Tragbarer Funktionsgenerator auf Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Der Funktionsgenerator ist ein sehr nützliches Werkzeug, insbesondere wenn wir die Reaktion unserer Schaltung auf ein bestimmtes Signal testen möchten. In diesem anweisbaren beschreibe ich die Baufolge des kleinen, einfach zu bedienenden, tragbaren Funktionsgenerators.

Merkmale des Projekts:

• Volldigitale Steuerung: Keine passiven analogen Komponenten erforderlich.
• Modularer Aufbau: Jeder Teilstromkreis ist ein vordefiniertes, einfach zu bedienendes Modul.
• Ausgangsfrequenz: Verfügbarer Bereich von 0 Hz bis 10 MHz.
• Einfache Steuerung: Einzelner Drehgeber mit eingebautem Druckknopf.
• Lithium-Ionen-Akku für den mobilen Einsatz, mit externer Lademöglichkeit.
• AC- und DC-Kopplung für die Ausgangswellenform.
• LCD-Helligkeitssteuerung zur Reduzierung des Energieverbrauchs.
• Batterieladeanzeige.
• Digitale Amplitudensteuerung.
• Drei verfügbare Wellenformen: Sinus, Dreieck und Rechteck.

Schritt 1: Die Idee

Es gibt viele Schaltungen, die einige Testgeräte erfordern, um Informationen über die Reaktion der Schaltung auf eine bestimmte Wellenform zu erhalten. Dieses Projekt basiert auf Arduino (in diesem Fall Arduino Nano), mit 3,7 V einer Lithium-Ionen-Batterie als Stromquelle, wodurch das Gerät tragbar wird. Es ist bekannt, dass das Arduino Nano-Board 5 V als Stromversorgung benötigt, daher enthält das elektronische Design einen DC-DC-Aufwärtswandler, der 3,7 V Batteriespannung in 5 V umwandelt, die zum Einschalten des Arduino erforderlich sind. Somit ist dieses Projekt einfach zu bauen, vollständig modular, mit relativ einfachem Schaltplan.

Stromversorgung des Boards: Das Gerät verfügt über einen einzelnen Mini-USB-Anschluss, der 5 V von der externen Stromversorgung empfängt, die entweder ein PC oder ein externes USB-Ladegerät sein kann. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass bei angeschlossener 5V DC-Quelle der Li-Ionen-Akku über das Lademodul TP4056 geladen wird, das an die Stromversorgungsschaltung angeschlossen ist (Thema wird in den folgenden Schritten noch erweitert).

AD9833: integrierte Funktionsgeneratorschaltung ist ein zentraler Bestandteil des Designs, gesteuert über SPI-Schnittstelle mit der Möglichkeit, Rechteck-/Sinus-/Dreieckswellen mit Frequenzmodulationsoption zu erzeugen. Da AD9833 keine Möglichkeit hat, die Amplitude des Ausgangssignals zu ändern, habe ich ein digitales 8-Bit-Potentiometer als Spannungsteiler am Endpunkt des Geräteausgangs verwendet (wird in weiteren Schritten beschrieben).

Display: ist das grundlegende 16x2-LCD, das unter Arduino-Benutzern wahrscheinlich das beliebteste Flüssigkristalldisplay ist. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, besteht die Möglichkeit, die LCD-Hintergrundbeleuchtung über ein PWM-Signal vom Arduino-vordefinierten "analogen" Pin anzupassen.

Nach dieser kurzen Einführung können wir mit dem Bauprozess fortfahren.

