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このプロジェクトについて

R-2R DAC

デジタル-アナログコンバータの最も単純な実装の1つは、R-2RラダーDACを設計することで実現できます。このタイプのDACは、動作するのに抵抗だけが必要であり、非常に初心者に優しいDACです。

このタイプのDACの基本原理は、抵抗に2つの値が必要なだけであるということです。 Rと2R。次に、下の図に示すようにそれらを設定できます。

回路図でRが出現するたびに同じ値である限り、Rは何でもかまいません。

たとえば、R =1kを選択した場合、2Rは2倍の量になります。この場合、2R =2kです。したがって、1kと2kの抵抗だけを使用できます。

R =3.3Kを使用した場合、2R =6.6kなどになります。すべてに同じ値の抵抗を使用したい場合、2Rを取得するには、2つの抵抗を直列に配置するだけで、コンポーネント数が増えます。

ビット数は、2Rの分岐の数によって決まります。このプロジェクトでは、ArduinoUnoまたはNanoに8ビットR-2Rと6ビットR-2Rを使用します。 STM32「ブルーピル」や「ブラックピル」など、少なくとも8ビットのフルポート操作をサポートしていることがわかっている別のマイクロコントローラーを使用している場合は、2つの8ビットDACを使用できます。

DAC ICに関する補足事項：

このプロジェクトはR-2RDACの使用に焦点を当てていますが、DACICを使用して同様のことを自由に実現できます。 DAC ICを使用する場合は、I2Cが遅すぎて詳細な画像を描画できないため、SPIなどの高速通信プロトコルをサポートするものを使用することをお勧めします。この投稿ではDACICの使用方法については説明しませんが、将来的には使用する可能性があります。 R-2R は、より詳細な画像を出力できるため、今でも私の好みの方法です。

ポート操作

マイクロコントローラのパラレルポート操作を使用します。これを行う理由は、出力速度が速くなり、コードが単純になるためです。 Arduinoのポートレジスタの詳細については、このリンクを参照してください。

Arduino UnoとNanoには、ATmega328pマイクロコントローラーが搭載されています。このマイクロコントローラーは、Atmega168と同じピンマッピングを共有しています：

ポートピンとビットは、ラベルPXNで示されます。ここで、Xはポート文字、Nはビット番号です。

例：PB1はポートBビット1用です。同様にPC5はポートCビット5用です。

ピンを調べると、マイクロコントローラーにポートB、C、およびDがあることがわかります。Arduinoリファレンスに戻ると、どのポートに書き込みまたは読み取り、あるいはその両方ができるかがわかります。私たちのアプリケーションでは、書き込みのみを考慮しています。

ドキュメントには、PORTDは読み取り/書き込み可能であり、デジタルピン0〜7にマップされていると記載されています。これにより、書き込み可能なポートの完全な8ビットが得られます。

次に、前述のようにデジタルピン8〜13にマッピングされたPORTBがあります。完全な8ビットを完了する6＆7にはアクセスできないという追加のステートメントが作成されます。このポートは、6ビットの書き込みにのみ使用できます。

同じことがPORTCにも当てはまります。アナログピン0〜5にマッピングされますが、2つのピンも予約されており、書き込みに6ビットしか使用できません。

これらの制限があるため、PORTDには8ビットDACを、PORTCまたはPORTBには6ビットDACを組み合わせて使用​​する必要があります。

PORTDとPORTBを使用し、DACのピンへの配線を開始できるようになります。

組み立て方法について視覚的な補助が必要な場合は、これが私がブレッドボードに両方のR-2Rを組み立てた方法です。 STM32「ブラックピル」でテストしていたので、2つのR-2Rを使用したことに注意してください。オシロスコープのプローブをそれに接続できるように、2本のジャンパー線を突き出して配置しました。また、側面のアース線も接続しました。私はすべての10k抵抗を使用したので、2Rには2つの10k抵抗を直列に配置しました。

これは、Tinkercadを使用したよりクリーンなブレッドボードのセットアップです。出力にXとYのマークを付けました。これは、オシロスコープのプローブが接続されるものになるためです。セットアップについてさらにガイダンスが必要な場合は、同じ抵抗値を持つすべてのR-2Rラダーと、2つの値を持つ別のラダーで構成されるR-2Rラダーを示す回路図を提供します。

必ず根拠を確認してください！このセットアップを組み立てるたびに、私は忘れがちです。また、接続のないギャップが残っていないことを再確認してください。

ArduinoCode

今度はArduinoスケッチの時間です。

まず、ポートを出力に設定する必要があります。ポート操作に関するArduinoリファレンスから。ポートの設定方法を確認できます：

基本的に、ビットの値が1の場合は出力として設定され、値が0の場合は入力として設定されます。 PORTDの場合、すべてのビットにアクセスできるため、直接書き込むことができます。 PORTBの場合、ビット6と7はクリスタルにマッピングされるため、使用できないことに注意してください。設定されないビットの変更を避けるために、値が0のビットごとのORを使用することをお勧めします。

