// บทที่ 12.8 · แล็บ FG + สโคป · Build Your Own

สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณเอง: 555 ออสซิลเลเตอร์ Wien และ DDS AD9833

เข้าใจเครื่องมือดีที่สุดคือสร้างมันเอง หน้านี้ไล่จากวงจรที่ใช้ชิ้นส่วนไม่กี่ตัว ไปจนถึงเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบดิจิทัลที่หลักการเหมือนเครื่องในห้องแล็บ พร้อมโค้ด Arduino และ ESP32 และปิดท้ายด้วยวงจรขาเข้าของสโคปทำเอง ทุกวงจรใช้ความรู้จากหน้าก่อน ๆ: RC τ, ออปแอมป์ ชมิตต์ทริกเกอร์ และ DDS สูตรใช้รหัส K

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 12 ต.ค. 2569

DDS AD9833 + โค้ด เลือกแบบไหนดี 555 ไซน์ Wien สโคปทำเอง

สรุปใน 30 วินาที

สี่เหลี่ยมง่ายสุด: 555 $f = 1.44/((R_A + 2R_B)C)$ หรือออปแอมป์ผ่อนคลาย $T = 2RC\ln 3$ ( $R_1 = R_2$ )
ไซน์แอนะล็อก: Wien bridge $f_0 = 1/(2\pi RC)$ เกนต้องเท่ากับ 3 พอดีและต้องมีวงจรคุมแอมพลิจูด
ดิจิทัล: ตารางค่าไซน์ + DAC หรือ DDS: $f_{out} = M f_{clk}/2^N$ · AD9833: $M = f\cdot 2^{28}/25\ \text{MHz}$
ภาคขาออก: ออปแอมป์ที่สลูว์เรตพอ + 50 Ω อนุกรม เหมือนเครื่องจริง

ระดับพื้นฐาน ม.ปลาย · ปวส. · ปี 1กลาง ป.ตรี วิศวกรรมขั้นสูง ป.โท · งานวิจัย

เลือกแบบไหนดี พื้นฐาน

แบบ	รูปคลื่น	ช่วงความถี่โดยประมาณ	ความยาก	เหมาะกับ
ออปแอมป์ผ่อนคลาย	สี่เหลี่ยม (+ เอกซ์โพเนนเชียลบน C)	Hz – หลายสิบ kHz	ง่าย	เรียนป้อนกลับบวก ชมิตต์ RC
ชมิตต์ + อินทิเกรเตอร์	สี่เหลี่ยม + สามเหลี่ยม	Hz – หลายสิบ kHz	ง่าย–กลาง	“ฟังก์ชันเจเนอเรเตอร์” แบบแอนะล็อกแท้
ไอซี 555	สี่เหลี่ยม	< 1 Hz – ราว 100 kHz	ง่ายมาก	ไฟกะพริบ เสียง สัญญาณนาฬิกา
Wien bridge	ไซน์เพี้ยนต่ำ	10 Hz – 100 kHz	กลาง	ไซน์เสียงคุณภาพดี เรียน Barkhausen
XR2206	ไซน์ สามเหลี่ยม สี่เหลี่ยม	Hz – ราว 1 MHz	ง่าย (มีชุดคิท)	เครื่องตั้งโต๊ะราคาประหยัด
MCU + DAC/R-2R	อะไรก็ได้ (ตาราง)	ถึงราว 10–50 kHz	กลาง	รูปคลื่นพิเศษ เรียนการสุ่มและ DAC
DDS AD9833	ไซน์ สามเหลี่ยม สี่เหลี่ยม	0.1 Hz – ราว 10 MHz	กลาง	เครื่องกำเนิดสัญญาณใช้งานจริง ตั้งค่าแม่น

ออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลายด้วยออปแอมป์ พื้นฐาน กลาง

วงจรนี้คือ ชมิตต์ทริกเกอร์ ที่เอาขาออกของตัวเองมาชาร์จตัวเก็บประจุผ่าน R เมื่อแรงดันบน C ขึ้นถึง $+\beta V_{sat}$ ขาออกพลิกเป็นลบ C เริ่มคายลงจนถึง $-\beta V_{sat}$ แล้วพลิกกลับ วนไปเรื่อย ๆ เป็นการประยุกต์ ผลตอบสนองอันดับหนึ่ง R2 โดยตรง

ออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลาย: ขาออกเป็นสี่เหลี่ยม แรงดันบน C เป็นเส้นโค้งเอกซ์โพเนนเชียลระหว่างสองระดับของชมิตต์ทริกเกอร์

K1 Feedback fraction อัตราส่วนป้อนกลับบวก

\beta = \frac{R_2}{R_1 + R_2},\qquad V_{TH,TL} = \pm\beta V_{sat}

K2 Relaxation-oscillator period คาบของออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลาย

T = 2RC\ln\frac{1 + \beta}{1 - \beta},\qquad R_1 = R_2:\ T = 2RC\ln 3 = 2.197\,RC

