在這個項目里，我大約花了60歐元（合計410人民幣）構建了這個帶有簡單用戶界面的任意波形發生器工具 （AWG）。

用戶可以選擇基本波形，設置頻率、幅度、偏移和其他一些參數。

基本規格：

頻率范圍：20Hz - 15MHz 正弦波（并非所有波形都能很好地工作到 15MHz）

DAC 分辨率 8 位或 10 位

用于 AC/DC 耦合和輸出電阻的輸出開關 Zout low/50Ohm

輸出電壓 6Vpp 無負載，2.8Vpp 帶 Zout 開關至 50Ohm 和 50 Ohm 終端

波形：正弦波、脈沖（鋸齒波、三角波、方波）、高斯、sinc、指數、噪聲（全部重復使用 rgco 的軟件）

我在一個 6.5 厘米 x 13 厘米的帶有銅條紋的原型板上構建。

在這個教程中，我將專注于如何構建一個獨立的 AWG，如果您按照說明構建自己的 AWG 工具，您應該具備一些手工焊接電子元件的基本技能。如果需要調試，使用（簡單）示波器很方便。我建議你在他的 github 網站上閱讀 rgco 的教程和 Peter Hinch 的自述文件。

補給品

構建 AWG 的主要部分是：

1 個樹莓派 Pico 板

1 2.8“ 彩色 LCD TFT 顯示屏，帶 SPI 接口

19 個精密電阻器 10x 2k .1% 和 9 x 1k .1%

1 AD8055（300MHz電壓反饋放大器）

NTE2633和NTE2634晶體管各1個。作為替代方案，我測試了 2N2219 和 2N2905 晶體管，它們也運行良好。頻率上限為~5MHz

2個晶體管散熱器

1 個 79L05 和 78L05 穩壓器為 AD8055 供電

+-12V 電源

1 6.5cm x 13cm 原型板

用于連接顯示器、開關和編碼器的面包板線

還有一些小零件電阻、電容、排針、電線……

請參閱隨附的所有電子元件材料清單。

我正在使用通孔組件，因為它們更容易焊接，而且大部分都在我的“組件庫存”中。最終，我選擇將所有部件放在一個漂亮的外殼中。

關于電源的備注：我開始使用Meanwell 5V，+-12V開關電源，只是為了得知發電機的信號被電源的開關噪聲嚴重失真。我最終使用 2x15V 變壓器構建了一個簡單的線性電源，兩個橋式整流器帶有兩個 1000uF 電解電容器和穩壓器 7812，7912（輸出緩沖器為 +-12V）和 Pico 的 L7805CV。我在所有三個穩壓器上都放了一個散熱器。

第 1 步：概念概述

AWG 由三個主要功能塊組成：

用戶界面，選擇波形并可以輸入/調整波形的所有參數。選擇波形時，將相應的參數設置為默認值。

AWG 內核，用于計算波形樣本并將其存儲在內存中。使用 RP2040 的 PIO 和 DMA 功能從內存開始輸出波形。

輸出緩沖級，其中信號被放大 2 倍，AB 類輸出級將提供低輸出阻抗和短路保護。通過開關，輸出阻抗可以在低阻抗和 50 歐姆之間切換，也可以選擇交流或直流耦合。對于低頻，建議使用直流耦合。

用戶界面和 AWG 內核在運行于 Pico 的 RP2040 CPU 上的 micro-python 中實現。

備注：我正在使用 RP2040 的兩個內核進行實驗，一個用于生成器，一個用于用戶界面。這工作正常，但沒有優勢。所以，為了簡單起見，我決定在一個內核上運行整個程序。（AWG_overview.pdf）

第 2 步：構建硬件

在示意圖中，您可以找到被“藍框”包圍的三個功能塊。使用 AWG 的 8 位或 10 位版本的原理圖來構建您自己的。

所有部件都焊接到原型板上。按照示意圖從左到右。確保有一個中央接地點，將電源的接地線連接到 Pico 板的接地引腳、兩個穩壓器和輸出連接器。我在開始時創建了接地回路，這會在輸出信號上產生額外的噪聲。

注意事項：

如果您不需要輸出緩沖級的全部 20MHz 帶寬，請將 Q1 和 Q2 替換為 2N2219 和 2N2905。這些晶體管更便宜并且具有更好的可用性。測試顯示帶寬上限約為 5MHz。還要為這些晶體管添加散熱器。

