Мини-осциллограф: сигнал АЦП в реальном времени

Самописец из урока про график датчика берёт пробу раз в секунду и честно рассказывает про ночную температуру, но всё, что быстрее пары десятков миллисекунд, он пропускает без следа: выборка о событии просто не узнаёт. А смотреть хочется именно быстрое — фронт ручки потенциометра, пульсации питания, дребезг кнопки, который фильтр прячет, а я хочу видеть своими глазами. Компьютерный вариант — Serial Plotter — не живёт без провода, и переносить его к макетке каждый раз надоедает.

Здесь собираю мини-осциллограф на том же OLED: буфер на 64 отсчёта, развёртка от потенциометра, упрощённый триггер по порогу. Это не прибор для ремонта материнских плат — потолок у АЦП Uno порядка десяти тысяч отсчётов в секунду, и о мегагерцах речи нет. Но для сигналов в диапазоне от единиц миллисекунд до секунд — а это весь человеческий масштаб кнопок и ручек — окно в 64 точки показывает ровно то, что нужно. Дискретизации и здесь хватает: ручка потенциометра не меняется быстрее пальца, а кнопка не дребезжит быстрее контакта.

Два честных отличия от самописца заранее. Первое: здесь выборка идёт быстрее кадра, поэтому буфер пишется независимо от экрана. Второе: без триггера картинка плывёт — каждый кадр начинается с произвольной фазы сигнала; лечится это взводом по фронту через порог, и упрощённую версию триггера мы поставим в трёх состояниях. Компоненты урока ручка-в-ручку повторяют задачу: сигнал и развёртка на двух потенциометрах, кнопка для взвода — на плате к ним добавится только сам дисплей на I2C.

Один analogRead на Uno занимает порядка ста микросекунд: десять бит, тринадцать тактов АЦП плюс накладные расходы на вызов. Потолок — около 9-10 тысяч отсчётов в секунду, и это потолок не кода, а железа. Откуда берутся 0-1023 и почему вход нельзя оставлять висеть в воздухе — база из урока про analogRead; здесь та же функция, просто нас интересует не величина, а её скорость.

Геометрия экрана знакома по самописцу: 64 точки с шагом 2 пикселя закрывают всю ширину, высота — map(v, 0, 1023, 62, 2), линии между соседями — drawLine. Новое — темп: буфер 64 int занимает 128 байт, и именно шаг между выборками, развёртка, решает, что попадёт в окно. Окно — это 64, умноженные на шаг: при миллисекунде на точку — 64 мс, при тридцати — почти две секунды. Развёртку я вешаю на вторую ручку: map(analogRead(A1), 0, 1023, 1, 30) — сигнал идёт с A0, темп съёмки крутится рукой.

Цена кадра никуда не делась: 1024 байта — около 92 мс по I2C на 100 кГц, и обновление экрана раз в 150-200 мс занимает больше половины шины — замер кадра и границы темпа я разбирал отдельно. Поэтому сборка кадра и выборка независимы: буфер тикает по своим миллисекундам, экран — по своим, и рисование никогда не задерживает съёмку.

Память на Uno напоминает о себе сразу: 128 байт под буфер против 1024 байт, которые уже съел буфер дисплея, — из 2 КБ ОЗУ свободным остаётся меньше половины ещё до первого Serial.println. Буфер из int я оставил для универсальности: если сигнал гарантированно в 0-255, переход на byte высвобождает 64 байта — маловато для честного осциллографа, но достаточно для второго канала, если он понадобится.

У любого окна есть слепая зона, и о ней предупреждаю заранее: событие короче двух шагов развёртки прибор не покажет вовсе — точка либо попадает на него, либо нет. Это упрощённый Найквист: чтобы различить фронт, нужно минимум две точки на него. Развёртка 1 мс на точку различает события в единицы миллисекунд; писк на 20 кГц с периодом 50 мкс — уже нет, и никакой код это не починит, потому что каждый отсчёт сам стоит сто микросекунд. Потолок прибора держите в голове до того, как пойдёте искать на нём тональный сигнал телефона.

Второй честный нюанс — шум младшего разряда. АЦП плавает на одну-две единицы даже с заземлённым входом, и на следе из 64 точек это заметное дрожание линии. Усреднение лечит дрожь, но убивает фронты: бегущее среднее по четырём точкам смазывает дребезг, ради которого всё затевалось. Мой компромисс — рисовать сырое, а усреднять только цифру в шапке, если она вообще нужна: смотреть глазами и фильтровать головой — разные задачи, и прибор должен уметь обе.

Самое наглядное применение — увидеть то, что фильтры прячут. Подключите кнопку между A0 и GND, включите pinMode(A0, INPUT_PULLUP): свободный вход читается как 1023, нажатие валит его к нулю. На развёртке в 1 мс на точку фронт нажатия разложится на две-десять точек болтанки — это и есть дребезг, из-за которого один тап считается как три. Механику и лечение я разбирал в уроке про дребезг; здесь вы впервые увидите врага вживую, и после этого конденсатор 100 нФ или программная задержка перестанут быть магией. Тот же фокус покажет и реле: контакт реле с искрением болтает вход так, что ваша подтяжка выглядит спасением.

В симуляторе та же логика живёт в текстовой сетке: след из звёздочек по восьми строкам, прочерки — уровень порога, точки — база. Кнопка D2 взводит триггер, ручка A0 — сигнал, ручка A1 — темп съёмки; после фронта через середину движок набирает 64 точки и замирает в стоп-кадре. Фильтровать, усреднять и строить красоту поверх этих чисел вы уже умеете — двойная буферизация кадра тут не меняется ни на байт.

Одна оговорка про честность симулятора: контакт он не изображает, поэтому дребезга в нём не будет — ручка крутится плавно и врёт только со скоростью вашей руки. Зато буфер, развёртка, триггер и стоп-кадр в симе и на плате — один и тот же код без правок: машина состояний переносится как есть, меняется только способ рисования.

Домашнее задание: на плате посадите кнопку на A0 с INPUT_PULLUP, выкрутите развёртку в 1 мс и снимите её фронт в стоп-кадре; посчитайте точки болтанки — это и есть ваш личный дрейф дребезга. Второй опыт — медленно поверните ручку сигнала и посмотрите, как след из 64 точек заполняется слева направо после триггера.

Если захочется второго канала, буфер делится пополам — 32 точки на сигнал с шагом 4 пикселя, как прикидывали в уроке про самописец; развёртка при этом общая, а кнопка станет выбором канала. И финальное наблюдение из практики: после недели с этим прибором я стал писать кнопочные фильтры спокойнее — когда болтанку контакта видел глазами, пороги гистерезиса подбираются с первого раза, а не с пятого.

Границу прибора держите в голове: мегагерцы и отрицательные напряжения — это настоящий осциллограф за другие деньги. А наш формат — глаз для человеческого масштаба. Дальше вернёмся к тому, что экран делает красивым: анимации загрузки, спиннер и пасхалки для тех случаев, когда прибор должен не только считать, но и подмигивать.