DIY 迷你示波器：基于 Arduino Nano 与 OLED 显示屏的逐步教程

项目简介

本教程展示如何利用 Arduino Nano、0.96" SSD1306 OLED 屏幕和少量离散元件，自制一款袖珍数字示波器。虽然带宽和采样率有限，但足以观测音频信号、PWM 波形、传感器输出等低频信号，是极佳的电子入门实践项目。

核心组件清单

• Arduino Nano R3 × 1
• 0.96" SSD1306 OLED (128×64, I2C) × 1
• 1N4148 快速二极管 × 4（输入保护/钳位）
• 轻触开关 × 9（功能键：范围、时间基准、触发、暂停等）
• 电阻：100Ω、12kΩ、120kΩ、510kΩ（分压探头）
• 电容：104 (0.1µF) 陶瓷电容
• 面包板/万用板、跳线、USB 数据线

原理图与接线

参考项目附件原理图（schematics 文件夹）。关键点：

• 信号输入经分压网络（12k/120k/510k 组合）和二极管钳位至 A0，量程可切换 ±0.2V~±50V。
• OLED 接 I2C（A4=SDA, A5=SCL），复位脚悬空（-1）。
• 9 个按键分别接 D2~D10（D2 为外部中断 INT0，用于触发同步）。
• D13 控制板载 LED 指示采样状态。

固件功能特性

• 10 档垂直量程：Auto 5V / Auto 50V / 50V / 20V / 10V / 5V / 2V / 1V / 0.5V / 0.2V
• 8 档水平时基：50ms~200µs/div（实时采样 200 点）
• 触发模式：上升/下降沿触发，自动/正常/单次（简易实现）
• 波形冻结：HOLD 键暂停刷新
• 参数保存：关机自动保存设置至 EEPROM
• 屏幕显示：网格、刻度、电压/时间标尺、平均电压、触发同步状态

代码架构解析

关键数据结构

#define REC_LENGTH 200   // 单次采样点数
int waveBuff[REC_LENGTH]; // 波形缓冲区
volatile int vRange, hRange, trigD, scopeP; // 量程/时基/触发/光标模式
volatile boolean hold, paraChanged;

主循环流程

1. setConditions()：按当前量程计算 ADC 阈值、分压系数。
2. readWave()：根据时基设置 ADC 预分频（ADCSRA）并精确 delayMicroseconds() 采样 200 点。
3. dataAnalize()：计算最值、平均值、自动量程边界、触发点搜索。
4. writeCommonImage() / plotData() / dispInf()：绘制网格、波形、标尺信息。
5. display.display()：刷新 OLED（约 37ms）。
6. saveEEPROM()：参数变更后延时写入。

采样率与时基对应表

高速档位通过降低 ADC 预分频并插入 asm("nop") 实现亚微秒级定时，但会牺牲 ADC 精度（有效位数下降）。

按键映射与操作

性能指标与局限

• 最大实时采样率：约 500 kSa/s（200 µs/div 档），带宽 < 50 kHz。
• 垂直分辨率：10-bit ADC（内部 1.1V 基准），配合分压网络实现多量程。
• 输入阻抗：约 600kΩ（1×），6MΩ（10×）。
• 无隔离，**严禁直接测量市电或高压信号**，需配合隔离探头。
• 单通道，无存储深度扩展，波形更新率受限于 OLED 刷新（~20 fps）。

固件下载与烧录

1. 安装库：Adafruit_GFX、Adafruit_SSD1306（库管理器搜索安装）。
2. 下载 _20190212_OLEDoscilloscope.ino，用 Arduino IDE 打开。
3. 选择 Arduino Nano、正确端口，上传。
4. 上电后显示启动画面，进入主界面即可使用。

参考资料与致谢

• 原版固件来源：RadioPench Blog
• 示波器原理：Wikipedia - Oscilloscope