มาจากเวลาที่ C ชาร์จจาก $-\beta V_{sat}$ เข้าหา $+V_{sat}$ จนถึง $+\beta V_{sat}$ ใช้ R3

ตัวอย่าง K-1 · ออสซิลเลเตอร์ราว 1 kHz

R = 10 kΩ, C = 47 nF, $R_1 = R_2$ = 10 kΩ ได้ความถี่เท่าไร

$\beta = 0.5$ K1 แล้วใช้ K2
$T = 2(10^4)(47\times10^{-9})\ln 3 = 1.033\ \text{ms}$
ความถี่
$f = \frac{1}{1.033\ \text{ms}} = 968\ \text{Hz}$

ราว 968 Hz สมมาตร 50 % อยากปรับความถี่ให้ใช้โพเทนชิออมิเตอร์แทน R อยากได้ดิวตี้ไม่เท่ากันให้ใช้ไดโอดสองตัวแยกทางชาร์จกับทางคาย ผ่าน R คนละค่า

เครื่องกำเนิดสี่เหลี่ยม-สามเหลี่ยม: ชมิตต์ + อินทิเกรเตอร์ กลาง

แทน RC ด้วย อินทิเกรเตอร์ ประจุจะเพิ่มด้วยกระแสคงที่ $V_{sat}/R$ แรงดันจึงเป็นเส้นตรง ได้สามเหลี่ยมแท้ ต่อขาออกอินทิเกรเตอร์เข้า ชมิตต์แบบไม่กลับเฟส และขาออกชมิตต์ (สี่เหลี่ยม) เข้าอินทิเกรเตอร์ วนเป็นวง นี่คือแกนของเครื่องกำเนิดสัญญาณแอนะล็อกรุ่นเก่าและไอซีอย่าง XR2206 ถ้าต้องการไซน์ ให้ป้อนสามเหลี่ยมเข้าวงจรปั้นรูป (diode shaper) ที่ตัดยอดให้โค้ง

K3 Square–triangle generator เครื่องกำเนิดสี่เหลี่ยม-สามเหลี่ยม

f = \frac{R_2}{4R_1RC},\qquad V_{\triangle,peak} = \pm\frac{R_1}{R_2}V_{sat}

$R_1$ ขาเข้าชมิตต์ $R_2$ ป้อนกลับชมิตต์ · R, C ของอินทิเกรเตอร์ · ปรับความถี่ด้วย R โดยแอมพลิจูดสามเหลี่ยมไม่เปลี่ยน

ตัวอย่าง K-2 · ออกแบบ 5 kHz

$R_1$ = 10 kΩ, $R_2$ = 20 kΩ, R = 10 kΩ, C = 10 nF ไฟ ±15 V ( $V_{sat}$ ≈ 13.5 V) หาความถี่และแอมพลิจูดสามเหลี่ยม

ความถี่ K3
$f = \frac{20\,000}{4(10\,000)(10\,000)(10\times10^{-9})} = \frac{2}{4\times10^{-4}} = 5\ \text{kHz}$
แอมพลิจูด
$\pm\frac{10}{20}(13.5) = \pm 6.75\ \text{V}\ (13.5\ \text{Vpp})$

สามเหลี่ยม 13.5 Vpp ที่ 5 kHz และสี่เหลี่ยม ±13.5 V ต้องตรวจสลูว์เรตด้วย ขอบสี่เหลี่ยม 27 V ด้วย LM741 ใช้เวลาราว 54 µs เทียบกับคาบ 200 µs ขอบจะเอียงชัดเจน ใช้ TL081 หรือคอมพาเรเตอร์ LM393 แทน

ไอซี 555 แบบ astable พื้นฐาน

555 มีคอมพาเรเตอร์สองตัวเทียบแรงดันบน C กับ ⅓ และ ⅔ ของไฟเลี้ยง ฟลิปฟล็อปภายในสั่งทรานซิสเตอร์ขา 7 ให้คายประจุ C ชาร์จผ่าน $R_A + R_B$ และคายผ่าน $R_B$ จึงได้สี่เหลี่ยมที่ช่วงสูงยาวกว่าช่วงต่ำเสมอ ใช้ไฟ 4.5–15 V (NE555) หรือ 2–15 V (รุ่น CMOS เช่น 7555 กินกระแสน้อยกว่าและขอบสะอาดกว่า)

555 แบบ astable: ช่วง

t_H

C ชาร์จจาก ⅓ ถึง ⅔

V_{CC}

ผ่าน

R_A + R_B

ช่วง

t_L

คายจาก ⅔ ถึง ⅓ ผ่าน

R_B

K4 555 high and low times เวลาสูงและต่ำของ 555

t_H = \ln 2\,(R_A + R_B)C,\qquad t_L = \ln 2\,R_B C

$\ln 2 = 0.693$ มาจากการชาร์จจาก ⅓ ถึง ⅔ ซึ่งคือครึ่งหนึ่งของระยะที่เหลือถึง $V_{CC}$

