244 lines
13 KiB
Arduino
244 lines
13 KiB
Arduino
|
/*
|
|||
|
|
* DDS-генератор сигналов для лабораторных работ
|
|||
|
|
* Платформа: RP2040 (Raspberry Pi Pico, Arduino core — earlephilhower)
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* ЧЕРНОВИК (AI-сгенерировано, 2026-10-26). Требует проверки преподавателем
|
|||
|
|
* на реальном стенде: номиналы RC-фильтра, диапазоны частот, точность ADC.
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* Возможности:
|
|||
|
|
* - прямоугольник : аппаратный ШИМ, точная частота, независимая скважность;
|
|||
|
|
* - синус : таблица 256 точек + аккумулятор фазы (DDS) в таймерном
|
|||
|
|
* ISR -> ШИМ (несущая = SAMPLE_HZ = 62,5 кГц) -> внешний
|
|||
|
|
* ФНЧ (схема ниже); амплитуда — командой M;
|
|||
|
|
* - свип : логарифмический (f0..f1, N точек) с синхроимпульсом
|
|||
|
|
* на отдельном пине — для осциллографа/хост-скрипта;
|
|||
|
|
* - измерение : ADC0 (размах за окно) — амплитуда на выходе
|
|||
|
|
* исследуемой цепи (DUT) для автоматической АЧХ.
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* ─── СХЕМА СИНУСА (обязательна: ШИМ даёт меандр, а не синус) ───
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* GP15 ──[R1]──┬──[R2]──┬──────► OUT (вход DUT)
|
|||
|
|
* │ │
|
|||
|
|
* [C1] [C2]
|
|||
|
|
* │ │
|
|||
|
|
* GND GND
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* Пассивный ФНЧ 2-го порядка. При несущей 62,5 кГц:
|
|||
|
|
* R1 = R2 = 1 кОм, C1 = C2 = 47 нФ -> f_c ≈ 3,4 кГц
|
|||
|
|
* подавление несущей ≈ (62,5/3,4)^2 ≈ 50 дБ -> пульсации ~10 мВ
|
|||
|
|
* Номиналы для другой несущей: f_c и постоянную RC смотреть в README.
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* ВНИМАНИЕ (важно): выходное сопротивление фильтра ~1 кОм. Вход
|
|||
|
|
* интегратора — R1 = 10 кОм, получается делитель 10/11 (просадка ~9 %).
|
|||
|
|
* Если это критично — поставить буфер-повторитель на ОУ (Sallen-Key):
|
|||
|
|
* тот же фильтр 2-го порядка + низкое выходное сопротивление.
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* Постоянная составляющая: при скважности 50 % среднее = 1,65 В, синус
|
|||
|
|
* смещён на Uпит/2. Где смещение недопустимо — разделительный C = 1 мкФ
|
|||
|
|
* последовательно + R = 47 кОм на землю (ФВЧ ≈ 3,4 Гц), либо уменьшить
|
|||
|
|
* амплитуду командой M.
|
|||
|
|
*
|
|||
|
|
* Протокол команд (Serial, 115200, строка + \n):
|
|||
|
|
* F <Гц> — установить частоту (1..500000)
|
|||
|
|
* W Q | W S — режим: Q — прямоугольник, S — синус
|
|||
|
|
* D <0..255> — скважность прямоугольника (128 = 50 %)
|
|||
|
|
* M <0..127> — амплитуда синуса (127 = максимум)
|
|||
|
|
* A — однократно измерить амплитуду на ADC0
|
|||
|
|
* -> ответ "A <мВ размах>"
|
|||
|
|
* SWEEP <f0> <f1> <n> <dwell_ms>
|
|||
|
|
* — логарифмический свип; на каждой точке выдаёт
|
|||
|
|
* "P <Гц> <мВ>" и импульс синхро на PIN_TRIG
|
|||
|
|
* STOP — прервать свип
|
|||
|
|
*/
|
|||
|
|
|
|||
|
|
#include <Arduino.h>
|
|||
|
|
#include <math.h>
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────────────── пины ───────────────────────────
|
|||
|
|
#define PIN_OUT 15 // выход сигнала (прямоугольник — прямо; синус — через RC)
|
|||
|
|
#define PIN_TRIG 14 // синхроимпульс (для осциллографа)
|
|||
|
|
#define PIN_ADC 26 // ADC0 = A0 — вход измерения (выход DUT через делитель!)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────────── параметры DDS ──────────────────────
|
|||
|
|
// ВАЖНО: несущая ШИМ и частота обновления выборок должны СОВПАДАТЬ.
|
|||
|
|
// Значение скважности применяется один раз за период ШИМ; если обновлять
|
|||
|
|
// выборки с другой частотой, появляется джиттер и биения на выходе фильтра.
