Przenośny generator funkcji na Arduino: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Generator funkcji jest bardzo przydatnym narzędziem, zwłaszcza gdy rozważamy testowanie odpowiedzi naszego układu na określony sygnał. W tej instrukcji opiszę sekwencję budowania małego, łatwego w użyciu, przenośnego generatora funkcji.

Cechy projektu:

• W pełni cyfrowe sterowanie: nie ma potrzeby stosowania pasywnych komponentów analogowych.
• Konstrukcja modułowa: Każdy podobwód jest wstępnie zdefiniowanym, łatwym w użyciu modułem.
• Częstotliwość wyjściowa: Dostępny zakres od 0Hz do 10MHz.
• Proste sterowanie: Pojedynczy enkoder obrotowy z wbudowanym przyciskiem.
• Akumulator litowo-jonowy do użytku przenośnego, z możliwością ładowania zewnętrznego.
• Sprzężenie AC i DC dla przebiegu wyjściowego.
• Kontrola jasności LCD w celu zmniejszenia zużycia energii.
• Wskaźnik naładowania baterii.
• Cyfrowa kontrola amplitudy.
• Trzy dostępne przebiegi: sinusoidalny, trójkątny i kwadratowy.

Krok 1: Pomysł

Istnieje wiele obwodów, które wymagają sprzętu testującego w celu uzyskania informacji o odpowiedzi obwodu na określony przebieg. Ten projekt jest oparty na Arduino (w tym przypadku Arduino Nano), z baterią litowo-jonową 3,7 V jako źródłem zasilania, dzięki czemu urządzenie jest przenośne. Wiadomo, że płytka Arduino Nano wymaga zasilania 5V, dlatego układ elektroniczny zawiera konwerter doładowania DC-DC, który konwertuje napięcie akumulatora 3,7V na 5V potrzebne do zasilania Arduino. Dzięki temu projekt ten jest łatwy do zbudowania, całkowicie modułowy, ze stosunkowo prostym schematem ideowym.

Zasilanie płytki: Urządzenie posiada pojedyncze złącze mini-USB, które odbiera 5V z zewnętrznego zasilacza, którym może być komputer PC lub zewnętrzna ładowarka USB. obwód zaprojektowany w taki sposób, że po podłączeniu źródła 5V DC akumulator litowo-jonowy jest ładowany przez moduł ładowarki TP4056, który jest dołączony do obwodów zasilacza (Temat zostanie rozwinięty w kolejnych krokach).

AD9833: zintegrowany układ generatora funkcji jest centralną częścią projektu, sterowany przez interfejs SPI z możliwością generowania fali prostokątnej/sinusoidalnej/trójkątnej z opcją modulacji częstotliwości. Ponieważ AD9833 nie ma możliwości zmiany amplitudy sygnału wyjściowego, użyłem cyfrowego 8-bitowego potencjometru jako dzielnika napięcia w punkcie końcowym wyjścia urządzenia (zostanie to opisane w dalszych krokach).

Wyświetlacz: to podstawowy wyświetlacz LCD 16x2, który jest prawdopodobnie najpopularniejszym wyświetlaczem ciekłokrystalicznym wśród użytkowników Arduino. W celu zmniejszenia zużycia energii istnieje możliwość regulacji podświetlenia LCD za pomocą sygnału PWM z predefiniowanego pinu „analogowego” Arduino.

Po tym krótkim wprowadzeniu możemy przejść do procesu budowania.