K5 555 frequency and duty cycle ความถี่และดิวตี้ของ 555

f = \frac{1.44}{(R_A + 2R_B)C},\qquad D = \frac{R_A + R_B}{R_A + 2R_B}

$D > 50\ \%$ เสมอ ถ้าต้องการต่ำกว่า 50 % ต่อไดโอดขนาน $R_B$ ให้กระแสชาร์จข้าม $R_B$ แล้ว $t_H \approx 0.693R_AC$

ตัวอย่าง K-3 · 555 ราว 7 kHz

$R_A$ = 1 kΩ, $R_B$ = 10 kΩ, C = 10 nF หาเวลาสูง เวลาต่ำ ความถี่ และดิวตี้

เวลา K4
$t_H = 0.693(11\ \text{k})(10\ \text{n}) = 76.2\ \mu\text{s},\quad t_L = 0.693(10\ \text{k})(10\ \text{n}) = 69.3\ \mu\text{s}$
ความถี่และดิวตี้ K5
$f = \frac{1.44}{(21\ \text{k})(10\ \text{n})} = 6.86\ \text{kHz},\quad D = \frac{11}{21} = 52.4\ \%$

6.86 kHz ดิวตี้ 52.4 % วัดด้วยสโคป: CH1 ที่ขา 6 (เห็นเลื่อยระหว่าง ⅓ ถึง ⅔ $V_{CC}$ ) CH2 ที่ขา 3 ใช้การวัดอัตโนมัติ Freq และ Duty เทียบ ค่าจริงมักต่างได้ราว 5–10 % ตามค่าคลาดเคลื่อนของ C

ไซน์แอนะล็อก: Wien bridge และ RC phase-shift กลาง ขั้นสูง

ออสซิลเลเตอร์ไซน์คือวงจรขยายที่ป้อนกลับตัวเองผ่านตัวกรองที่ให้เฟสพอดีเพียงความถี่เดียว เครือข่าย Wien (RC อนุกรมต่อกับ RC ขนาน) ให้เฟส 0° และอัตราส่วน 1/3 ที่ $f_0$ เครื่องขยายไม่กลับเฟสเกน 3 จึงทำให้เกนวงรอบเท่ากับ 1 พอดี ตามเงื่อนไขของ Barkhausen นี่คือวงจรที่ Hewlett-Packard ใช้ในเครื่องกำเนิดสัญญาณเครื่องแรก (HP200A ปี 1939) ซึ่งใช้หลอดไฟเป็นตัวคุมแอมพลิจูด

Wien bridge: ป้อนกลับบวกผ่าน RC (ขวาบนและซ้ายล่าง) กำหนดความถี่ ป้อนกลับลบผ่าน

R_f

R_g

กำหนดเกน 3

K6 Wien-bridge frequency ความถี่ของ Wien bridge

f_0 = \frac{1}{2\pi RC},\qquad \beta(f_0) = \frac{V_+}{V_o} = \frac13

กรณี R และ C สองชุดไม่เท่ากัน: $f_0 = 1/(2\pi\sqrt{R_1R_2C_1C_2})$

K7 Required gain เกนที่ต้องการ

A = 1 + \frac{R_f}{R_g} = 3\quad\Rightarrow\quad R_f = 2R_g

เริ่มต้นตั้งเกนสูงกว่า 3 เล็กน้อยให้แกว่งได้เอง แล้วให้ไดโอด หลอดไฟ หรือ JFET ลดเกนลงเมื่อแอมพลิจูดโต

K8 Barkhausen criterion เงื่อนไขการแกว่งของ Barkhausen

A\,\beta(j\omega_0) = 1\angle 0^\circ

เป็นเงื่อนไขจำเป็นสำหรับการแกว่งต่อเนื่อง ขนาดเกนวงรอบ = 1 และเฟสรอบวง = 0° (หรือ 360°)

K9 RC phase-shift oscillator ออสซิลเลเตอร์เลื่อนเฟส RC

f_0 = \frac{1}{2\pi RC\sqrt6},\qquad |A| \ge 29

RC สูงผ่านสามภาคเลื่อนเฟสรวม 180° ต่อกับวงจรขยายกลับเฟส (อีก 180°) ที่เกนอย่างน้อย 29

ตัวอย่าง K-4 · ไซน์ 1 kHz สองแบบ

(ก) Wien bridge R = 10 kΩ, C = 16 nF (ข) phase-shift R = 10 kΩ, C = 10 nF ได้ความถี่เท่าไร

(ก) K6
$f_0 = \frac{1}{2\pi(10^4)(16\times10^{-9})} = 995\ \text{Hz}$
(ข) K9
$f_0 = \frac{1}{2\pi(10^4)(10^{-8})\sqrt6} = 650\ \text{Hz}$

