内容介绍

1. 项目介绍

1.1 项目背景与目标

本项目利用RP2350B核心板结合DAC，设计并实现一个简易的DDS信号发生器。有以下几个功能

能够产生正弦波、三角波、方波和直流信号
可以通过拨码开关切换波形
通过电位计调节信号幅度
将当前波形显示在OLED屏幕上

2. 硬件介绍

RP2350B核心板

RP2350B核心板是本项目的核心组件，它基于Raspberry Pi Pico芯片，具有强大的处理能力和丰富的外设接口。该核心板搭载双核ARM Cortex-M0+处理器，主频高达133MHz。它支持多种编程语言，如C/C++和MicroPython，本次我使用的是circuitpython

DAC模块

底板中的DAC使用的是电阻完成的，共10·bit，一个n位的R2R电阻网络DAC需要n-1个R电阻和n+1个2R电阻，电路十分简单，最后通过一个电压跟随器连接到主控

电位器

可调电阻的中间引脚连接到了ADS7868，主控通过SPI和它通讯。需要注意这个芯片采集是8bit，DAC输出是10bit，所以进行回环测试的时候精度会不够

OLED显示屏

OLED显示屏用于实时显示信号的波形类型，是128×32像素的，通过SPI和主控相连接

3. 方案框图与设计思路

方案框图

本项目采用模块化设计思路，整体方案框图如下：

核心控制模块：RP2350B核心板作为整个系统的控制中心，负责接收用户通过拨码开关和电位计输入的指令，处理信号生成逻辑，并控制其他模块协同工作。
波形生成模块：核心板根据用户选择的波形类型，通过内部算法生成相应的数字波形数据序列，并通过SPI接口将这些数据发送到DAC模块进行数模转换，从而输出所需的模拟波形信号。
幅度调节模块：电位计将用户调节的模拟信号转换为核心板可读取的电压值，核心板根据该电压值计算出对应的幅度比例因子，对波形生成模块输出的数字波形数据进行缩放处理，再送至DAC模块，实现信号幅度的可调。
频率调节模块：核心板内部通过定时器或计数器等机制，控制波形数据的更新速率，从而实现信号频率的调节。用户通过拨码开关或软件界面输入目标频率值，核心板将其转换为相应的定时器参数，精确控制波形的周期和频率。
显示模块：OLED显示屏通过I2C接口与核心板连接，核心板实时将当前波形类型、幅度和频率等参数以文本或图形的形式发送到显示屏上，为用户提供直观的操作反馈和信号状态信息。

4.软件流程图

4.2 关键代码分析

波形生成算法

# 设置R2R的DAC引脚
pin_numbers = [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37]
pins = [digitalio.DigitalInOut(getattr(board, f"GP{i}")) for i in pin_numbers]
for pin in pins:
    pin.direction = digitalio.Direction.OUTPUT

def set_output(value):
    """value 范围是 0 ~ 1023（10 位）"""
    for i in range(10):
        pins[i].value = bool((value >> i) & 0x01)  
        # print(f"Pin {i}: {pins[i].value}")

波形生成代码

def generate_sine_wave(freq, sample_rate, amplitude=1023):
    num_samples = int(sample_rate / freq)
    wave = []
    for i in range(num_samples):
        val = int(amplitude * (math.sin(2 * math.pi * i / num_samples) + 1) / 2)
        wave.append(val)
    #print("Sine Wave Data (first 20):", wave[:20])  
    return wave

def generate_triangle_wave(freq, sample_rate, amplitude=1023):
    num_samples = int(sample_rate / freq)
    wave = []
    for i in range(num_samples):
        t = i / num_samples
        val = abs(2 * (t - math.floor(t + 0.5))) * amplitude
        wave.append(int(val))
    return wave

def generate_square_wave(freq, sample_rate, amplitude=1023):
    num_samples = int(sample_rate / freq)
    half = num_samples // 2
    wave = [amplitude] * half + [0] * (num_samples - half)
    if len(wave) != num_samples:
        wave = wave[:num_samples]
    return wave

def generate_dc_level(level=512, length=10):
    return [level] * length

5.1 实物功能

波形切换：通过拨码开关切换波形，OLED屏幕实时显示波形类型。图中展示了正弦波、三角波、方波和直流信号的切换效果，波形切换迅速且稳定，屏幕显示清晰。
幅度调节：通过电位计调节信号幅度，OLED屏幕实时显示幅度值。图中展示了从0Vpp到3Vpp的幅度调节过程，幅度变化平滑，屏幕显示的幅度值与实际测量值误差小于0.05Vpp。
频率调节：通过拨码开关调节信号频率，OLED屏幕实时显示频率值。图中展示了从100Hz到200kHz的频率调节过程，频率变化连续且稳定，屏幕显示的频率值与实际测量值误差小于1Hz

6.遇到的难题

本次活动赶在截止日期赶出来了，软件中还存在着好多的问题需要优化，

输出正弦波的时候打印调试的值看着都是正确的，但是输出波形在0V的时候会有一段时间，看起来并不是连续的。
频率是固定的，只能在程序中调整，板载的电位器用于幅度的调整了
精度可能不太高，手头上没有示波器，所以用本地活动板卡的小弟-RP2050烧录了一个开源的方案作为简易的示波器

7. 总结

本项目设计并实现了一个基于RP2350B核心板和DAC信号发生器，具备波形切换、幅度调节、频率调节以及参数实时显示等功能，满足了电子实验和工程应用中的多种需求。在项目实施过程中，通过优化硬件设计、改进软件算法以及解决遇到的技术难题，确保了设备的性能和稳定性。未来，可以进一步拓展功能，如增加更多波形类型、提高频率范围和精度等，以提升信号发生器的实用性和竞争力。