Krok 2: Części i instrumenty

1: Części elektroniczne:

1.1: Zintegrowane moduły:

• Płytka Arduino Nano
• 1602A - Ogólny wyświetlacz ciekłokrystaliczny
• CJMCU-AD9833 Moduł generatora funkcji
• TP4056 - Moduł ładowarki akumulatorów litowo-jonowych
• Moduł osłony DC-DC Step-Up: konwerter 1,5 V-3 V na 5 V

1.2: Układy scalone:

• SRD=05VDC - 5V SPDT przekaźnik
• X9C104P - 8-bitowy cyfrowy potencjometr 100KOhm
• EC11 - Enkoder obrotowy z przełącznikiem SPST
• 2 x 2N2222A - NPN ogólnego przeznaczenia BJT

1.3: Części pasywne i niesklasyfikowane:

• 2 x 0.1uF-kondensatory ceramiczne
• 2 x 100uF - Kondensatory elektrolityczne
• 2 x 10uF - Kondensatory elektrolityczne
• Rezystory 3 x 10 kΩ
• Rezystory 2x1.3KOhm
• 1x1N4007 dioda prostownicza
• 1 x przełącznik dwupozycyjny SPDT

1.4: Złącza:

• 3 x 4-pinowe złącza JST o rastrze 2,54 mm
• 3 x 2-pinowe złącza JST o rastrze 2,54 mm
• 1 x złącze gniazda RCA

2: Części mechaniczne:

• 1x12,5 cm x 8 cm x 3,2 cm Plastikowa obudowa
• Śruby ściągające 6 x KA-2mm
• 4 x wkręty samowiercące KA-8mm
• 1 x pokrętło enkodera (nasadka)
• 1x8cm x 5cm Płytka prototypowa

3. Instrumenty i oprogramowanie:

• Stacja lutownicza/żelazko
• Wkrętak elektryczny
• Szlifowanie pilników o różnych rozmiarach
• Ostry nóż
• Wiertła
• Końcówki wkrętakowe
• Pistolet na gorący klej
• Kabel mini-USB
• IDE Arduino
• Suwmiarka/linijka

Krok 3: Objaśnienie schematów

Aby ułatwić zrozumienie schematu, opis został podzielony na podobwody, przy czym każdy podobwód odpowiada za każdy blok projektowy:

1. Układ Arduino Nano:

Moduł Arduino Nano pełni rolę „głównego mózgu” dla naszego urządzenia. Kontroluje wszystkie moduły peryferyjne na urządzeniu, zarówno w cyfrowym, jak i analogowym trybie pracy. Ponieważ moduł ten posiada własne złącze wejściowe mini-USB, będzie używany zarówno jako wejście zasilania, jak i wejście interfejsu programowania. Z tego powodu złącze J1 - mini-USB jest odłączone od symbolu schematu Arduino Nano (U4).

Istnieje możliwość wykorzystania dedykowanych pinów analogowych (A0.. A5) jako I/O ogólnego przeznaczenia, dzięki czemu część pinów jest wykorzystywana jako wyjście cyfrowe, komunikując się z wyświetlaczem LCD i wybieramy sprzężenie AC/DC wyjścia urządzenia. Piny analogowe A6 i A7 są dedykowanymi pinami wejściowymi analogowymi i mogą być używane tylko jako wejścia ADC, ze względu na pakiet mikrokontrolera Arduino Nano ATMEGA328P TQFP, jak określono w arkuszu danych. Zauważ, że linia napięcia akumulatora VBAT jest dołączona do pinu wejścia analogowego A7, ponieważ musimy uzyskać jej wartość, aby określić niski stan akumulatora Li-ion.

2. Zasilanie:

Obwód zasilania oparty jest na zasilaniu całego urządzenia baterią Li-ion 3,7V zamienioną na 5V. SW1 to przełącznik dwustabilny SPST, który kontroluje przepływ mocy w całym obwodzie. Jak widać na schemacie, po podłączeniu zewnętrznego zasilania poprzez złącze micro-USB modułu Arduino Nano, akumulator jest ładowany przez moduł TP4056. Upewnij się, że w obwodzie obecne są kondensatory obejściowe o kilku wartościach, ponieważ występuje szum przełączania konwertera DC-DC na masę i potencjały 5V całego obwodu.