Wien ได้ราว 1 kHz และปรับความถี่ง่ายด้วยโพเทนชิออมิเตอร์คู่ (สเตอริโอ) แทน R ทั้งสองตัว ส่วน phase-shift ต้องปรับ R สามตัวพร้อมกัน จึงนิยมใช้แบบความถี่คงที่ ตรวจความเพี้ยนของไซน์ด้วย FFT บนสโคป X10

ไอซีฟังก์ชันเจเนอเรเตอร์ XR2206 พื้นฐาน

XR2206 รวมออสซิลเลเตอร์ควบคุมด้วยแรงดัน วงจรปั้นไซน์ และภาคขาออกไว้ในชิปเดียว ชุดคิทราคาประหยัดให้ไซน์ สามเหลี่ยม และสี่เหลี่ยม ตั้งย่านความถี่ด้วยสวิตช์เลือกตัวเก็บประจุและปรับละเอียดด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ เป็นเครื่องแรกที่ดีสำหรับโต๊ะทำงานที่บ้าน แต่ความถี่ลอยตามอุณหภูมิและไซน์เพี้ยนราว 0.5–2 % มากกว่า DDS

K10 XR2206 frequency ความถี่ของ XR2206

f_0 = \frac{1}{RC}

R คือตัวต้านทานตั้งเวลา (เอกสารข้อมูลแนะนำราว 4 kΩ–200 kΩ เพื่อความเสถียร) C คือตัวเก็บประจุตั้งเวลา เช่น R = 10 kΩ, C = 100 nF ได้ 1 kHz

ไมโครคอนโทรลเลอร์ + DAC: ตารางค่าไซน์ กลาง

เก็บค่าไซน์หนึ่งคาบไว้ในตาราง (look-up table) แล้วส่งออก DAC ทีละค่าด้วยอัตราคงที่ ความถี่ขาออกเท่ากับอัตราส่งหารด้วยจำนวนจุดในตาราง DAC ที่ทำเองง่ายที่สุดคือบันไดตัวต้านทาน R-2R ต่อกับขาดิจิทัลหลายขา ใช้ตัวต้านทานแค่สองค่า

DAC แบบ R-2R สี่บิต: แต่ละบิตมีน้ำหนักเป็นครึ่งหนึ่งของบิตถัดไป ขยายเป็น 8 บิตได้โดยเพิ่มขั้นบันได ต่อบัฟเฟอร์ออปแอมป์เพื่อไม่ให้โหลดดึงแรงดัน

K11 DAC output and LUT frequency แรงดัน DAC และความถี่จากตาราง

V_{out} = V_{ref}\frac{D}{2^n},\qquad \Delta V = \frac{V_{ref}}{2^n},\qquad f_{out} = \frac{f_{update}}{N_{LUT}}

8 บิต 5 V: ขั้นละ 19.5 mV · ตาราง 64 จุดที่ 100 kSa/s ได้ 1.56 kHz · ต้องมีตัวกรองต่ำผ่านลบขั้นบันได (ภาพสะท้อนที่ $f_{update} \pm f_{out}$ )

โค้ด Arduino Uno: R-2R 8 บิตบนพอร์ต D (D0–D7) ส่งไซน์ 64 จุดต่อคาบ ค่า 0–255 ได้แรงดัน 0–5 V

// Arduino Uno: 8-bit R-2R DAC on PORTD (D0–D7), 64-point sine table
// Disconnect D0/D1 (USB serial) from the ladder while uploading.
const uint8_t N = 64;
uint8_t lut[N];

void setup() {
  DDRD = 0xFF;                                   // D0–D7 as outputs
  for (uint8_t i = 0; i < N; i++)
    lut[i] = 128 + 127 * sin(2 * PI * i / N);    // 1 … 255
}

void loop() {
  for (uint8_t i = 0; i < N; i++) {
    PORTD = lut[i];                              // write all 8 bits at once
    delayMicroseconds(10);                       // ≈ 11 µs per point → ≈ 1.4 kHz
  }
}

ความถี่จริงขึ้นกับเวลาของลูป ให้วัดด้วยสโคป ถ้าต้องการความถี่แม่นให้ใช้ timer interrupt ส่งค่าทุก ๆ ช่วงเวลาคงที่

ESP32 รุ่นดั้งเดิม (ESP32-WROOM/WROVER) มี DAC 8 บิตในตัวสองช่องที่ GPIO25 และ GPIO26 ไม่ต้องต่อ R-2R ส่วน ESP32-S2 มี DAC ที่ GPIO17/18 แต่ ESP32-S3 และ ESP32-C3 ไม่มี DAC ต้องใช้ PWM + ตัวกรอง (ดู PWM กับแรงดันเฉลี่ย) หรือ DAC ภายนอก

// ESP32 (classic): built-in 8-bit DAC on GPIO25, 64-point sine
const int N = 64;
uint8_t lut[N];
void setup() {
  for (int i = 0; i < N; i++) lut[i] = 128 + 127 * sin(2 * PI * i / N);
}
void loop() {
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    dacWrite(25, lut[i]);                        // 0 … 255 → about 0 … 3.3 V
    delayMicroseconds(20);
  }
}