Schritt 2: Teile und Instrumente

1: Elektronische Teile:

1.1: Integrierte Module:

• Arduino Nano-Board
• 1602A - Generisches Flüssigkristalldisplay
• CJMCU - AD9833 Funktionsgeneratormodul
• TP4056 - Lithium-Ionen-Akkulademodul
• DC-DC Step-Up-Umwandlermodul: 1,5V-3V zu 5V Wandler

1.2: Integrierte Schaltungen:

• SRD=05VDC - 5V SPDT-Relais
• X9C104P - 8-Bit 100KOhm digitales Potentiometer
• EC11 - Drehgeber mit SPST-Schalter
• 2 x 2N2222A - NPN Allzweck-BJT

1.3: Passive und nicht klassifizierte Teile:

• 2 x 0.1uF -Keramikkondensatoren
• 2 x 100uF - Elektrolytkondensatoren
• 2 x 10uF - Elektrolytkondensatoren
• 3 x 10KOhm Widerstände
• 2 x 1,3KOhm Widerstände
• 1 x 1N4007 Gleichrichterdiode
• 1 x SPDT-Kippschalter

1.4: Anschlüsse:

• 3 x 4-polige JST-Steckverbinder mit 2,54 mm Rastermaß
• 3 x 2-polige JST-Steckverbinder mit 2,54 mm Rastermaß
• 1 x Cinch-Buchsenanschluss

2: Mechanische Teile:

• 1 x 12,5 cm x 8 cm x 3,2 cm Kunststoffgehäuse
• 6 x KA-2mm Zugschrauben
• 4 x KA-8mm Bohrschrauben
• 1 x Encoder-Knopf (Kappe)
• 1 x 8cm x 5cm Prototypentafel

3. Instrumente und Software:

• Lötstation/Bügel
• Elektroschrauber
• Schleiffeilen in zahlreichen Größen
• Scharfes Messer
• Bohrer
• Schraubendreher-Bits
• Heißklebepistole
• Mini-USB-Kabel
• Arduino-IDE
• Messschieber/Lineal

Schritt 3: Erläuterung der Schaltpläne

Zum besseren Verständnis des Schaltplans ist die Beschreibung in Teilschaltungen unterteilt, wobei jede Teilschaltung für jeden Designblock verantwortlich ist:

1. Arduino Nano-Schaltung:

Das Arduino Nano-Modul fungiert als "Main Brain" für unser Gerät. Es steuert alle Peripheriemodule des Geräts, sowohl im digitalen als auch im analogen Betriebsmodus. Da dieses Modul über einen eigenen Mini-USB-Eingang verfügt, wird es sowohl als Netzteileingang als auch als Programmierschnittstelleneingang verwendet. Aus diesem Grund ist J1 - der Mini-USB-Anschluss vom schematischen Symbol des Arduino Nano (U4) getrennt.

Es besteht die Möglichkeit, dedizierte analoge Pins (A0.. A5) als Allzweck-E/A zu verwenden, sodass einige der Pins als digitaler Ausgang verwendet werden, der mit dem LCD und der AC/DC-Kopplungsauswahl des Geräteausgangs kommuniziert. Die analogen Pins A6 und A7 sind dedizierte analoge Eingangspins und können aufgrund des Arduino Nano-Mikrocontrollers ATMEGA328P TQFP-Paket, wie es im Datenblatt definiert wurde, nur als ADC-Eingänge verwendet werden. Beachten Sie, dass die Batteriespannungsleitung VBAT an den analogen Eingangspin A7 angeschlossen ist, da wir ihren Wert abrufen müssen, um den niedrigen Batteriezustand der Li-Ionen-Batteriespannung zu bestimmen.

2. Stromversorgung:

Die Stromversorgungsschaltung basiert auf der Stromversorgung des gesamten Geräts über einen Lithium-Ionen-Akku von 3,7 V, der in 5 V umgewandelt wurde. SW1 ist ein SPST-Kippschalter, der den Stromfluss auf der gesamten Schaltung steuert. Wie aus den Schaltplänen ersichtlich ist, wird der Akku über das TP4056-Modul geladen, wenn eine externe Stromversorgung über den Micro-USB-Anschluss des Arduino Nano-Moduls angeschlossen wird. Stellen Sie sicher, dass in der Schaltung Bypass-Kondensatoren mit mehreren Werten vorhanden sind, da ein DC-DC-Aufwärtswandler-Schaltrauschen an Masse und 5 V-Potentialen der gesamten Schaltung vorhanden ist.