|
|||
|
|
// При 16 мкс период ISR занимает ~3 % CPU RP2040; при перегрузке —
|
|||
|
|
// снизить до 31250 (тогда f_c фильтра пересчитать вниз пропорционально).
|
|||
|
|
#define CARRIER_HZ 62500UL // несущая ШИМ для синуса (= частота выборок)
|
|||
|
|
#define SAMPLE_HZ 62500UL // частота обновления выборок синуса
|
|||
|
|
#define PWM_RANGE 255 // 8-бит (для синуса); прямоугольнику хватает
|
|||
|
|
#define AMP_MAX 127 // максимальная амплитуда выборки (единиц duty)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ───────────────────────── состояние ────────────────────────
|
|||
|
|
enum WaveMode : uint8_t { MODE_SQUARE = 0, MODE_SINE = 1 };
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static volatile uint32_t g_freq = 1000; // текущая частота, Гц
|
|||
|
|
static volatile uint8_t g_duty = 128; // 0..255 (прямоугольник)
|
|||
|
|
static volatile uint8_t g_amp = AMP_MAX;// амплитуда синуса, 0..AMP_MAX
|
|||
|
|
static volatile WaveMode g_mode = MODE_SQUARE;
|
|||
|
|
static volatile uint32_t g_phase = 0; // аккумулятор фазы (32 бит)
|
|||
|
|
static volatile bool g_sweep = false; // флаг активного свипа
|
|||
|
|
static int8_t g_lut[256]; // sin: -127..127
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────────── таблица синуса ─────────────────────
|
|||
|
|
static void buildLut() {
|
|||
|
|
for (int i = 0; i < 256; ++i) {
|
|||
|
|
g_lut[i] = (int8_t)lroundf(127.0f * sinf(2.0f * (float)M_PI * i / 256.0f));
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ───────────── ISR: обновление ШИМ для синуса (DDS) ─────────
|
|||
|
|
static bool onSample(repeating_timer_t *) {
|
|||
|
|
if (g_mode == MODE_SINE) {
|
|||
|
|
// шаг фазы = f * 2^32 / Fs (64-бит, чтобы не переполнить)
|
|||
|
|
uint32_t step =
|
|||
|
|
(uint32_t)((uint64_t)g_freq * (1ULL << 32) / SAMPLE_HZ);
|
|||
|
|
g_phase += step;
|
|||
|
|
uint8_t idx = (uint8_t)(g_phase >> 24);
|
|||
|
|
// центрируем на 128 и масштабируем амплитудой (g_amp 0..127)
|
|||
|
|
int32_t s = ((int32_t)g_lut[idx] * g_amp) / 127;
|
|||
|
|
analogWrite(PIN_OUT, (uint8_t)(128 + s));
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return true;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static repeating_timer_t g_timer;
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────── применить режим/частоту ────────────────
|
|||
|
|
static void applySquare() {
|
|||
|
|
analogWriteFreq(g_freq);
|
|||
|
|
analogWriteRange(PWM_RANGE);
|
|||
|
|
// после analogWriteFreq/analogWriteRange текущее значение сбрасывается:
|
|||
|
|
analogWrite(PIN_OUT, g_duty);
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static void applySine() {
|
|||
|
|
// частота ШИМ = SAMPLE_HZ (совпадает с ISR), размах — 8 бит
|
|||
|
|
analogWriteFreq(CARRIER_HZ);
|
|||
|
|
analogWriteRange(PWM_RANGE);
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static void setFrequency(uint32_t hz) {
|
|||
|
|
if (hz < 1) hz = 1;
|
|||
|
|
if (hz > 500000) hz = 500000;
|
|||
|
|
g_freq = hz;
|
|||
|
|
if (g_mode == MODE_SQUARE) applySquare();
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static void setMode(WaveMode m) {
|
|||
|
|
g_mode = m;
|
|||
|
|
if (m == MODE_SQUARE) applySquare();
|
|||
|
|
else applySine();
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────── измерение амплитуды (ADC) ──────────────
|
|||
|
|
// Возвращает размах (пик-пик) в милливольтах за окно window_ms.
|
|||
|
|
// TODO (студенту): заменить окно по времени на окно по числу периодов
|
|||
|
|
// измеряемой частоты, чтобы размах считался по целому числу периодов.
