如何使用Arduino和AD9833构建信号发生器

　　如果您是像我这样想要调整不同电子电路的电子爱好者，那么拥有一个像样的函数发生器有时是必不可少的。但是拥有一个是个问题，因为这样的基本设备可能要花一大笔钱。构建自己的测试设备不仅更便宜，而且是提高知识的好方法。

　　因此，在本文中，我们将使用 Arduino 和 AD9833 DDS 函数发生器模块构建一个简单的信号发生器，它可以在输出端产生最大频率为 12 MHz 的正弦波、方波和三角波。最后，我们将在示波器的帮助下测试输出频率。

　　什么是 DDS 函数发生器？

　　顾名思义，函数发生器是一种可以通过设置输出特定频率的特定波形的设备。例如，假设您有一个 想要测试输出频率响应的LC 滤波器，您可以在函数发生器的帮助下轻松做到这一点。您需要做的就是设置所需的输出频率和波形，然后您可以调低或调高它以测试响应。这只是一个例子，随着列表的继续，你可以用它做更多的事情。

　　DDS 代表直接数字合成。它是一种波形发生器，使用数模转换器（DAC） 从头构建信号。此方法专门用于生成正弦波。但是我们使用的IC可以产生方波或三角波信号。DDS 芯片内部发生的操作是数字的，因此它可以非常快速地切换频率，也可以非常快速地从一个信号切换到另一个信号。该设备具有良好的频率分辨率和宽频谱。

　　了解 AD9833 函数发生器 IC 的工作原理

　　我们项目的核心是由模拟设备设计和开发的AD9833可编程波形发生器 IC。它是一种低功耗、可编程波形发生器，能够产生最大频率为 12 MHz 的正弦波、三角波和方波。这是一款非常独特的 IC，只需一个软件程序即可改变输出频率和相位。它有一个 3 线 SPI 接口，这就是为什么与这个 IC 通信变得非常简单和容易的原因。该IC的功能框图如下所示。

　　该IC的工作非常简单。如果我们看一下上面的功能框图，我们会发现我们有一个相位累加器，它的工作是存储从 0 到 2π 的所有可能的正弦波数字值。接下来，我们有 SIN ROM，其工作是将相位信息转换为以后可以直接映射到幅度的信息。SIN ROM 使用数字相位信息作为查找表的地址，并将相位信息转换为幅度。最后，我们有一个 10 位数模转换器，它的工作是从 SIN ROM 接收数字数据并将其转换为相应的模拟电压，这就是我们从输出中得到的电压。在输出端，我们还有一个开关，只需一点软件代码就可以打开或关闭它。我们将在本文后面讨论。AD9833 数据表，您也可以查看它以获取更多信息。

　　构建基于 AD9833 的函数发生器所需的组件

　　下面列出了构建基于 AD9833 的函数发生器所需的组件，我们使用非常通用的组件设计了这个电路，这使得复制过程非常容易。

　　Arduino 纳米 - 1

　　AD9833 DDS 函数发生器 - 1

　　128 X 64 OLED 显示屏 - 1

　　通用旋转编码器 - 1

　　DC 桶形千斤顶 - 1

　　LM7809 稳压器 - 1

　　470uF 电容 - 1

　　220uF 电容 - 1

　　104pF 电容 - 1

　　10K 电阻 - 6

　　轻触开关 - 4

　　螺丝端子 5.04mm - 1

　　女头 - 1

　　12V 电源 - 1

　　基于 AD9833 的函数发生器 - 原理图

　　AD9833 和基于 Arduino 的函数发生器的完整电路图如下所示。

　　我们将使用带有 Arduino 的 AD9833来生成我们想要的频率。在本节中，我们将借助原理图解释所有细节；让我简要概述一下电路发生的情况。让我们从AD9833 模块开始。 AD9833模块为函数发生器模块，按照原理图与Arduino连接。为了给电路供电，我们使用了 LM7809 稳压器 IC，它带有一个不错的去耦电容，这是必要的，因为电源噪声会干扰输出信号，从而导致不需要的输出。与往常一样，Arduino 是这个项目的大脑。为了显示设定频率和其他有价值的信息，我们连接了一个 128 X 64 OLED 显示模块。为了改变频率范围，我们使用了三个开关。第一个将频率设置为 Hz，第二个将输出频率设置为 KHz，第三个将频率设置为 MHz，我们还有另一个按钮可用于启用或禁用输出。最后，我们有旋转编码器，我们必须连接一些上拉电阻，否则这些开关将不起作用，因为我们正在检查池方法上的按钮按下事件。旋转编码器用于改变频率，旋转编码器内部的轻触开关用于选择设定的波形。

