Generador de funciones portátil en Arduino: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

El generador de funciones es una herramienta muy útil, especialmente cuando estamos considerando probar la respuesta de nuestro circuito a una determinada señal. En este instructivo, describiré la secuencia de construcción de un generador de funciones portátil, pequeño y fácil de usar.

Características del proyecto:

• Control totalmente digital: no se necesitan componentes analógicos pasivos.
• Diseño modular: cada subcircuito es un módulo predefinido y fácil de usar.
• Frecuencia de salida: rango disponible de 0 Hz a 10 MHz.
• Control simple: codificador rotatorio único con botón pulsador incorporado.
• Batería de iones de litio para uso portátil, con capacidad de carga externa.
• Acoplamiento de CA y CC para forma de onda de salida.
• Control de brillo de la pantalla LCD para reducir el consumo de energía.
• Indicador de carga de la batería.
• Control de amplitud digital.
• Tres formas de onda disponibles: sinusoidal, triangular y cuadrada.

Paso 1: la idea

Hay muchos circuitos que requieren algún equipo de prueba para obtener información sobre la respuesta del circuito a una determinada forma de onda. Este proyecto está basado en Arduino (Arduino Nano en este caso), con una batería de iones de litio de 3,7 V como fuente de alimentación, lo que hace que el dispositivo sea portátil. Se sabe que la placa Arduino Nano requiere 5 V como fuente de alimentación, por lo que el diseño electrónico contiene un convertidor elevador CC-CC que convierte el voltaje de la batería de 3,7 V en los 5 V necesarios para encender el Arduino. Por lo tanto, este proyecto es fácil de construir, completamente modular, con un diagrama esquemático relativamente simple.

Alimentación de la placa: el dispositivo tiene un único conector mini-USB que recibe 5 V de la fuente de alimentación externa, que puede ser una PC o un cargador USB externo. El circuito está diseñado de manera que cuando se conecta la fuente de 5 V CC, la batería de iones de litio se carga mediante el módulo cargador TP4056 que está conectado al circuito de la fuente de alimentación (el tema se ampliará más en los siguientes pasos).

AD9833: el circuito generador de funciones integrado es una parte central del diseño, controlado a través de la interfaz SPI con capacidad para generar ondas cuadradas / sinusoidales / triangulares con opción de modulación de frecuencia. Dado que el AD9833 no tiene capacidad para cambiar la amplitud de la señal de salida, he usado un potenciómetro digital de 8 bits como divisor de voltaje en el punto final de salida del dispositivo (se describirá en pasos posteriores).

Pantalla: es la pantalla LCD básica de 16x2, que probablemente sea la pantalla de cristal líquido más popular entre los usuarios de Arduino. Para reducir el consumo de energía, existe una opción para ajustar la luz de fondo de la pantalla LCD a través de la señal PWM del pin "analógico" predefinido de Arduino.

Después de esta breve introducción, podemos continuar con el proceso de construcción.

Paso 2: Partes e instrumentos

1: piezas electrónicas:

1.1: Módulos integrados:

• Placa Arduino Nano
• 1602A - Pantalla de cristal líquido genérica
• CJMCU - Módulo generador de funciones AD9833
• TP4056 - Módulo cargador de batería de iones de litio
• Módulo convertidor elevador DC-DC: convertidor de 1.5V-3V a 5V

1.2: Circuitos integrados:

• SRD = 05VDC - relé SPDT de 5V
• X9C104P - Potenciómetro digital de 8 bits y 100KOhmios
• EC11 - Codificador rotatorio con interruptor SPST
• 2 x 2N2222A - BJT de propósito general NPN

1.3: Partes pasivas y no clasificadas:

• 2 condensadores de cerámica de 0,1 uF
• 2 x 100uF - Condensadores electrolíticos
• 2 x 10uF - Condensadores electrolíticos
• 3 resistencias de 10KOhmios
• 2 resistencias de 1.3KOhmios
• 1 x diodo rectificador 1N4007
• 1 x interruptor de palanca SPDT

1.4: Conectores:

• 3 conectores de paso JST de 2,54 mm de 4 pines
• 3 conectores de paso JST de 2,54 mm de 2 pines
• 1 x conector de receptáculo RCA

2: Piezas mecánicas:

• Caja de plástico de 1 x 12,5 cm x 8 cm x 3,2 cm
• 6 x tornillos de tracción KA-2mm
• 4 tornillos de perforación KA-8 mm
• 1 x mando codificador (tapa)
• 1 tablero prototipo de 8 cm x 5 cm