DDS ด้วย AD9833: เครื่องกำเนิดสัญญาณที่ใช้งานได้จริง กลาง ขั้นสูง

DDS คือการทำตารางค่าไซน์ให้ความถี่ละเอียดมาก แทนที่จะเดินทีละจุดในตาราง ตัวสะสมเฟส $N$ บิตจะบวกเลข $M$ ทุกสัญญาณนาฬิกา แล้วใช้บิตบน ๆ ของเฟสเปิดตาราง ความถี่ขาออกจึงปรับได้ทีละ $f_{clk}/2^N$ หลักการอยู่ที่ หน้าเครื่องกำเนิดสัญญาณ (V15–V18) ลองเล่นตัวสะสมเฟสด้านล่าง: เพิ่ม M แล้ววงล้อหมุนเร็วขึ้น จุดต่อคาบน้อยลง ขั้นบันไดหยาบขึ้น และเมื่อ M เกินครึ่งวง ความถี่ที่เห็นจะกลับลดลง (อเลียส)

AD9833 เป็น DDS ขนาดเล็กราคาประหยัด ตัวสะสมเฟส 28 บิต DAC 10 บิต โมดูลทั่วไปมีคริสตัล 25 MHz ให้ไซน์และสามเหลี่ยมราว 0.6 Vpp (มีระดับ DC ราว 0.3 V) และสี่เหลี่ยมระดับลอจิก ความละเอียดความถี่ $25\ \text{MHz}/2^{28} = 0.093$ Hz คุมด้วย SPI สามสาย

เครื่องกำเนิดสัญญาณ DDS ทำเอง: โครงสร้างเดียวกับเครื่องในห้องแล็บ (ดู บล็อกไดอะแกรมเครื่องจริง)

K12 AD9833 frequency register ค่าที่เขียนลงรีจิสเตอร์ AD9833

M = \text{round}\!\left(\frac{f_{out}\,2^{28}}{f_{MCLK}}\right),\quad \text{LSB} = \texttt{0x4000}\,|\,(M \,\&\, \texttt{0x3FFF}),\quad \text{MSB} = \texttt{0x4000}\,|\,(M \gg 14)

ลำดับ: 0x2100 (B28 = 1, RESET) → LSB → MSB → 0xC000 (PHASE0 = 0) → 0x2000 ไซน์ / 0x2002 สามเหลี่ยม / 0x2028 สี่เหลี่ยม

ตัวอย่าง K-5 · ตั้ง AD9833 ที่ 12,345.6 Hz

นาฬิกา 25 MHz หาเลข M คำที่ต้องเขียนลง FREQ0 และความถี่ที่ได้จริง

เลขปรับความถี่ K12
$M = \text{round}\!\left(\frac{12\,345.6 \times 268\,435\,456}{25\,000\,000}\right) = 132\,560$
แยกเป็นสองคำ 14 บิต
$132\,560 = 8\times16\,384 + 1488 \Rightarrow \text{LSB} = \texttt{0x45D0},\ \text{MSB} = \texttt{0x4008}$
ความถี่จริง V15
$f = \frac{132\,560 \times 25\times10^6}{2^{28}} = 12\,345.61\ \text{Hz}$

เขียน 0x2100, 0x45D0, 0x4008, 0xC000, 0x2000 ได้ 12,345.61 Hz คลาดเคลื่อน 0.01 Hz ความแม่นยำจริงขึ้นกับคริสตัล (ราว ±50 ppm หรือ ±0.6 Hz ที่ความถี่นี้)

// AD9833 DDS with Arduino Uno (SCLK D13, SDATA D11, FSYNC D10) or ESP32 (18, 23, 5)
#include <SPI.h>
const int   FSYNC = 10;          // ESP32: 5
const float MCLK  = 25e6;        // crystal on the module

void ad9833Write(uint16_t w) {
  SPI.beginTransaction(SPISettings(2000000, MSBFIRST, SPI_MODE2));
  digitalWrite(FSYNC, LOW);
  SPI.transfer16(w);
  digitalWrite(FSYNC, HIGH);
  SPI.endTransaction();
}

// mode: 0x2000 sine, 0x2002 triangle, 0x2028 square
void ad9833Set(float f, uint16_t mode) {
  uint32_t M = (uint32_t)(f * 268435456.0 / MCLK + 0.5);   // K12
  ad9833Write(0x2100);                      // B28 = 1, reset
  ad9833Write(0x4000 | (M & 0x3FFF));       // FREQ0 LSB
  ad9833Write(0x4000 | ((M >> 14) & 0x3FFF)); // FREQ0 MSB
  ad9833Write(0xC000);                      // PHASE0 = 0
  ad9833Write(mode);                        // leave reset, choose waveform
}

void setup() {
  pinMode(FSYNC, OUTPUT);
  digitalWrite(FSYNC, HIGH);
  SPI.begin();
  ad9833Set(1000.0, 0x2000);                // 1 kHz sine
}

void loop() {}

ขยายต่อ: อ่านเอนโค้ดเดอร์แบบหมุนเพื่อปรับความถี่ แสดงผลบนจอ OLED หรือรับคำสั่งความถี่ทาง Serial ก็ได้ สำหรับการกวาดความถี่ ให้เรียก ad9833Set() ในลูปด้วยความถี่ที่เพิ่มทีละขั้น (เขียนเฉพาะ LSB/MSB ก็พอ ไม่ต้องรีเซ็ตทุกครั้งเพื่อให้เฟสต่อเนื่อง)