3. AD9833 und Ausgang:

Diese Unterschaltung liefert eine geeignete Ausgangswellenform, definiert durch das AD9833-Modul (U1). Da das Gerät nur über eine einzige Stromversorgung (5 V) verfügt, muss die Kopplungsauswahlschaltung an die Ausgangskaskade angeschlossen werden. Der C1-Kondensator ist in Reihe mit der Amplitudenauswahlstufe geschaltet und kann über den Treiberstrom an der Relaisinduktivität stummgeschaltet werden, wodurch das Ausgangssignal direkt zur Ausgangsstufe geleitet wird. C1 hat einen Wert von 10uF, es reicht aus, dass die Wellenform auch bei niedrigen Frequenzen den Kondensator ohne Verzerrung durchläuft, nur beeinflusst durch DC-Entfernung. Q1 wird als einfacher BJT-Schalter verwendet, um Strom durch die Induktivität des Relais zu treiben. Achten Sie darauf, dass die Diode vertauscht zur Relaisdrossel geschaltet ist, um Spannungsspitzen zu vermeiden, die die Gerätestromkreise beschädigen können.

Die letzte Stufe ist eine Amplitudenauswahl. U6 ist ein digitaler 8-Bit-Potentiometer-IC, der als Spannungsteiler für eine gegebene Ausgangswellenform fungiert. X9C104P ist ein 100KOhm digitales Potentiometer mit sehr einfacher Wischerpositionseinstellung: 3-polige Digitaleingänge zum Einstellen der Inkrement-/Dekrement-Wischerposition.

4. LCD:

Das 16x2-Flüssigkristalldisplay ist eine grafische Schnittstelle zwischen dem Benutzer und der Schaltung des Geräts. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, ist der Kathodenstift der LCD-Hintergrundbeleuchtung mit dem als Schalter verbundenen Q2 BJT verbunden, der durch ein PWM-Signal gesteuert wird, das von der Arduino-AnalogWrite-Fähigkeit gesteuert wird (wird im Arduino-Codeschritt beschrieben).

5. Encoder:

Die Encoder-Schaltung ist eine Steuerschnittstelle, die den gesamten Gerätebetrieb definiert. U9 besteht aus einem Encoder und einem SPST-Schalter, sodass dem Projekt keine zusätzlichen Schaltflächen hinzugefügt werden müssen. Encoder- und Schalterpins sollten durch einen externen 10KOhm-Widerstand hochgezogen werden, können aber auch per Code definiert werden. Es wird empfohlen, parallel zu den A- und B-Pins des Encoders 0,1uF-Kondensatoren hinzuzufügen, um ein Prellen auf diesen Eingangsleitungen zu vermeiden.

6. JST-Anschlüsse:

Alle externen Teile des Geräts sind über JST-Stecker verbunden, was die Montage des Geräts erheblich erleichtert und die Fehlerquellen während des Bauprozesses reduziert. Die Zuordnung der Anschlüsse erfolgt auf diese Weise:

• J3, J4: LCD
• J5: Encoder
• J6: Batterie
• J7: SPST-Kippschalter
• J8: Cinch-Ausgangsanschluss

Schritt 4: Löten

Aufgrund des modularen Designs dieses Projekts wird der Lötschritt einfach:

A. Löten der Hauptplatine:

1. Zunächst muss die Prototypenplatine auf die gewünschte Größe des Gehäuses zugeschnitten werden.

2. Löten des Arduino Nano Moduls und Testen seiner Inbetriebnahme.

3. Das Löten des Stromversorgungskreises und die Überprüfung aller Spannungswerte entsprechen den Geräteanforderungen.

4. Löten des Moduls AD9833 mit allen Peripherieschaltungen.

5. Löten aller JST-Anschlüsse.

B. Externe Komponenten:

1. Löten Sie die Drähte des JST-Steckers an die LCD-Pins in GENAUER Reihenfolge, wie sie auf der Hauptplatine geplant waren.

