Draagbare functiegenerator op Arduino 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Functiegenerator is een zeer nuttig hulpmiddel, vooral wanneer we overwegen de reactie van ons circuit op een bepaald signaal te testen. In deze instructable beschrijf ik de bouwvolgorde van een kleine, gebruiksvriendelijke, draagbare functiegenerator.

Kenmerken van het project:

• Volledig digitale besturing: geen passieve analoge componenten nodig.
• Modulair ontwerp: elk subcircuit is een vooraf gedefinieerde, eenvoudig te gebruiken module.
• Uitgangsfrequentie: beschikbaar bereik van 0 Hz tot 10 MHz.
• Eenvoudige bediening: enkele roterende encoder met ingebouwde drukknop.
• Li-ion batterij voor draagbaar gebruik, met externe oplaadmogelijkheid.
• AC- en DC-koppeling voor uitgangsgolfvorm.
• LCD-helderheidsregeling voor verlaging van het energieverbruik.
• Indicator batterijlading.
• Digitale amplituderegeling.
• Drie beschikbare golfvormen: sinus, driehoek en vierkant.

Stap 1: Het idee

Er zijn veel circuits waarvoor testapparatuur nodig is om informatie te krijgen over de reactie van het circuit op een bepaalde golfvorm. Dit project is gebaseerd op Arduino (Arduino Nano in dit geval), met 3.7V een Lithium-Ion batterij als stroombron waardoor het apparaat draagbaar is. Het is bekend dat het Arduino Nano-bord 5V nodig heeft als voeding, dus het elektronische ontwerp bevat een DC-DC-boostconverter die de 3,7V-batterijspanning omzet in 5V die nodig is om de Arduino van stroom te voorzien. Dit project is dus eenvoudig te bouwen, volledig modulair, met een relatief eenvoudig schematisch diagram.

Het bord van stroom voorzien: Het apparaat heeft een enkele mini-USB-connector die 5V ontvangt van de externe voeding, dat kan een pc of een externe USB-oplader zijn. het circuit is zo ontworpen dat wanneer de 5V DC-bron is aangesloten, de Li-ionbatterij wordt opgeladen door de TP4056-opladermodule die is aangesloten op het voedingscircuit (het onderwerp wordt in de volgende stappen verder uitgebreid).

AD9833: geïntegreerd functiegeneratorcircuit is een centraal onderdeel van het ontwerp, bestuurd via SPI-interface met de mogelijkheid om vierkante/sinus/driehoeksgolf te genereren met optie voor frequentiemodulatie. Omdat AD9833 niet in staat is om de uitgangssignaalamplitude te wijzigen, heb ik een digitale 8-bits potentiometer gebruikt als spanningsdeler bij het uitgangseindpunt van het apparaat (wordt in verdere stappen beschreven).

Display: is het standaard 16x2 LCD-scherm, dat waarschijnlijk het meest populaire LCD-scherm is onder Arduino-gebruikers. Om het energieverbruik te verminderen, is er een optie om de LCD-achtergrondverlichting aan te passen via het PWM-signaal van de Arduino vooraf gedefinieerde "analoge" pin.

Na deze korte introductie kunnen we overgaan tot het bouwproces.

Stap 2: Onderdelen en instrumenten

1: Elektronische onderdelen:

1.1: Geïntegreerde modules:

• Arduino Nano-bord
• 1602A - Algemeen liquid crystal display
• CJMCU - AD9833 Functiegeneratormodule
• TP4056 - Li-ion batterijladermodule
• DC-DC Step-Up coverter-module: 1,5V-3V naar 5V-converter

1.2: Geïntegreerde schakelingen:

• SRD=05VDC - 5V SPDT-relais
• X9C104P - 8-bit 100KOhm digitale potentiometer
• EC11 - Rotary Encoder met SPST-schakelaar
• 2 x 2N2222A - NPN BJT. voor algemeen gebruik

1.3: Passieve en niet-geclassificeerde onderdelen:

• 2 x 0.1uF -Keramische condensatoren
• 2 x 100uF - Elektrolytische condensatoren
• 2 x 10uF - Elektrolytische condensatoren
• 3 x 10KOhm Weerstanden
• 2 x 1,3 KOhm Weerstanden
• 1 x 1N4007 Gelijkrichterdiode
• 1 x SPDT-tuimelschakelaar

1.4: Aansluitingen:

• 3 x 4-pins JST 2,54 mm pitch-connectoren
• 3 x 2-pins JST 2,54 mm pitch-connectoren
• 1 x RCA-contactdoosconnector

2: Mechanische onderdelen:

• 1 x 12,5 cm x 8 cm x 3,2 cm Kunststof behuizing
• 6 x KA-2 mm trekschroeven
• 4 x KA-8mm boorschroeven
• 1 x encoderknop (dop)
• 1 x 8 cm x 5 cm Prototype bord