ภาคขาออก: แอมพลิจูด ออฟเซต และ 50 Ω กลาง

ขาออก DDS เล็กและมี DC ปนอยู่ ต้องตัด DC ด้วยตัวเก็บประจุ ปรับขนาดด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ แล้วใช้ วงจรรวมสัญญาณ บวกออฟเซต DC ที่ปรับได้ ก่อนออกขั้วผ่านตัวต้านทาน 50 Ω เหมือนเครื่องจริง V1 ข้อที่มักลืมคือสลูว์เรตของออปแอมป์ภาคนี้ต้องพอสำหรับความถี่และแอมพลิจูดสูงสุดที่ต้องการ

K13 Output stage ภาคขาออก

v_{out} = G\,(v_{dds} - \bar v_{dds}) + V_{off},\qquad SR \ge 2\pi f_{max}V_{p,max}

$G$ จากโพเทนชิออมิเตอร์และเกนออปแอมป์ · $V_{off}$ จากโพเทนชิออมิเตอร์ต่อ ±V ผ่านวงจรรวม · ตรวจขีดจำกัด $|V_{off}| + V_p \le V_{sat}$

ตัวอย่าง K-6 · เลือกออปแอมป์ภาคขาออก

ต้องการ 10 Vpp (High-Z) ถึง 1 MHz ออปแอมป์ต้องมีสลูว์เรตเท่าไร TL081 ใช้ได้ไหม

$V_p = 5$ V K13 U6
$SR \ge 2\pi(10^6)(5) = 31.4\ \text{V/}\mu\text{s}$
TL081 มี 13 V/µs ได้แค่
$f_{FPBW} = \frac{13\times10^6}{2\pi\times5} = 414\ \text{kHz}$

TL081 ไม่พอ ต้องใช้ออปแอมป์ความเร็วสูงที่มี SR หลักร้อย V/µs และ GBW หลายสิบ MHz ขึ้นไป เช่น LM7171 หรือออปแอมป์แบบป้อนกลับกระแส (current-feedback) และต้องวางลายวงจรสั้น มีกราวด์เพลน ถ้าใช้แค่ย่านเสียง (≤ 20 kHz) TL072 เหลือเฟือ

ออสซิลโลสโคปทำเอง: ขาเข้า การสุ่ม และขีดจำกัด กลาง

หลักการสโคปดิจิทัลคือ ภาคขาเข้า (ลดทอน ยกระดับ ป้องกัน) → ADC → หน่วยความจำ → ทริกเกอร์ → วาดจอ ทำเองด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ แต่ต้องเข้าใจขีดจำกัดของ ADC และต้องแปลงสัญญาณ ±V ให้อยู่ในช่วงที่ ADC รับได้ (0–3.3 V หรือ 0–5 V) ก่อนเสมอ ไม่เช่นนั้นขา ADC เสีย

ภาคขาเข้า: ตัวแบ่งแรงดันสามตัวลดทอนและยกระดับในคราวเดียว ไดโอดหนีบไว้กันแรงดันเกิน (ใช้ไดโอด Schottky)

K14 ADC front-end (divider + bias) วงจรแบ่งแรงดันและยกระดับ

V_{adc} = k\,V_{in} + V_{th}(1 - k),\quad k = \frac{R_b}{R_1 + R_b},\quad R_b = R_2\parallel R_3,\quad V_{th} = V_{ref}\frac{R_2}{R_2 + R_3}

ออกแบบ: เลือก $k = (V_{ref}/2)/V_{in,max}$ และให้ $V_{adc} = V_{ref}/2$ เมื่อ $V_{in} = 0$

K15 ADC sample rate อัตราสุ่มของ ADC

f_s = \frac{f_{ADC}}{13},\qquad f_{max} < \frac{f_s}{2}\ \ \text{(ใช้จริง} \approx f_s/5 \text{ ถึง } f_s/10)

Arduino Uno: $f_{ADC} = 16\ \text{MHz}/128 = 125$ kHz → 9.6 kSa/s · การ์ดเสียง 48–192 kSa/s แต่คัปปลิง AC ที่ขาเข้า · ESP32 เร็วกว่าแต่ ADC ไม่เป็นเชิงเส้นช่วงปลาย ต้องสอบเทียบ