3. Instrumentos y software:

• Estación de soldadura / plancha
• Destornillador eléctrico
• Limas de pulido de numerosos tamaños
• Cuchillo afilado
• Brocas
• Puntas de destornillador
• Pistola de silicona
• Cable mini-USB
• IDE de Arduino
• Calibrador / regla

Paso 3: Explicación de los esquemas

Para facilitar la comprensión del diagrama esquemático, la descripción se divide en subcircuitos, mientras que cada subcircuito tiene la responsabilidad de cada bloque de diseño:

1. Circuito Nano Arduino:

El módulo Arduino Nano actúa como un "Cerebro principal" para nuestro dispositivo. Controla todos los módulos periféricos del dispositivo, tanto en modo de funcionamiento digital como analógico. Dado que este módulo tiene su propio conector de entrada mini-USB, se utilizará tanto como entrada de fuente de alimentación como entrada de interfaz de programación. Por eso, J1: el conector mini-USB se separa del símbolo esquemático de Arduino Nano (U4).

Hay una opción para usar pines analógicos dedicados (A0.. A5) como E / S de propósito general, por lo que algunos de los pines se usan como salida digital, comunicándose con LCD y selección de acoplamiento AC / DC de la salida del dispositivo. Los pines analógicos A6 y A7 son pines de entrada analógica dedicados y solo se pueden usar como entradas ADC, debido al paquete del microcontrolador Arduino Nano ATMEGA328P TQFP, como se definió en la hoja de datos. Observe que la línea de voltaje de la batería VBAT está conectada al pin de entrada analógica A7, porque necesitamos obtener su valor para determinar el estado de batería baja del voltaje de la batería de iones de litio.

2. Fuente de alimentación:

El circuito de la fuente de alimentación se basa en alimentar todo el dispositivo a través de una batería de iones de litio de 3,7 V convertida a 5 V. SW1 es un interruptor de palanca SPST que controla el flujo de energía en todo el circuito. Como se puede ver en los esquemas, cuando la fuente de alimentación externa se conecta a través del conector micro-USB del módulo Arduino Nano, la batería se carga a través del módulo TP4056. Asegúrese de que haya condensadores de derivación de varios valores en el circuito, ya que hay un ruido de conmutación del convertidor elevador CC-CC en tierra y potenciales de 5 V de todo el circuito.

3. AD9833 y salida:

Este subcircuito proporciona la forma de onda de salida adecuada, definida por el módulo AD9833 (U1). Dado que solo hay una fuente de alimentación única en el dispositivo (5 V), es necesario conectar el circuito de selección de acoplamiento a la cascada de salida. El condensador C1 está conectado en serie a la etapa de selección de amplitud y se puede silenciar a través de la corriente de excitación en el inductor del relé, lo que hace que la señal de salida se rastree directamente a la etapa de salida. C1 tiene un valor de 10uF, es suficiente para que la forma de onda, incluso de bajas frecuencias, pase a través del condensador sin distorsionarse, solo afectada por la eliminación de CC. Q1 se utiliza como un simple interruptor BJT que se utiliza para impulsar la corriente a través del inductor del relé. Asegúrese de que el diodo esté conectado en una asignación inversa al inductor del relé, para evitar picos de voltaje que pueden dañar los circuitos del dispositivo.

Por último, pero no menos importante, la etapa es una selección de amplitud. U6 es un CI de potenciómetro digital de 8 bits, que actúa como divisor de voltaje para una forma de onda de salida determinada. X9C104P es un potenciómetro digital de 100KOhm con un ajuste de la posición del limpiador muy simple: entradas digitales de 3 pines para ajustar la posición del limpiador de incremento / decremento.

4. LCD:

La pantalla de cristal líquido de 16x2 es una interfaz gráfica entre el usuario y los circuitos del dispositivo. Para reducir el consumo de energía, el pin del cátodo de la retroiluminación de la pantalla LCD está conectado a Q2 BJT conectado como interruptor, controlado por la señal PWM impulsada por la capacidad de escritura analógica de Arduino (se describirá en el paso del código Arduino).

5. Codificador:

El circuito del codificador es una interfaz de control que define el funcionamiento de todo el dispositivo. U9 consta de un codificador y un interruptor SPST, por lo que no es necesario agregar botones adicionales al proyecto. Las clavijas del codificador y del interruptor deben levantarse mediante resistencias externas de 10KOhm, pero también se puede definir mediante código. Se recomienda agregar condensadores de 0.1uF en paralelo a los pines A y B del codificador para evitar rebotar en estas líneas de entrada.