　　基于 AD9833 的函数发生器 - Arduino 代码

　　此项目中使用的完整代码可在此页面底部找到。添加所需的头文件和源文件后，应该可以直接编译Arduino文件了。您可以从下面给出的链接下载ad9833 Arduino 库和其他库，或者您可以使用板管理器方法安装库。

　　ino中的代码说明。文件如下。首先，我们首先包含所有必需的库。AD9833 DDS 模块库首先是 OLED 库，我们的一些计算需要数学库。

　　ino中的代码说明。文件如下。首先，我们首先包含所有必需的库。AD9833 DDS 模块库首先是 OLED 库，我们的一些计算需要数学库。

#include  // AD9833 模块库

#include  // OLED 线库

#include  // OLED 支持库

#include  // OLED 库

#include  // 数学库

接下来，我们为按钮、开关、旋转编码器和 OLED 定义所有必要的输入和输出引脚。

#define SCREEN_WIDATA_PINH 128 // OLED 显示宽度（以像素为单位）

#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED 显示高度，以像素为单位

#define SET_FREQUENCY_HZ A2 // 以Hz为单位设置频率的按钮

#define SET_FREQUENCY_KHZ A3 // 以 Khz 为单位设置频率的按钮

#define SET_FREQUENCY_MHZ A6 // 以 Mhz 为单位设置频率的按钮

#define ENABLE_DISABLE_OUTPUT_PIN A7 // 启用/禁用输出的按钮

#define FNC_PIN 4 // AD9833 模块需要的 Fsync

#define CLK_PIN 8 // 编码器的时钟引脚

#define DATA_PIN 7 // 编码器的数据引脚

#define BTN_PIN 9 // 编码器上的内部按钮

此后，我们定义了此代码中所需的所有必要变量。首先，我们定义一个整数变量计数器来存储旋转编码器的值。接下来的两个变量clockPin和clockPinState存储理解编码器方向所需的引脚状态。我们有一个时间变量来保存当前的定时器计数器值，这个变量用于按钮去抖动。接下来，我们有一个无符号长变量moduleFrequency，它保存了计算的频率，它将被应用。接下来，我们有debounce delay。可以根据需要调整此延迟。接下来，我们有三个布尔变量set_frequency_hz，set_frequency_Khz和 set_frequency_Mhz 这三个变量用于确定模块的当前设置。我们将在本文后面更详细地讨论它。接下来，我们有存储输出波形状态的变量，默认输出波形是正弦波。最后，我们有encoder_btn_count变量，它保存用于设置输出波形的编码器按钮计数。

整数计数器 = 1；// 如果旋转编码器转动，此计数器值将增加或减少

整数时钟引脚；// 旋转编码器使用的引脚状态占位符

整数时钟引脚状态；// 旋转编码器使用的引脚状态占位符

无符号长时间 = 0; // 用于去抖动

无符号长模块频率；//用于设置输出频率

长时间去抖 = 220; // 去抖动延迟

布尔 btn_state; // 用于启用 AD98333 模块的禁用输出

布尔 set_frequency_hz = 1; // AD9833模块的默认频率

bool set_frequency_khz;

bool set_frequency_mhz;

字符串 waveSelect = "SIN"; // 模块的启动波形

int 编码器_btn_count = 0; // 用于检查编码器按钮是否按下

接下来，我们有两个对象，一个用于 OLED 显示器，另一个用于 AD9833 模块。

Adafruit_SSD1306 显示（SCREEN_WIDATA_PINH，SCREEN_HEIGHT，&Wire，-1）；

AD9833 gen(FNC_PIN);

接下来，我们有我们的setup()函数，在该 setup 函数中，我们首先启用 Serial 进行调试。我们借助begin()方法初始化 AD9833 模块。接下来，我们将所有分配的旋转编码器引脚设置为输入。而我们将时钟引脚的值存储在clockPinState变量中，这是旋转编码器的必要步骤。

接下来，我们将所有按钮引脚设置为输入，并在display.begin()方法的帮助下启用 OLED 显示，我们还使用if 语句检查是否有任何错误。完成后，我们清除显示并打印启动启动画面，我们添加 2 秒的延迟，这也是启动画面的延迟，最后，我们调用update_display()函数清除屏幕并更新再次显示。update_display()方法的细节将在本文后面讨论。

