自制 R-2R DAC 驱动示波器 XY 模式绘制任意图形
项目概述
利用 Arduino Uno/Nano 的端口并行输出（PORTD 8 位 + PORTB 6 位）驱动两个 R-2R 梯形 DAC，分别输出 X/Y 模拟电压，接入示波器 XY 模式即可在屏幕上绘制任意矢量图形。配套 Python Tkinter 绘图工具可将手绘轨迹自动导出为 C 数组，无需手写坐标。成本极低（仅需电阻），原理透彻，适合学习 DAC、端口操作、示波器 XY 模式及嵌入式图形生成。
核心原理：R-2R 梯形 DAC
仅需两种阻值 R 与 2R（或同阻值串联）。每一位对应一个 2R 支路，输出电压为加权和：
Vout = Vref × (b₀/2 + b₁/4 + … + bₙ₋₁/2ⁿ)
- 本项目：X 轴用 PORTD (D0-D7) 推 8 位 DAC，Y 轴用 PORTB (D8-D13) 推 6 位 DAC
- 电阻选 10kΩ：R=10k，2R=20k（两个 10k 串联）
- 示波器 CH1 接 X 输出，CH2 接 Y 输出，GND 共地
硬件清单
| 组件 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|
| Arduino Uno / Nano | 1 | ATmega328P，PORTD 全 8 位，PORTB 可用 6 位 |
| 10kΩ 电阻 | 50 | X 轴 8×2R + 1×R，Y 轴 6×2R + 1×R，共 14×2R + 2×R = 30 个 10k；建议多备 |
| 面包板 + 跳线 | 1 套 | 搭建两路 R-2R 梯形网络 |
| 示波器 | 1 | 需支持 XY 模式（双通道） |
| 探头 ×2 | 2 | 分别接 X/Y 输出 |
端口映射与初始化
// ATmega328P 端口映射
// PORTD (PD0-PD7) -> Arduino D0-D7 全 8 位可写
// PORTB (PB0-PB5) -> Arduino D8-D13 仅 6 位可写 (PB6/PB7 接晶振)
// PORTC (PC0-PC5) -> A0-A5 仅 6 位可写
void setup() {
DDRD = B11111111; // D0-D7 全部设为输出
DDRB = B00111111; // D8-D13 设为输出 (PB0-PB5)
// 将 8 位 Y 值映射到 6 位 (0-255 -> 0-63)
for (byte t=0; t核心显示循环
void loop() {
for (int t=0; t> 2; // 6 位右移 2 位 (等同 /4)
delayMicroseconds(FIGURE_DELAY); // 1µs 可调，控制刷新率/亮度
}
}
Python 绘图工具
运行方式
pip install tk # 如未自带
python drawlog.py > arduino_list.txt
工具特性
- 255×255 像素画布，对应 8 位坐标范围
- 左键拖拽绘制，实时画线；松开记录坐标
- Y 轴自动翻转 (255-y) 适配示波器坐标系
- 自动抽稀：删除每第 2 个点，减少点数提高刷新率
- 输出
NUM_POINTS、x_points[]、y_points[]C 数组定义
内存限制与 PROGMEM 优化
Uno/Nano SRAM 仅 2KB，byte 数组每点 2 字节，约 400 点即耗尽。社区贡献的 PROGMEM 方案可存 15,000+ 点：
const int NUM_POINTS = ...;
const byte x_points[NUM_POINTS] PROGMEM = {...};
const byte y_points[NUM_POINTS] PROGMEM = {...};
void loop() {
for (int t=0; t> 2;
delayMicroseconds(FIGURE_DELAY);
}
}
STM32 Blue/Black Pill (20KB+ RAM) 可直接存数千点，无需 PROGMEM。
示波器设置
- 通道耦合：DC
- 时基：XY 模式（关闭扫描）
- 电压档：根据 DAC 输出幅度调整（通常 0-5V 对应 1V/div）
- 触发：自动/单次均可，XY 模式下触发无关
- 调节水平/垂直位置使图形居中
进阶玩法与扩展
- 多图形切换：Flash 存储多组坐标数组，按键/串口切换
- 动画循环：在数组间插值生成过渡帧，实现线条动画
- 文字/字体渲染：将字模点阵转为矢量笔画坐标
- 音频可视化：ADC 采样音频 → FFT → 极坐标/柱状图坐标 → 实时输出
- 激光扫描显示：DAC 输出接振镜/电磁偏转激光，实现激光投影
- 高速 PWM + 低通滤波替代 R-2R：引脚数从 14 降至 2，但分辨率受限于 PWM 频率与滤波器
常见问题排查
| 现象 | 原因 | 对策 |
|---|---|---|
| 图形抖动/撕裂 | 刷新率过低/点数过多 | 减少点数、调大 FIGURE_DELAY、使用 PROGMEM |
| 图形变形/压扁 | X/Y 幅度不匹配/示波器档位不对 | 调整示波器 V/div 使 X/Y 比例一致；代码端可乘系数补偿 |
| 只显示点不成线 | 示波器未进 XY 模式/时基未关 | 确认进入 XY 模式，时基旋钮通常需按下或菜单切换 |
| 编译报错内存不足 | 数组过大超出 SRAM | 改用 PROGMEM 或减少 NUM_POINTS |
| Y 轴只有 1/4 幅度 | 未右移 2 位 (6 位映射到 8 位寄存器) | 确认 PORTB = y_points[t] >> 2 |
总结
本项目以「R-2R DAC + 端口并行输出 + 示波器 XY 模式」为核心，用最少元件实现了矢量图形发生器。Python 工具降低了坐标获取门槛，PROGMEM 技巧突破了 AVR 内存瓶颈。该方案可作为示波器时钟、矢量游戏机、音频可视化、激光扫描等项目的基础。建议初学者先在面包板搭建单路 8 位 DAC 验证原理，再扩展双路；进阶者可移植至 STM32/ESP32 获得更高分辨率与帧率。
制造工艺