6. Conectores JST:

Todas las partes externas del dispositivo están conectadas a través de conectores JST, lo que hace que sea mucho más conveniente ensamblar el dispositivo, con la característica adicional de reducir el lugar para errores durante el proceso de construcción. El mapeo de los conectores se realiza de esta manera:

• J3, J4: LCD
• J5: codificador
• J6: batería
• J7: interruptor de palanca SPST
• J8: conector de salida RCA

Paso 4: soldadura

Debido al diseño modular de este proyecto, el paso de soldadura se vuelve simple:

A. Soldadura de la placa principal:

1. En primer lugar, es necesario recortar la placa prototipo al tamaño de las dimensiones deseadas del recinto.

2. Soldar el módulo Arduino Nano y probar su funcionamiento inicial.

3. Soldar el circuito de alimentación y verificar que todos los valores de voltaje cumplan con los requisitos del dispositivo.

4. Módulo de soldadura AD9833 con todos los circuitos periféricos.

5. Soldar todos los conectores JST.

B. Componentes externos:

1. Soldar los cables del conector macho JST a las clavijas de la pantalla LCD en el orden EXACTO que se planeó en la placa principal.

2. Soldar los cables del conector macho JST al codificador de manera similar al paso anterior

3. Soldar el interruptor de palanca a los cables JST.

4. Soldadura de cables JST a la batería (si es necesario. Algunas de las baterías de iones de litio disponibles en eBay están pre-soldadas con su propio conector JST).

Paso 5: caja y ensamblaje

Una vez realizada toda la soldadura, podemos proceder a la secuencia de montaje del dispositivo:

1. Piense en la ubicación de las piezas externas del dispositivo: en mi caso, preferí colocar el codificador debajo de la pantalla LCD, cuando el interruptor de palanca y el conector RCA se colocan en lados separados de la caja del gabinete.

2. Preparación del marco de la pantalla LCD: decida dónde se ubicará la pantalla LCD en el dispositivo, asegúrese de que se colocará en la dirección correcta, me pasó varias veces que después de terminar todo el proceso de corte, la pantalla LCD se invirtió verticalmente, hablando de eso. es triste, porque es necesario reorganizar el marco de la pantalla LCD.

Después de seleccionar el marco, taladre varios agujeros en el perímetro de todo el marco. Retire todos los cortes de plástico no deseados con una lima de pulir.

Inserte la pantalla LCD desde el interior y ubique los puntos de los tornillos en la carcasa. Taladre agujeros con brocas de diámetro apropiado. Inserte los tornillos tirados y apriete las tuercas en el lado interior del panel frontal.

3. Codificador: tiene una sola pieza giratoria en el paquete. Taladre el área de acuerdo con el diámetro del accesorio giratorio del codificador. Insértelo desde el interior, fíjelo con una pistola de pegamento caliente. Coloque una tapa en el accesorio giratorio.

4. Interruptor de palanca: decida las dimensiones de la oscilación del interruptor de palanca, de modo que se pueda tirar hacia abajo o hacia arriba libremente. Si tiene puntos de tornillo en el interruptor de palanca, taladre las áreas apropiadas en el gabinete. De lo contrario, puede sujetarlo con una pistola de pegamento caliente.

5. Conector de salida RCA: Perfore un orificio de diámetro apropiado para el conector de salida RCA en el lado inferior del gabinete. Fíjelo con la pistola de pegamento caliente.

6. Placa principal y batería: coloque la batería de iones de litio en la parte inferior del gabinete. La batería se puede sujetar con una pistola de pegamento caliente. La placa principal debe perforarse en cuatro lugares para 4 tornillos en cada esquina de la placa principal. Asegúrese de que la entrada mini-USB Arduino esté lo más cerca posible del límite del gabinete (tendremos que usarla para fines de carga y programación).

7. Mini-USB: corte el área deseada para Arduino Nano micro-USB con un archivo de molienda, lo que permite conectar una fuente de alimentación externa / PC al dispositivo cuando esté completamente ensamblado.

8. Final: Conecte todos los conectores JST, fije ambas partes del gabinete con cuatro tornillos de 8 mm en cada esquina del gabinete.

Paso 6: el código Arduino

El código adjunto es el código completo del dispositivo que se necesita para el funcionamiento completo del dispositivo. Toda la explicación necesaria se adjunta en las secciones de comentarios dentro del código.

Paso 7: Prueba final

Tenemos nuestro dispositivo listo para ser utilizado. El conector mini-USB actúa como entrada del programador y entrada del cargador externo, por lo que el dispositivo se puede programar cuando está completamente ensamblado.

Espero que encuentres útil este instructivo, ¡Gracias por leer!;)