2. Löten Sie die Drähte des JST-Steckers an den Encoder ähnlich wie im vorherigen Schritt

3. Anlöten des Kippschalters an die JST-Drähte.

4. Löten von JST-Kabeln an die Batterie (Wenn es überhaupt benötigt wird. Einige der bei eBay erhältlichen Li-Ionen-Batterien sind mit einem eigenen JST-Anschluss vorgelötet).

Schritt 5: Gehäuse und Montage

Nachdem alle Lötarbeiten abgeschlossen sind, können wir mit der Reihenfolge der Gerätemontage fortfahren:

1. Denken Sie über die Platzierung externer Geräte nach: In meinem Fall habe ich es vorgezogen, den Encoder unter dem LCD zu platzieren, wenn der Kippschalter und der Cinch-Anschluss auf separaten Seiten des Gehäusekastens platziert sind.

2. Vorbereiten des LCD-Rahmens: Entscheiden Sie, wo sich das LCD auf dem Gerät befindet, stellen Sie sicher, dass es in der richtigen Richtung platziert wird ist traurig, weil der LCD-Rahmen neu angeordnet werden muss.

Nachdem der Rahmen ausgewählt wurde, bohren Sie mehrere Löcher am Umfang des gesamten Rahmens. Entfernen Sie alle unerwünschten Plastikschnitte mit Schleiffeile.

Setzen Sie das LCD von innen ein und suchen Sie die Schraubpunkte am Gehäuse. Bohren Sie Löcher mit Bohrern mit geeignetem Durchmesser. Angezogene Schrauben einsetzen und Muttern an der Innenseite der Frontplatte festziehen.

3. Encoder: hat nur einen einzigen Drehteil auf der Verpackung. Bohren Sie den Bereich entsprechend dem Drehgeberdurchmesser des Drehgebers. Von innen einsetzen, mit Heißklebepistole befestigen. Setzen Sie eine Kappe auf den Drehaufsatz.

4. Kippschalter: Bestimmen Sie die Abmessungen des Kippschalters, damit er frei nach unten oder oben gezogen werden kann. Wenn Sie Schraubpunkte am Kippschalter haben, bohren Sie die entsprechenden Stellen am Gehäuse, ansonsten können Sie es mit einer Heißklebepistole befestigen.

5. RCA-Ausgangsanschluss: Bohren Sie ein Loch mit einem geeigneten Durchmesser für den RCA-Ausgangsanschluss an der Seite-Unterseite des Gehäuses. Befestige es mit der Heißklebepistole.

6. Hauptplatine und Akku: Legen Sie den Li-Ionen-Akku auf die Unterseite des Gehäuses. Der Akku kann mit einer Heißklebepistole befestigt werden. Die Hauptplatine sollte an vier Stellen für 4 Schrauben an jeder Ecke der Hauptplatine gebohrt werden. Stellen Sie sicher, dass der Arduino-Mini-USB-Eingang so nah wie möglich an der Grenze des Gehäuses liegt (wir müssen ihn zum Laden und Programmieren verwenden).

7. Mini-USB: Schneiden Sie den gewünschten Bereich für Arduino Nano micro-USB mit einer Schleiffeile ab, so dass im fertig zusammengebauten Zustand ein externes Netzteil/PC an das Gerät angeschlossen werden kann.

8. Abschließend: Schließen Sie alle JST-Anschlüsse an, befestigen Sie beide Teile des Gehäuses mit vier 8-mm-Schrauben an jeder Ecke des Gehäuses.

Schritt 6: Der Arduino-Code

Der angehängte Code ist der vollständige Gerätecode, der für den vollständigen Gerätebetrieb benötigt wird. Alle erforderlichen Erklärungen sind in den Kommentarabschnitten im Code enthalten.

Schritt 7: Abschlussprüfung

Wir haben unser Gerät einsatzbereit. Der Mini-USB-Anschluss fungiert sowohl als Programmiereingang als auch als Eingang für ein externes Ladegerät, sodass das Gerät im vollständig zusammengebauten Zustand programmiert werden kann.

Hoffe, Sie finden dieses instructable nützlich, Danke fürs Lesen!;)