3. Instrumenten en software:

• Soldeerstation/strijkijzer
• Elektrische schroevendraaier
• Slijpvijlen van verschillende groottes
• Scherp mes
• Boren
• Schroevendraaierbits
• Heet lijmpistool
• Mini-USB-kabel
• Arduino IDE
• Remklauw/liniaal

Stap 3: Schema's Uitleg

Om het schematisch diagram gemakkelijker te begrijpen, is de beschrijving verdeeld in subcircuits, terwijl elk subcircuit verantwoordelijk is voor elk ontwerpblok:

1. Arduino Nano-circuit:

Arduino Nano-module fungeert als een "hoofdbrein" voor ons apparaat. Het bestuurt alle randapparatuurmodules op het apparaat, zowel in digitale als analoge bedrijfsmodi. Aangezien deze module zijn eigen mini-USB-ingangsconnector heeft, zal deze zowel als voedingsingang als als programmeerinterface-ingang worden gebruikt. Daarom is J1 - de mini-USB-connector losgekoppeld van het schematische symbool van Arduino Nano (U4).

Er is een optie om speciale analoge pinnen (A0.. A5) te gebruiken als I/O voor algemene doeleinden, dus sommige pinnen worden gebruikt als digitale uitgang, communicerend met LCD en AC/DC-koppeling om de uitgang van het apparaat te selecteren. Analoge pinnen A6 en A7 zijn speciale analoge ingangspinnen en kunnen alleen worden gebruikt als ADC-ingangen, vanwege het Arduino Nano-microcontroller ATMEGA328P TQFP-pakket, zoals gedefinieerd in de datasheet. Merk op dat de batterijspanningslijn VBAT is aangesloten op de analoge ingangspen A7, omdat we de waarde ervan nodig hebben om de lage batterijstatus van de Li-ion-batterijspanning te bepalen.

2. Voeding:

Het voedingscircuit is gebaseerd op het voeden van het hele apparaat via een Li-ionbatterij van 3.7V die is omgezet naar een 5V. SW1 is een SPST-tuimelschakelaar die de stroomtoevoer op het hele circuit regelt. Zoals te zien is in de schema's, wordt de batterij opgeladen via de TP4056-module wanneer de externe voeding is aangesloten via de micro-USB-connector van de Arduino Nano-module. Zorg ervoor dat bypass-condensatoren van verschillende waarden op het circuit aanwezig zijn, aangezien er een DC-DC-boostconverter-schakelruis is op aarde en 5V-potentialen van het hele circuit.

3. AD9833 en uitgang:

Dit subcircuit biedt de juiste uitgangsgolfvorm, gedefinieerd door de AD9833-module (U1). Aangezien er slechts een enkele voeding op het apparaat (5V) is, is het nodig om een koppelingsselectiecircuit aan te sluiten op de uitgangscascade. De C1-condensator is in serie verbonden met de amplitudeselectiefase en kan worden uitgeschakeld via de stuurstroom op de relaisinductor, waardoor het uitgangssignaal rechtstreeks naar de uitgangstrap wordt getraceerd. C1 heeft een waarde van 10uF, het is voldoende dat de golfvorm, zelfs van lage frequenties, door de condensator gaat zonder te worden vervormd, alleen beïnvloed door DC-verwijdering. Q1 wordt gebruikt als een eenvoudige BJT-schakelaar die wordt gebruikt om stroom door de inductor van het relais te sturen. Zorg ervoor dat de diode in een omgekeerde toewijzing is aangesloten op de relaisspoel, om spanningspieken te voorkomen die de apparaatcircuits kunnen beschadigen.

Last but not least is een amplitudeselectie. U6 is een 8-bits digitale potentiometer-IC, die fungeert als spanningsdeler voor een bepaalde uitgangsgolfvorm. X9C104P is een 100KOhm digitale potentiometer met zeer eenvoudige aanpassing van de wisserpositie: 3-pins digitale ingangen voor het aanpassen van de wisserpositie increment/decrement.

4. LCD-scherm:

16x2 Liquid crystal display is een grafische interface tussen de gebruiker en de circuits van het apparaat. Om het energieverbruik te verminderen, is de kathodepin van de LCD-achtergrondverlichting aangesloten op de Q2 BJT die als schakelaar is aangesloten, bestuurd door een PWM-signaal dat wordt aangedreven door Arduino-analogeWrite-mogelijkheid (wordt beschreven in de Arduino-codestap).

5. Codeur:

Encodercircuit is een besturingsinterface die de werking van het hele apparaat definieert. U9 bestaat uit een encoder en een SPST-schakelaar, dus het is niet nodig om extra knoppen aan het project toe te voegen. Encoder- en schakelpinnen moeten worden opgetrokken door externe 10KOhm-weerstanden, maar het kan ook via code worden gedefinieerd. Het wordt aanbevolen om 0.1uF-condensatoren parallel aan de encoder A- en B-pinnen toe te voegen om te voorkomen dat deze op deze ingangslijnen stuiteren.