ตัวอย่าง K-7 · ±10 V เข้า ADC 3.3 V

ใช้ $R_1$ = 100 kΩ ออกแบบ $R_2$ , $R_3$ ให้ ±10 V เป็น 0–3.3 V

อัตราส่วนที่ต้องการ K14
$k = \frac{1.65}{10} = 0.165\ \Rightarrow\ R_b = \frac{k R_1}{1 - k} = 19.8\ \text{k}\Omega$
$V_{adc}(0) = 1.65$ V
$V_{th} = \frac{1.65}{1 - k} = 1.98\ \text{V} \Rightarrow \frac{R_2}{R_2 + R_3} = 0.599$
แก้สองสมการ
$R_3 = \frac{R_b}{0.599} = 33.0\ \text{k}\Omega,\quad R_2 = \frac{R_b}{1 - 0.599} = 49.3\ \text{k}\Omega$
ใช้ค่ามาตรฐาน $R_2$ = 47 kΩ, $R_3$ = 33 kΩ ตรวจ
$R_b = 19.4\ \text{k}\Omega,\ k = 0.162,\ V_{th} = 1.94\ \text{V} \Rightarrow V_{adc} = 1.62 \pm 1.62\ \text{V}$

±10 V กลายเป็น 0.00–3.25 V อยู่ในช่วง ADC ในโปรแกรมแปลงกลับด้วย $V_{in} = (V_{adc} - 1.62)/0.162$ แล้วสอบเทียบกับแหล่งจ่าย DC ที่รู้ค่าอีกครั้ง

// Arduino Uno: minimal "scope" — 400 samples as fast as analogRead allows, then send to Serial Plotter
const int NS = 400;
int buf[NS];
void setup() { Serial.begin(115200); }
void loop() {
  unsigned long t0 = micros();
  for (int i = 0; i < NS; i++) buf[i] = analogRead(A0);      // ≈ 104 µs each
  float dt = (micros() - t0) / (float)NS;                      // µs per sample
  for (int i = 0; i < NS; i++) {
    float vadc = buf[i] * 5.0 / 1023.0;
    Serial.println(vadc);                                      // convert with K14 for a divider
  }
  delay(200);
}

เพิ่มทริกเกอร์ได้โดยวนอ่านจนค่าข้ามระดับที่กำหนดขาขึ้นก่อนเริ่มเก็บ 400 จุด เป็นหลักการเดียวกับทริกเกอร์ของสโคปจริง ทริกเกอร์

เช็กลิสต์ก่อนเปิดไฟและวิธีทดสอบเครื่องที่สร้างเอง พื้นฐาน

ตรวจขั้วไฟเลี้ยงและกราวด์ร่วมของทุกบอร์ดก่อนเสียบ ใส่ 100 nF คร่อมไฟเลี้ยงทุกไอซี
เปิดไฟผ่านแหล่งจ่ายที่จำกัดกระแส (เริ่ม 50–100 mA) ดูว่ากินกระแสผิดปกติหรือไม่
วัดความถี่ด้วยสโคปจริงหรือฟังก์ชัน counter เทียบกับสูตร ความต่างเกิน 10 % ให้ตรวจค่าชิ้นส่วน
ดูรูปคลื่นที่ขาออกเมื่อเปิดวงจร (High-Z) และเมื่อต่อโหลด 50 Ω ควรลดลงครึ่งหนึ่งพอดี V3
ดู FFT ของไซน์: ฮาร์มอนิกที่สองและสามควรต่ำกว่าพื้นฐานอย่างน้อย 40 dB สำหรับงานเสียง X10
กวาดความถี่ทั้งย่าน ตรวจว่าแอมพลิจูดไม่ตก (สลูว์เรต แบนด์วิดท์) และไม่มีการแกว่งแปลกปลอม

ถ้ายังไม่มีชิ้นส่วน ลองทุกการวัดบน แล็บจำลอง ก่อน แล้วไปดู งานประยุกต์ ที่ใช้เครื่องเหล่านี้

คำถามที่พบบ่อย

สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณเองแบบไหนง่ายและคุ้มที่สุด?

ถ้าต้องการแค่คลื่นสี่เหลี่ยม ใช้ไอซี 555 หรือขา PWM ของไมโครคอนโทรลเลอร์ ถ้าต้องการไซน์ สามเหลี่ยม และสี่เหลี่ยมที่ตั้งความถี่ได้แม่นจาก 0.1 Hz ถึงหลาย MHz ใช้โมดูล DDS AD9833 คุมด้วย Arduino หรือ ESP32 ผ่าน SPI สามสาย แล้วเพิ่มภาคขยายด้วยออปแอมป์สำหรับปรับแอมพลิจูดและออฟเซต

AD9833 ตั้งค่าความถี่อย่างไร?