|
|||
|
|
static uint32_t measureAmplitudeMv(uint32_t window_ms = 50) {
|
|||
|
|
uint16_t vmin = 4095, vmax = 0;
|
|||
|
|
uint32_t t0 = millis();
|
|||
|
|
while ((millis() - t0) < window_ms) {
|
|||
|
|
uint16_t v = analogRead(PIN_ADC);
|
|||
|
|
if (v < vmin) vmin = v;
|
|||
|
|
if (v > vmax) vmax = v;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
// ADC 12 бит, Vref = 3,3 В
|
|||
|
|
return (uint32_t)((uint32_t)(vmax - vmin) * 3300UL / 4095UL);
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ───────────────────────── свип ─────────────────────────────
|
|||
|
|
static void triggerPulse() {
|
|||
|
|
digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH);
|
|||
|
|
delayMicroseconds(50);
|
|||
|
|
digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
static void runSweep(float f0, float f1, int n, uint32_t dwell_ms) {
|
|||
|
|
if (n < 2) n = 2;
|
|||
|
|
if (f0 < 1) f0 = 1;
|
|||
|
|
if (f1 <= f0) f1 = f0 * 10.0f;
|
|||
|
|
g_sweep = true;
|
|||
|
|
|
|||
|
|
const float ratio = powf(f1 / f0, 1.0f / (float)(n - 1));
|
|||
|
|
float f = f0;
|
|||
|
|
for (int i = 0; i < n && g_sweep; ++i) {
|
|||
|
|
setFrequency((uint32_t)lroundf(f));
|
|||
|
|
triggerPulse(); // метка точки для осциллографа
|
|||
|
|
delay(dwell_ms); // дать DUT/фильтру устояться
|
|||
|
|
uint32_t mv = measureAmplitudeMv();
|
|||
|
|
Serial.print("P "); // точка АЧХ: частота + размах
|
|||
|
|
Serial.print((uint32_t)lroundf(f));
|
|||
|
|
Serial.print(' ');
|
|||
|
|
Serial.println(mv);
|
|||
|
|
f *= ratio;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
Serial.println("DONE");
|
|||
|
|
setFrequency((uint32_t)f0); // вернуться к началу
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ─────────────────────── разбор команд ──────────────────────
|
|||
|
|
static void handleLine(char *line) {
|
|||
|
|
char *cmd = strtok(line, " \t");
|
|||
|
|
if (!cmd) return;
|
|||
|
|
|
|||
|
|
if (!strcasecmp(cmd, "F")) {
|
|||
|
|
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
if (a) setFrequency((uint32_t)strtoul(a, nullptr, 10));
|
|||
|
|
Serial.print("OK F "); Serial.println(g_freq);
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "W")) {
|
|||
|
|
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
if (a) setMode((!strcasecmp(a, "S")) ? MODE_SINE : MODE_SQUARE);
|
|||
|
|
Serial.print("OK W "); Serial.println(g_mode == MODE_SINE ? "S" : "Q");
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "D")) {
|
|||
|
|
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
if (a) { g_duty = (uint8_t)constrain(atoi(a), 0, 255); applySquare(); }
|
|||
|
|
Serial.print("OK D "); Serial.println(g_duty);
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "M")) {
|
|||
|
|
char *a = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
if (a) g_amp = (uint8_t)constrain(atoi(a), 0, AMP_MAX);
|
|||
|
|
Serial.print("OK M "); Serial.println(g_amp);
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "A")) {
|
|||
|
|
Serial.print("A "); Serial.println(measureAmplitudeMv());
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "SWEEP")) {
|
|||
|
|
char *a0 = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
char *a1 = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
char *a2 = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
char *a3 = strtok(nullptr, " \t");
|
|||
|
|
if (a0 && a1 && a2 && a3) {
|
|||
|
|
runSweep(atof(a0), atof(a1), atoi(a2), strtoul(a3, nullptr, 10));
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
} else if (!strcasecmp(cmd, "STOP")) {
|
|||
|
|
g_sweep = false;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
// ────────────────────────── setup/loop ──────────────────────
|
|||
|
|
void setup() {
|
|||
|
|
Serial.begin(115200);
|
|||
|
|
buildLut();
|
|||
|
|
pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT);
|
|||
|
|
digitalWrite(PIN_TRIG, LOW);
|
|||
|
|
analogReadResolution(12); // ADC0 — 12 бит
|
|||
|
|
add_repeating_timer_us(-(1000000L / SAMPLE_HZ), onSample, nullptr, &g_timer);
|
|||
|
|
setMode(MODE_SQUARE);
|
|||
|
|
setFrequency(1000);
|
|||
|
|
Serial.println("# DDS generator ready (RP2040). help: F/W/D/A/SWEEP/STOP");
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
void loop() {
|
|||
|
|
static char buf[96];
|
|||
|
|
static size_t len = 0;
|
|||
|
|
while (Serial.available()) {
|
|||
|
|
char c = (char)Serial.read();
|
|||
|
|
if (c == '\n' || c == '\r') {
|
|||
|
|
buf[len] = '\0';
|
|||
|
|
if (len) handleLine(buf);
|
|||
|
|
len = 0;
|
|||
|
|
} else if (len < sizeof(buf) - 1) {
|
|||
|
|
buf[len++] = c;
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
}
|