3. AD9833 i wyjście:

Ten pod-obwód zapewnia odpowiedni kształt fali wyjściowej, zdefiniowany przez moduł AD9833 (U1). Ponieważ urządzenie jest zasilane tylko jednym napięciem (5V), konieczne jest dołączenie obwodu wyboru sprzężenia do kaskady wyjściowej. Kondensator C1 jest połączony szeregowo ze stopniem wyboru amplitudy i może być wyciszony za pomocą prądu sterującego na cewce przekaźnika, dzięki czemu sygnał wyjściowy jest kierowany bezpośrednio do stopnia wyjściowego. C1 ma wartość 10uF, wystarczy, że przebieg nawet o niskich częstotliwościach przejdzie przez kondensator bez zniekształceń, a jedynie przez usunięcie prądu stałego. Q1 jest używany jako prosty przełącznik BJT używany do napędzania prądu przez cewkę indukcyjną przekaźnika. Upewnij się, że dioda jest podłączona w odwrotnej kolejności do cewki indukcyjnej przekaźnika, aby uniknąć skoków napięcia, które mogą uszkodzić obwody urządzenia.

Ostatnim, ale nie mniej ważnym etapem jest wybór amplitudy. U6 to 8-bitowy cyfrowy potencjometr IC, który pełni funkcję dzielnika napięcia dla danego przebiegu wyjściowego. X9C104P to cyfrowy potencjometr 100KOhm z bardzo prostą regulacją położenia wycieraczek: 3-pinowe wejścia cyfrowe do regulacji zwiększania/zmniejszania położenia wycieraczki.

4. LCD:

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny 16x2 jest graficznym interfejsem pomiędzy użytkownikiem a obwodami urządzenia. W celu zmniejszenia zużycia energii, pin katody podświetlenia LCD jest podłączony do Q2 BJT podłączonego jako przełącznik, sterowany sygnałem PWM sterowanym przez zdolność Arduino analogWrite (zostanie opisany w kroku kodu Arduino).

5. Koder:

Układ enkodera jest interfejsem sterującym, definiującym działanie całego urządzenia. U9 składa się z enkodera i przełącznika SPST, więc nie ma potrzeby dodawania do projektu dodatkowych przycisków. Piny enkodera i przełącznika powinny być podciągnięte przez zewnętrzne rezystory 10KOhm, ale można to również zdefiniować za pomocą kodu. Zaleca się dodanie kondensatorów 0,1uF równolegle do pinów A i B enkodera, aby uniknąć odbijania się na tych liniach wejściowych.

6. Złącza JST:

Wszystkie zewnętrzne części urządzenia połączone są złączami JST, dzięki czemu montaż urządzenia jest znacznie wygodniejszy, a dodatkowo zmniejsza się miejsce na błędy w trakcie budowy. Mapowanie łączników odbywa się w ten sposób:

• J3, J4: LCD
• J5: Koder
• J6: bateria
• J7: przełącznik SPST
• J8: złącze wyjściowe RCA

Krok 4: Lutowanie

Dzięki modułowej konstrukcji tego projektu etap lutowania staje się prosty:

A. Lutowanie płyty głównej:

1. Przede wszystkim należy przyciąć płytkę prototypową do żądanych wymiarów obudowy.

2. Lutowanie modułu Arduino Nano i testowanie jego początkowego działania.

3. Przylutowanie obwodu zasilania i sprawdzenie wszystkich wartości napięć spełnia wymagania urządzenia.

4. Przylutowanie modułu AD9833 ze wszystkimi obwodami peryferyjnymi.

5. Lutowanie wszystkich złącz JST.

B. Komponenty zewnętrzne:

1. Przylutowanie przewodów złącza męskiego JST do pinów LCD w DOKŁADNEJ kolejności jak było zaplanowane na płycie głównej.