无效设置（）{

  序列号.开始（9600）；// 启用串行@9600 波特

  gen.Begin(); // 这必须是声明 AD9833 对象后的第一个命令

  pinMode（CLK_PIN，输入）；// 将引脚设置为输入

  pinMode（DATA_PIN，输入）；

  pinMode（BTN_PIN，INPUT_PULLUP）；

  clockPinState = digitalRead(CLK_PIN);

  pinMode(SET_FREQUENCY_HZ, INPUT);// 将引脚设置为输入

  pinMode（SET_FREQUENCY_KHZ，输入）；

  pinMode（SET_FREQUENCY_MHZ，输入）；

  pinMode（ENABLE_DISABLE_OUTPUT_PIN，输入）；

  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { // 地址 0x3D 为 128x64

    Serial.println(F("SSD1306 分配失败"));

    为了 （;;）;

  }

  display.clearDisplay(); //清屏

  display.setTextSize(2); // 设置文本大小

  display.setTextColor（白色）；//设置液晶颜色

  display.setCursor(30, 0); // 设置光标位置

  display.println("AD9833"); // 打印这个文本

  display.setCursor(17, 20); // 设置光标位置

  display.println("函数"); // 打印这个文本

  display.setCursor(13, 40); // 设置光标位置

  display.println("生成器"); // 打印这个文本

  显示.显示（）；// 更新显示

  延迟（2000）；// 延迟 2 秒

  更新显示（）；// 调用 update_display 函数

}

接下来，我们有我们的loop()函数，所有主要功能都写在循环部分。

首先，我们读取旋转编码器的时钟引脚并将其存储在我们之前声明的 clockPin 变量中。接下来，在if语句中，我们检查 pin 的先前值和 pin 的当前值是否相似，我们还检查 pin 的当前值。如果全部为真，我们检查数据引脚，如果为真，则表示编码器逆时针旋转，我们在counter--命令的帮助下减少计数器值。否则，我们使用counter ++命令增加计数器值。最后，我们用另一个if语句将最小值设置为 1。接下来，我们用当前的clockPin更新clockPinState未来使用的价值。

无效循环（）

{

  clockPin = digitalRead(CLK_PIN);

  if (clockPin != clockPinState && clockPin == 1) {

    if (digitalRead(DATA_PIN) != clockPin) {

      柜台  - ;

    }

    别的 {

      counter ++;// 编码器顺时针旋转，因此递增

    }

    如果 (计数器 < 1 ) 计数器 = 1;

    Serial.println(计数器);

    更新显示（）；

  }

接下来，我们有我们的代码来检测按钮按下。在本节中，我们借助一些嵌套的 if 语句来检测编码器内部的按钮，if (digitalRead(BTN_PIN) == LOW && millis() - time > denounce)， 在此语句中，我们首先检查按钮是否引脚是否为低电平，如果它为低电平，则它被按下。然后我们再次检查带有去抖动延迟的计时器值，如果两个语句都为真，那么我们声明它是一个成功的按钮按下动作，如果这样我们增加encoder_btn_count值。接下来，我们声明另一个 if 语句将最大计数器值 设置为 2，我们需要它，因为我们正在使用它来设置输出波形。连续三个 if 语句就是这样做的，如果值为 0，则选择正弦波，如果为 1，则为方波，如果值为 2，则为三角波。在所有这三个 if 语句中，我们使用 update_display() 函数更新显示。 最后，我们用当前的计时器计数器值更新时间变量。

//如果我们检测到一个LOW信号，按钮被按下

  if ( digitalRead(BTN_PIN) == LOW && millis() - time > debounce) {

    编码器_btn_count++；// 增加值

    if (encoder_btn_count > 2) // 如果值大于 2 将其重置为 0

    {

      编码器_btn_count = 0;