如果您不需要低輸出阻抗，您可以簡化輸出級，只使用 AD8055。取 R6 之后的信號（參見示意圖中的“TP 1”）。然后，AWG 可以將負載驅動至約 50 歐姆。

相關附件下載：

AD8055.pdf

AWG10bit_schematics.pdf

AWG8bit_schematics.pdf

第 3 步：安裝軟件包

AWG 是使用 micro-python 實現的。作為第一步，請將micropython加載到 Pico。使用版本 1.17 （ rp2-pico-20210902-v1.17.uf2 ） 或更新版本。舊版本無法使用，因為它們缺少 micro-gui 所需的功能。

本教程假設您對如何使用 Pico 板、將 micro-python 和 python 模塊加載到 Pico 有一些基本知識。如果您需要幫助，請在raspberry pi pico 上找到開始使用 micropython的分步指南。

由于我無法在此處附加檔案或壓縮文件，請安裝以下軟件包：

1. 安裝micro-gui。如果您使用的是 Linux，請創建一個項目目錄并使用 git 將 micro-gui 復制到項目目錄。例如：git clone https://github.com/peterhinch/micropython-micro-gui。

使用 mpfshell、rshell 或您喜歡的 micropython IDE 將 micro-gui 模塊復制到 Pico。

如果您使用的是 Windows，請訪問micro-gui github站點，單擊“代碼”按鈕并下載 zip 文件（見圖）。您可以使用您喜歡的工具將文件下載到 Pico。

2. 安裝硬件驅動程序。將 AWG 驅動程序文件復制到 Pico：

hardware_setup.py - 復制到根目錄，包含按鈕、編碼器和顯示驅動程序的信息

colors.py - 替換原始模塊，因為 AWG 使用更多顏色，將附件復制到 Pico 上的 gui/core 目錄

3. 安裝 AWG 文件：

8 位和 10 位版本的 AWG 文件不同。由于我無法附加包裹，因此我將包裹分成了這個教程的兩個步驟。

從第 8 步下載 8 位版本的軟件

從第 9 步下載 10 位版本的軟件

然后將文件復制到 pico。10 位版本的文件名顯示在下面的文本中的括號 ［ ］ 中。

ui.py ［ui10.py］ - 復制到根目錄，這是AWG主程序

wave_gen.py ［wave_gen10.py］ - 復制到根目錄，該模塊計算波形并對 Pico 的 PIO 和 DMA 進行編程

main.py - 復制到根目錄，啟動后調用模塊，導入 ui.py ［ui10.py］ 啟動 AWG

我添加了一張圖片來顯示 Pico 上文件和目錄結構的圖形表示。圖片僅顯示 AWG 所需的文件。如果您將 micro-gui 作為一個整體下載，您將獲得更多文件，例如 micro-gui 的演示或其他字體，這些文件不被 AWG 使用。您可以只復制所需的文件，如圖所示。

備注：我已經清理了這個教程，只附上了最新版本的文件。如果您已經構建了 AWG，建議您升級到具有 8 位 DAC 或 10 位 DAC 的版本的最新版本。

代碼下載：

hardware_setup.py

顏色.py

第 4 步：AWG 的核心

python 模塊wave_gen.py ［wave_gen10.py］ 包含用于計算波形和對 Pico 的 PIO 和 DMA 進行編程的代碼。我重用了 Rgco 創建的代碼。附加的模塊支持六種基本波形。AWG 可以做更多事情，例如將兩個波相加或相乘，如果您需要更多功能，請參閱Rcgo 的教程。

對原代碼的改動：

代碼有兩種版本，一種用于 8 位 DAC，一種用于 10 位 DAC。

Pico 超頻了，CPU 運行在 250MHz 而不是 125MHz

我正在使用 DMA 通道 2 和 3 而不是 0 和 1。DMA 通道 0 和 1 由其他功能使用，例如 TFT 顯示器的 SPI 接口

在測試時，我觀察到“內存不足錯誤”，因此我在計算完成后調用垃圾收集器 （gc） 模塊并填充波緩沖區以釋放未使用但仍分配的內存。

備注：Pico 的 CPU 和 USB 連接在 250MHz 下運行非常可靠

第 5 步：用戶界面

用戶界面 （UI） 由兩個按鈕、一個帶按鈕的旋轉編碼器、2.8” TFT 顯示器和 python 模塊ui.py ［ui10.py］ 組成。該模塊定義了屏幕布局和 AWG 控件。在簡而言之，當按下按鈕或旋轉編碼器時會發生什么。在以下 UI 元素中以斜體字母顯示，例如setup指向屏幕上的設置按鈕。您可以在下一步。

