hào)然后將其轉(zhuǎn)換為正弦波。

什么是SPWM信號(hào)？

術(shù)語(yǔ)SPWM代表正弦脈沖寬度調(diào)制。該信號(hào)與PWM非常相似，但對(duì)于SPWM信號(hào)，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(shí)，平均輸出電壓為5V，在25％時(shí)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(gè)正弦波。這種技術(shù)通常用于逆變器。

在上圖中，藍(lán)色信號(hào)是SPWM信號(hào)。請(qǐng)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(gè)轉(zhuǎn)換為正弦波需要H橋電路，該電路由最少4個(gè)電源開關(guān)組成。我們不會(huì)深入研究它，因?yàn)槲覀儾辉谶@里使用它。這些H橋電路通常用于逆變器。它利用兩個(gè)SPWM信號(hào)，其中一個(gè)信號(hào)與另一個(gè)相移，并且兩個(gè)信號(hào)都被施加到H橋中的電源開關(guān)，以使對(duì)角線相對(duì)的開關(guān)同時(shí)打開和關(guān)閉。通過這種方式，我們可以獲得看起來(lái)類似于正弦波的波形，但實(shí)際上不會(huì)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(gè)電感和電容。

但是在電路中，我們不會(huì)使用正弦波來(lái)為任何東西供電。我只是想從生成的SPWM信號(hào)創(chuàng)建該波形，所以我選擇了一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)（黃色）和通過RC濾波器后獲得的正弦波（藍(lán)色）。

添加Arduino PWM頻率庫(kù)

● Arduino PWM頻率庫(kù)

在撰寫本文時(shí)，Arduino PWM頻率庫(kù)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(gè)名為PWM的文件夾。 然后導(dǎo)航到Arduino IDE的Libraries文件夾，對(duì)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(shí)你可能已經(jīng)有一個(gè)PWM文件夾，這時(shí)，請(qǐng)確保用這個(gè)新文件夾替換舊文件夾。
編輯：hfy