    }

    if (encoder_btn_count == 0) { // 如果值为 0 则选择正弦波

      波选择=“罪”；// 用 sin 值更新字符串变量

      更新显示（）；// 更新显示

    }

    if (encoder_btn_count == 1) { // 如果值为 1 则选择方波

      波选择 = "SQR"; // 用 SQR 值更新字符串变量

      更新显示（）；// 更新显示

    }

    if (encoder_btn_count == 2) { // 如果值为 1 则选择三角波

      波选择=“三”；// 用 TRI 值更新字符串变量

      update_display();// 更新显示

    }

    时间=毫秒（）；// 更新时间变量

  }

接下来，我们定义所有必要的代码，这些代码需要设置所有具有去抖动延迟的按钮。由于按钮连接到 Arduino 的模拟引脚，我们使用模拟读取命令来识别按钮按下，如果模拟读取值低于 30，则我们检测其成功按下按钮，我们等待 200 毫秒检查它是实际的按钮按下还是仅是噪音。 如果此陈述为真，我们为布尔变量分配用于设置函数发生器的 Hz、Khz 和 Mhz 值的值。接下来，我们更新显示并更新时间变量。我们为与 Arduino 连接的所有四个按钮执行此操作。

  if (analogRead(SET_FREQUENCY_HZ) < 30 && millis() - time > debounce) {   

    set_frequency_hz = 1; //更新布尔值

    设置频率khz = 0；

    set_frequency_mhz = 0;

    update_display();// 更新显示

    time = millis();// 更新时间变量

  }

  if (analogRead(SET_FREQUENCY_KHZ) < 30 && millis() - time > debounce){

    set_frequency_hz = 0; //更新布尔值

    set_frequency_khz = 1;

    set_frequency_mhz = 0;

    模块频率 = 计数器 * 1000；

    update_display();// 更新显示

    time = millis();// 更新时间变量

  }

  if (analogRead(SET_FREQUENCY_MHZ) < 30 && millis() - time > debounce ) { // 使用去抖延迟检查模拟引脚

    set_frequency_hz = 0; //更新布尔值

    设置频率khz = 0；

    set_frequency_mhz = 1;

    模块频率 = 计数器 * 1000000；

    update_display();// 更新显示

    time = millis();// 更新时间变量

  }

  if (analogRead(ENABLE_DISABLE_OUTPUT_PIN) < 30 && millis() - time > debounce ) {// 使用去抖延迟检查模拟引脚

    btn_state = ! btn_state; // 反转按钮状态

    gen.EnableOutput(btn_state); // 根据按钮状态启用/禁用函数发生器的输出

    update_display();// 更新显示

    time = millis();// 更新时间变量

  }

}

最后，我们有了update_display()函数。在此功能中，我们所做的不仅仅是更新此显示器，因为显示器的某些部分无法在 OLED 中更新。要更新它，您必须使用新值重新绘制它。这使得编码过程变得更加困难。

在这个函数中，我们从清除显示开始。接下来，我们设置所需的文本大小。此后，我们设置光标并使用display.println("Function Function"); 打印函数生成器；命令。在display.setCursor(0, 20) 函数  的帮助下， 我们再次将文本大小设置为 2，将光标设置为 (0,20 ) 。

这是我们打印波浪信息的地方。

display.clearDisplay(); // 首先清除显示

  display.setTextSize(1); //设置文字大小

  display.setCursor(10, 0); // 设置光标位置

  display.println("函数生成器"); //打印文本

  display.setTextSize(2);//设置文字大小

  display.setCursor(0, 20);//设置光标位置

接下来，我们检查布尔变量以获取频率详细信息并更新moduleFrequency变量中的值。我们对 Hz、kHz 和 MHz 值执行此操作。接下来，我们检查waveSelect变量并确定选择了哪个波。现在，我们有了设置波形类型和频率的值。

if (set_frequency_hz == 1 && set_frequency_khz == 0 && set_frequency_mhz == 0 ) { // 检查设置频率的按钮是否被按下

    模块频率 = 计数器；//用当前计数器值更新moduleFrequency变量

  }

  if (set_frequency_hz == 0 && set_frequency_khz == 1 && set_frequency_mhz == 0 ) { // 检查是否按下了设置 KHz 频率的按钮

    moduleFrequency = counter * 1000;//用当前计数器值更新 moduleFrequency 变量，但我们乘以 1000 将其设置为 KHZ

  }

  if (set_frequency_hz == 0 && set_frequency_khz == 0 && set_frequency_mhz == 1) { // 检查是否按下了以MHz为单位的频率设置按钮

    模块频率 = 计数器 * 1000000；

    如果（模块频率> 12000000）

    {

      模块频率 = 12000000；// 不要让频率超过 12Mhz

      计数器 = 12；

    }

  }

  if (waveSelect == "SIN") { // 正弦波被选中

    display.println("SIN");

    gen.ApplySignal(SINE_WAVE, REG0, moduleFrequency);