用戶界面原則：

所有用戶輸入都被收集并存儲在一個名為“wave”的字典中。按下設置生成器按鈕后，模塊 wave_gen ［wave_gen10］ 使用存儲在字典中的數據來計算和輸出波形。

AWG 在屏幕上顯示其當前狀態。狀態是以下之一——初始化——、計算波、運行或停止。每個狀態都非常自我解釋，并在模塊 ui.py ［ui10.py］ 中進行了簡要描述。

UI 允許通過功能下拉菜單選擇波形。When a wave is selected the parameters of the wave are set to default values， which are “mid points” of the parameters. 如果您使用默認值按下設置生成器按鈕，您會得到一個工作正常的波形。通常，您希望根據需要調整頻率。

如果您選擇不同的波形，頻率不會改變，但所有其他參數都設置為默認值。

在 UI 中，只有與所選波形相關的參數處于活動狀態并且可以更改。不需要的參數是“灰色的”。

顯示使用的樣本數和波形的結果輸出頻率。

備注：AWG 是一種數字波發生器。這意味著例如頻率、幅度和偏移量會逐步變化，這會導致一些限制：

輸出頻率可能會偏離 UI 中設置的頻率，例如，如果設置頻率“介于”兩個數字頻率步長之間。

第 6 步：AWG 快速參考指南

用戶界面硬件由硬件中的兩個按鈕和一個旋轉編碼器組成。AWG 控件和設置/停止發生器按鈕在 UI 軟件中實現。

Next按鈕將焦點移動到下一個控件，該控件變為活動狀態。焦點由白色邊框表示。例如，在圖片中，您可以看到具有焦點的功能下拉列表。

上一個按鈕將焦點移回上一個控件。

旋轉編碼器必須起作用。（a） 按下編碼器作為輸入按鈕， （b） 轉動編碼器增加或減少一個值或在下拉列表中上下移動。

有關詳細信息，請參閱隨附的快速參考指南。

備注：如果輸出信號被削波或失真，請嘗試調整幅度、偏移或參數。這樣做通常會減少削波或失真。微調參數以優化輸出，例如對于脈沖：不要將上升和下降時間設置為 0，而是將其設置為較小的值，例如 0.05。這通過限制壓擺率來減少信號的過沖。

第 7 步：限制和改進

AWG 的設計易于使用、易于復制和低成本。

實施了六個基本波。如果 Pico 板連接到 PC 上，基本上任何波形都可以通過在模塊 wave_gen.py 中添加波形的公式來產生。如果波形應該在 AWG 中持久存在，請將波形名稱和控件添加到 ui.py 模塊。

AWG 的輸出級是基本的 AB 類設計。它經過短路驗證并提供 6V pp 擺幅。可以添加一個輸出濾波器來降低較高頻率的數字噪聲。

為 AWG 10 位實施了包圍。根據要求可以移植到 AWG 8 位。

在最近的軟件中，顯示更新（SPI 接口）在 AWG 啟動時會關閉。這顯著降低了輸出信號上的數字噪聲（見圖）。在原型板上構建或進行 PCB 布局時，請注意避免走線或電纜之間的串擾，從而進一步降低噪聲。

為了進一步降低噪音，使用兩個 Pico 板也可以降低輸出噪音。一個用于發生器的 Pico 板和一個用于用戶界面的 Pico 板，將它們與例如串行接口連接。非常歡迎任何改進和評論。

第 8 步：用于 AWG 的軟件，帶有 8 位 DAC

附上使用 8 位 DAC實現 AWG 時要上傳到 Pico 的三個文件。（參見第 3 步）

在停止生成器時保留參數值，而不是每次都初始化它們。

sinc 和指數參數現在被“括起來”，因此它們無法設置為導致波形不可用的值。

ui.py

wave_gen.py

主文件

第 9 步：帶 10 位 DAC 的 AWG

附上使用 10 位 DAC實現 AWG 時要上傳到 Pico 的三個文件。（參見第 3 步）

一些用戶要求在停止生成器時保留參數值，而不是初始化它們。

sinc 和指數參數現在被“括起來”，因此它們無法設置為導致波形不可用的值。

ui10.py

wave_gen10.py

主文件