2. Przylutowanie przewodów złącza JST Male do enkodera podobnie jak w poprzednim kroku

3. Przełącznik lutowniczy do przewodów JST.

4. Przylutowanie przewodów JST do akumulatora (jeśli w ogóle jest to potrzebne. Niektóre dostępne w serwisie eBay akumulatory Li-ion są fabrycznie wlutowane z własnym złączem JST).

Krok 5: Obudowa i montaż

Po zakończeniu lutowania możemy przystąpić do kolejności montażu urządzenia:

1. Zastanów się nad rozmieszczeniem zewnętrznych części urządzenia: W moim przypadku enkoder wolałem umieścić pod wyświetlaczem LCD, gdy przełącznik i złącze RCA znajdują się po osobnych bokach obudowy.

2. Przygotowanie ramki LCD: Zdecyduj, gdzie będzie znajdować się LCD na urządzeniu, upewnij się, że będzie ustawiony we właściwym kierunku, kilka razy zdarzyło mi się, że po zakończeniu całego procesu cięcia LCD był odwrócony w pionie, o czym mowa to smutne, bo trzeba przearanżować ramkę LCD.

Po wybraniu ramy wywierć kilka otworów na obwodzie całej ramy. Usuń wszystkie niechciane nacięcia z tworzywa sztucznego za pomocą pilnika do szlifowania.

Włóż wyświetlacz LCD od wewnątrz i zlokalizuj punkty śrub na obudowie. Wywierć otwory wiertłami o odpowiedniej średnicy. Włóż wyciągnięte śruby i dokręć nakrętki po wewnętrznej stronie panelu przedniego.

3. Enkoder: ma tylko jedną obrotową część na opakowaniu. Wywiercić obszar zgodnie ze średnicą obrotowego nasadki enkodera. Włóż go od wewnątrz, przymocuj pistoletem do klejenia na gorąco. Załóż nasadkę na nasadkę obrotową.

4. Przełącznik dźwigienkowy: zdecyduj o wymiarach wychylenia przełącznika dźwigienkowego, aby można go było swobodnie opuszczać lub podnosić. Jeśli masz miejsca na śruby na przełączniku, wywierć odpowiednie miejsca na obudowie, w przeciwnym razie możesz go przymocować pistoletem do klejenia na gorąco.

5. Złącze wyjściowe RCA: Wywierć otwór o odpowiedniej średnicy na złącze wyjściowe RCA po stronie dolnej części obudowy. Przymocuj go pistoletem do klejenia na gorąco.

6. Płyta główna i akumulator: Umieść akumulator litowo-jonowy na spodzie obudowy. Akumulator można przymocować pistoletem do klejenia na gorąco. Płyta główna powinna być wywiercona w czterech miejscach na 4 wkręty w każdym rogu płyty głównej. Upewnij się, że wejście Arduino mini-USB znajduje się jak najbliżej granicy obudowy (będziemy musieli użyć go do ładowania i programowania).

7. Mini-USB: odetnij żądany obszar dla Arduino Nano micro-USB za pomocą pliku do szlifowania, umożliwiając w ten sposób podłączenie zewnętrznego zasilania/PC do urządzenia, gdy jest ono całkowicie zmontowane.

8. Final: Połącz wszystkie złącza JST, przymocuj obie części obudowy czterema śrubami 8mm w każdym rogu obudowy.

Krok 6: Kod Arduino

Dołączony kod to kompletny kod urządzenia, który jest potrzebny do pełnego działania urządzenia. Wszystkie potrzebne wyjaśnienia znajdują się w sekcjach komentarzy wewnątrz kodu.

Krok 7: Testy końcowe

Nasze urządzenie mamy gotowe do użycia. Złącze mini-USB działa zarówno jako wejście programatora, jak i wejście ładowarki zewnętrznej, dzięki czemu urządzenie można programować po całkowitym złożeniu.

Mam nadzieję, że ta instrukcja będzie przydatna, Dziękuje za przeczytanie!;)