คำนวณเลข 28 บิต M = round(f_out × 2²⁸ / f_MCLK) เช่น 1 kHz กับนาฬิกา 25 MHz ได้ M = 10737 แล้วเขียนเป็นสองคำ 14 บิตลงรีจิสเตอร์ FREQ0 โดยตั้งบิตบนเป็น 01 (0x4000 | ค่า) ลำดับคือ 0x2100 (รีเซ็ต) คำล่าง คำบน 0xC000 (เฟส) แล้ว 0x2000 สำหรับไซน์ 0x2002 สามเหลี่ยม หรือ 0x2028 สี่เหลี่ยม

Arduino ใช้เป็นออสซิลโลสโคปได้ไหม?

ได้สำหรับสัญญาณช้า Arduino Uno อ่าน ADC ได้ราว 9.6 kSa/s ด้วย analogRead จึงดูได้แค่ไม่กี่ร้อย Hz ถึงราว 1 kHz และรับได้เฉพาะ 0–5 V ต้องมีวงจรแบ่งแรงดันและยกระดับก่อนวัดสัญญาณที่มีค่าลบ ESP32 และการ์ดเสียงคอมพิวเตอร์เร็วกว่า แต่ยังห่างจากสโคปจริงมาก เหมาะกับการเรียนรู้หลักการสุ่มสัญญาณ

ทำไมออสซิลเลเตอร์ Wien bridge ต้องมีวงจรคุมแอมพลิจูด?

เงื่อนไข Barkhausen ต้องการเกนวงรอบเท่ากับ 1 พอดี ถ้าเกนน้อยกว่า 3 นิดเดียวการแกว่งจะหยุด ถ้ามากกว่านิดเดียวแอมพลิจูดจะโตจนออปแอมป์อิ่มตัวและไซน์ถูกตัดยอด จึงต้องมีชิ้นส่วนที่ลดเกนเมื่อแอมพลิจูดสูง เช่น ไดโอดคู่ขนานกับตัวต้านทานป้อนกลับบางส่วน หลอดไฟ หรือ JFET

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์

เลือกแบบไหนดี พื้นฐาน

ออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลายด้วยออปแอมป์ พื้นฐาน กลาง

R = 10 kΩ, C = 47 nF, R1=R2R_1 = R_2R1​=R2​ = 10 kΩ ได้ความถี่เท่าไร

เครื่องกำเนิดสี่เหลี่ยม-สามเหลี่ยม: ชมิตต์ + อินทิเกรเตอร์ กลาง

R1R_1R1​ = 10 kΩ, R2R_2R2​ = 20 kΩ, R = 10 kΩ, C = 10 nF ไฟ ±15 V (VsatV_{sat}Vsat​ ≈ 13.5 V) หาความถี่และแอมพลิจูดสามเหลี่ยม

ไอซี 555 แบบ astable พื้นฐาน

RAR_ARA​ = 1 kΩ, RBR_BRB​ = 10 kΩ, C = 10 nF หาเวลาสูง เวลาต่ำ ความถี่ และดิวตี้

ไซน์แอนะล็อก: Wien bridge และ RC phase-shift กลาง ขั้นสูง

(ก) Wien bridge R = 10 kΩ, C = 16 nF (ข) phase-shift R = 10 kΩ, C = 10 nF ได้ความถี่เท่าไร

ไอซีฟังก์ชันเจเนอเรเตอร์ XR2206 พื้นฐาน

ไมโครคอนโทรลเลอร์ + DAC: ตารางค่าไซน์ กลาง

DDS ด้วย AD9833: เครื่องกำเนิดสัญญาณที่ใช้งานได้จริง กลาง ขั้นสูง

นาฬิกา 25 MHz หาเลข M คำที่ต้องเขียนลง FREQ0 และความถี่ที่ได้จริง

ภาคขาออก: แอมพลิจูด ออฟเซต และ 50 Ω กลาง

ต้องการ 10 Vpp (High-Z) ถึง 1 MHz ออปแอมป์ต้องมีสลูว์เรตเท่าไร TL081 ใช้ได้ไหม

ออสซิลโลสโคปทำเอง: ขาเข้า การสุ่ม และขีดจำกัด กลาง

ใช้ R1R_1R1​ = 100 kΩ ออกแบบ R2R_2R2​, R3R_3R3​ ให้ ±10 V เป็น 0–3.3 V

เช็กลิสต์ก่อนเปิดไฟและวิธีทดสอบเครื่องที่สร้างเอง พื้นฐาน

คำถามที่พบบ่อย

R = 10 kΩ, C = 47 nF, $R_1 = R_2$ = 10 kΩ ได้ความถี่เท่าไร

$R_1$ = 10 kΩ, $R_2$ = 20 kΩ, R = 10 kΩ, C = 10 nF ไฟ ±15 V ( $V_{sat}$ ≈ 13.5 V) หาความถี่และแอมพลิจูดสามเหลี่ยม

$R_A$ = 1 kΩ, $R_B$ = 10 kΩ, C = 10 nF หาเวลาสูง เวลาต่ำ ความถี่ และดิวตี้

ใช้ $R_1$ = 100 kΩ ออกแบบ $R_2$ , $R_3$ ให้ ±10 V เป็น 0–3.3 V