--- title: "สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณเอง: 555 ออสซิลเลเตอร์ Wien และ DDS AD9833" url: https://modsengineeringmath.com/learn/function-generator/build/ site: "Mod's Engineering Mathematics (อาจารย์มด)" language: th updated: 2026-10-12 --- > สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณและสโคปทำเองตั้งแต่ระดับ ม.ปลาย ถึง ป.โท: ออสซิลเลเตอร์ผ่อนคลายด้วยออปแอมป์ เครื่องกำเนิดสี่เหลี่ยม-สามเหลี่ยม ไอซี 555 แบบ astable Wien bridge และ RC phase-shift XR2206 DAC R-2R กับตารางค่าไซน์ DDS AD9833 พร้อมโค้ด Arduino และ ESP32 ภาคขาออกปรับแอมพลิจูดและออฟเซต วงจรขาเข้าสโคปทำเอง พร้อมตัวจำลองตัวสะสมเฟส DDS เครื่องคิดเลข และสูตรรหัส K ฉบับ Markdown ของ https://modsengineeringmath.com/learn/function-generator/build/ สำหรับผู้ช่วย AI และเครื่องมือค้นหา สูตรเขียนเป็น LaTeX ($…$ และ $$…$$) แล็บโต้ตอบและรูปมีเฉพาะในหน้าเว็บ # สร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณเอง: 555 ออสซิลเลเตอร์ Wien และ DDS AD9833 // บทที่ 12.8 · แล็บ FG + สโคป · Build Your Own เข้าใจเครื่องมือดีที่สุดคือสร้างมันเอง หน้านี้ไล่จากวงจรที่ใช้ชิ้นส่วนไม่กี่ตัว ไปจนถึงเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบดิจิทัลที่หลักการเหมือนเครื่องในห้องแล็บ พร้อมโค้ด Arduino และ ESP32 และปิดท้ายด้วยวงจรขาเข้าของสโคปทำเอง ทุกวงจรใช้ความรู้จากหน้าก่อน ๆ: RC τ, ออปแอมป์ ชมิตต์ทริกเกอร์ และ DDS สูตรใช้รหัส K 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 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 มด อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์ ## คำถามที่พบบ่อย (FAQ) **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