6. JST-connectoren:

Alle externe onderdelen van het apparaat zijn aangesloten via JST-connectoren, waardoor het veel handiger is om het apparaat te monteren, met als extra kenmerk dat er minder plaats is voor fouten tijdens het bouwproces. Het in kaart brengen van de connectoren gaat als volgt:

• J3, J4: LCD
• J5: Encoder
• J6: Batterij
• J7: SPST-tuimelschakelaar
• J8: RCA-uitgangsconnector

Stap 4: Solderen

Door het modulaire ontwerp van dit project wordt de soldeerstap eenvoudig:

A. Hoofdbord solderen:

1. Allereerst moet het prototypebord worden bijgesneden tot de gewenste afmetingen van de behuizing.

2. Solderen van de Arduino Nano-module en testen van de eerste werking.

3. Voedingscircuit solderen en alle spanningswaarden controleren volgens de vereisten van het apparaat.

4. Soldeer de AD9833-module met alle perifere circuits.

5. Solderen van alle JST-connectoren.

B. Externe componenten:

1. Soldeer de draden van de JST mannelijke connector aan de LCD-pinnen in EXACTE volgorde zoals gepland op het moederbord.

2. Solderen van JST Male connector 'draden aan de encoder op dezelfde manier als de vorige stap:

3. Soldeertuimelschakelaar naar de JST-draden.

4. JST-draden op de batterij solderen (als dat al nodig is. Sommige Li-ion-batterijen die op eBay verkrijgbaar zijn, zijn vooraf gesoldeerd met hun eigen JST-connector).

Stap 5: Behuizing en montage

Nadat al het solderen is voltooid, kunnen we doorgaan met de montagevolgorde van het apparaat:

1. Denk na over de plaatsing van externe onderdelen van het apparaat: in mijn geval gaf ik er de voorkeur aan om de encoder onder het LCD-scherm te plaatsen, wanneer de tuimelschakelaar en de RCA-connector aan afzonderlijke zijden van de behuizing zijn geplaatst.

2. Het LCD-frame voorbereiden: Bepaal waar het LCD-scherm op het apparaat wordt geplaatst, zorg ervoor dat het in de juiste richting wordt geplaatst, het is me meerdere keren overkomen dat nadat ik het hele snijproces had voltooid, het LCD-scherm verticaal werd omgekeerd, waarover gesproken wordt is triest, omdat het LCD-frame opnieuw moet worden gerangschikt.

Nadat het frame is geselecteerd, boort u verschillende gaten aan de rand van het hele frame. Verwijder alle ongewenste plastic sneden met een slijpvijl.

Plaats het LCD-scherm van binnenuit en zoek de schroefpunten op de behuizing. Boor gaten met boortjes van de juiste diameter. Plaats de getrokken schroeven en draai de moeren vast aan de binnenkant van het frontpaneel.

3. Encoder: heeft slechts een enkel roterend onderdeel op de verpakking. Boor het gebied volgens de diameter van het roterende hulpstuk van de encoder. Plaats het van binnenuit, zet het vast met een heet lijmpistool. Plaats een dop op het roterende hulpstuk.

4. Tuimelschakelaar: bepaal de afmetingen van de tuimelschakelaar, zodat deze vrij naar beneden of omhoog kan worden getrokken. Als u schroefpunten op de tuimelschakelaar heeft, boor dan de juiste gebieden op de behuizing, anders kunt u deze vastmaken met een heet lijmpistool.

5. RCA-uitgangsconnector: Boor een gat met de juiste diameter voor de RCA-uitgangsconnector aan de zijkant-onderkant van de behuizing. Zet het vast met het hete lijmpistool.

6. Moederbord en batterij: Plaats Li-ion batterij aan de onderkant van de behuizing. Batterij kan worden vastgemaakt met een heet lijmpistool. Het moederbord moet op vier plaatsen worden geboord voor 4 schroeven op elke hoek van het moederbord. Zorg ervoor dat de Arduino mini-USB-ingang zich zo dicht mogelijk bij de grens van de behuizing bevindt (we zullen deze moeten gebruiken voor oplaad- en programmeerdoeleinden).

7. Mini-USB: snijd het gewenste gebied voor Arduino Nano micro-USB af met een slijpvijl, waardoor het mogelijk wordt om een externe voeding/pc op het apparaat aan te sluiten wanneer het volledig is gemonteerd.

8. Laatste: Sluit alle JST-connectoren aan, bevestig beide delen van de behuizing met vier 8 mm schroeven op elke hoek van de behuizing.

Stap 6: De Arduino-code

Bijgevoegde code is de volledige apparaatcode die nodig is voor de volledige werking van het apparaat. Alle benodigde uitleg is bijgevoegd bij de commentaarsecties in de code.

Stap 7: Laatste testen

We hebben ons apparaat klaar voor gebruik. mini-USB-connector fungeert zowel als input van de programmeur als als input voor een externe oplader, zodat het apparaat kan worden geprogrammeerd wanneer het volledig is gemonteerd.

Hoop, je zult dit instructable nuttig vinden, Bedankt voor het lezen!;)