ArduinoでSin波形を出力させる

アナログ出力のために
Arduino　UNOにはアナログ出力がないので、デジタル出力をアナログに変換する。
外部にDAコンバータを用意する方法もあるが、簡易にはデジタル出力を利用して抵抗でDA変換をしてみる。
この辺は以下のサイトが詳しい。
http://mitt.la.coocan.jp/pic/pic7_16.html

8ビットのDA変換をするために、D2〜D9を使って図のような回路を組んだ。

予めSinの計算をして、配列に格納しておいたデータを使ったが、周期は13ms(約77Hz)となった。その都度Sinの計算をしたときには67ms(約15Hz)であった。

スケッチの一部を書くと、

予め計算していたSinData[kakudo]の8bitデータ（0x0000〜0x00ff)を、1ビットずつデジタル出力にHIGH,またはLOWで書き出す方法である。

スケッチを工夫して速度を上げる
デジタル出力にパラレルに出力できたらいいのに、と思っていたら、ちゃんとあった。
上と同じ内容を次のように変更。

PORTDはデジタル出力の0から7だが、0と1はシリアル通信に使われているので、2bitシフトして使っている。その分PORTBで2ビットを出力している。

このプログラムでSin波を出力させると、Sin波形の途中に異なった値のデータが、ヒゲのように出てしまう。原因はPORTDとPORTBの出力に時間差があるためで、アナログ値がその間本来と異なった値となってしまったため。

途中にヒゲが出ている

PORTDとPORTBの出力時間差を極力減らすため、次のように変更する。

PORTDとPORTBの出力の時間差が原因であることを確認するために、②を挿入してみた。
②がないと、ヒゲはほとんどなく、②を入れると、その時間だけ異なったデータが出る。

ヒゲがなくきれいな波形となる

 これによるSin波の周期は1.1ms、周波数は約910Hzである。forループ1回あたり（1度あたり）約3μsであるので、このくらいが限界かもしれない。周波数を上げるためには、5度おきに間引いて計算するなどが考えられるが、当然波形としては段差が目立ってきたなくなる。

5度おきに計算。階段状になる。

外部のDAコンバータ、MCP4726（12bit）を使用した場合

インターフェースはI2Cで、速さが100kHz、400kHz、3.4MHzと3段階あるようだが、その設定の仕方がよくわからない。しかし実際にSCL波形をオシロスコープで見ると、10μs周期なので、100kHzでの通信と考えられる。
予めSinθの計算をしたうえで出力させたが、12ビットで転送時間もかかるのか、出力の周期は115ms（約8.7Hz)となり、とても遅い。（単純計算では1度あたり320μsかかったことになる。通信量からするとこんなものか。）ただ、波形としてはヒゲもなく大変きれいである。0.5度ごとに計算して出力させるともっときれいになるだろう。

12ビットのDACなので、1度につき2バイト使って360度計算すると、RAMの54％を使ってしまった。

波形はヒゲもなくきれい。しかし遅い。

インターフェースをSPIにしてみる
I2Cは100kHzに対し、SPIは数十Mbpsも可能というので、次のような回路を組んでみた。

シフトレジスタは別基板に作った

シフトレジスタ74HC595を使ってデータを転送し、その出力を抵抗でDA変換するものである。ラッチで一斉にデータが変わるので、ヒゲは出ない。
このICは秋月電商で販売している７セグメントLED用に使われているもので、SPI.transfer（）のコマンドでデータを転送する。
スピードアップのため、予めSinθを計算させておいてSinData[]に保存、その後順に出力する。

この結果、Sin波形の周期は約4.5ms（222Hz)となった。ラッチの周期は12μsだが、8ビットのデータ転送自体は2μsで終了している。digitalWriteの時間が結構かかっているようだ。

そこで、digitalWriteの代わりにPORTBコマンドを使ってみたのが以下のプログラムである。

ラッチにD10を使用しているので、直接制御している。

この結果、Sin波の周期は1.1msと、Arduinoのデジタル出力に直接抵抗をつけた場合（PORTコマンド使用）とほとんど変わらなくなった。ラッチの周期は3μsである。波形としては当然ヒゲもなくきれいなSin波になっている。

信号のタイミングを見ると、上がラッチ出力で、下がシリアルデータである。ラッチをLにした後、シリアルデータを出力。8ビットのデータを約2μsで送出し、その後ラッチをHにすることで、シフトレジスタの出力が変化する。