セットアップループでは、これはコードになります：

コードはダウンロード用に添付されるので、手で入力する必要はありません。

構成の下のforループは、6ビットポートの値を再マップするだけです。これらの値は、8ビット範囲の値を持つリストからのものになります。 6ビットに再マッピングするには、最大値は2 ^ 6-1（63）になります。0から2 ^ 8-1（255）の範囲にマッピングしています。Arduinoコードで再マッピングする理由は、ハンドプロッタツールは、xポイントとyポイントを8ビットで出力します。どちらのコードでも変更できますが、使用するマイクロコントローラーで変更することをお勧めします。

基本的に、オシロスコープによっては多少の遅延が必要です。私の場合は1で問題ないことがわかりました。実際、遅延を完全に省略しても問題ありません。ポイントの場合、ハンドプロッターツールによって自動的に生成されるため、数値をコピーして貼り付けることができますが、基本的には、反復変数がポイントを通過できるように、プロットするポイントの数です。とにかく、ここに完全なコードがあります：

x_points配列とy_points配列は、何かを描画するたびに異なり、ツールを使用して自動的に生成されます。

高速PWMに関する補足事項：

マイクロコントローラーの上級ユーザーであれば、速度が気になる場合は おそらく同じことは、高速PWMとクロックレジスタの変更によって達成できます。次に、PWM出力をローパスフィルターに供給して、ピン数を減らすアナログ電圧を取得します。私は両方の方法を試しましたが、これでもより詳細な画像のサポートが向上します。少なくともArduinoUnoでは

描画ツール

このツールは、tkinterを使用してPython3で作成しました。 tkinterがインストールされていない場合は、pipを使用してインストールしてください。

  pip install tk  

コードは添付されるだけですが、基本的にはカーソルがクリックされたウィンドウの座標を記録します。解像度が変わるため、ウィンドウのサイズを変更しないでください。より正確にしたい場合は、Windowsの虫眼鏡ツールを使用してください。これらはビット範囲の最大値になるため、ウィンドウは255x255に基づいています。もちろん、Arduino UNOを使用している場合は、次元の1つが6ビットにマップされます。

ツールを呼び出すには、この形式を使用するだけです

  python drawlog.py> arduino_list.txt  

これにより、arduino_list.txtという名前の.txtファイルが作成され、x_points、y_points、およびNUM_POINTSのArduinoリストが生成され、コードにコピーして貼り付ける準備が整います。

例として、これは、開いたときに.txtファイルがどのように表示されるかを示しています。コード内のこれらの行を置き換える必要があります。

開封後の様子です。そこから何でも描くことができます。

私はそれをテストするために次の絵を描きました。コードはウィンドウを閉じると生成されます。

そして、Arduinoにコードをアップロードした後、これはX-Yモードでのように見えました。

重要：

メモリについて話しているコンパイルエラーが発生した場合、これはArduinoUNOで使用可能なメモリが少ないことが原因です。つまり、詳細度の低い画像を描画する必要があります。最大ポイントは400点くらいだったと思いますが、それ以上かもしれません。 STM32「ブルーピル」または「ブラックピル」を使用する場合、この数は4,000以上になります。

オシロスコープのX-Yモード

オシロスコープはx-yモードに設定する必要があります。 8ビットのR-2RDAC出力（PORTD）はチャンネル1に接続され、6ビットのR-2R DAC（PORTB）はチャンネル2に接続されます。そこから画像が表示されるまでノブで調整できます。

それでおしまい！ご不明な点がございましたら、お気軽にお問い合わせください。さらに、青いピルまたは黒いピルで試してみたい場合は、サンプルコードを含むGitHubページへのリンクをご覧ください

これが私がプロットしたいくつかの画像です。

お気軽に共有してください!!!

編集：

メモリ管理の重要な詳細

ティムがコメントで述べたように

• Arduinoコードでは、ポイントtのイテレータは「バイト」タイプであるため、最大255ポイントしかサポートしません。 「int」にしてみませんか？
• プロッタコードは、x_pointsとy_pointsに対して「constunsigned long」を出力します。これは、後でyポイントを変更するときに機能しません。また、メモリを節約するために「バイト」を使用しないのはなぜですか？

使用しているハードウェアの制限に注意してください。 Arduino Unoの場合はバイトを使用することをお勧めしますが、STM32またはESP32を使用している場合は、プロットできるポイントが増えます。フィードバックをありがとうございました。

ティムスター ：

UNOでサポートされるポイントの数を大幅に増やす方法を見つけました。それらをプログラムのストレージスペースに移動します。これは、 PROGMEM を使用して行うことができます 修飾子。このようにして、約15,000ポイントを保存できます！

したがって、次のように配列を宣言します。

  const int NUM_POINTS =... 
 const byte x_points [NUM_POINTS] PROGMEM ={... 
 const byte y_points [NUM_POINTS] PROGMEM ={...  

セットアップ関数でy_pointsを変更しないでください（つまり、 for を削除します そこでループします）。代わりに、ループ機能でビットシフトを実行してください。

プログラムメモリ（pgm_read_byte_near）からデータを読み取るための特別なコマンドも必要です。したがって、 void loop（）のforループ 次のようになります：

  for（int t =0; t  {
 PORTD =pgm_read_byte_near（x_points + t）; 
 PORTB =pgm_read_byte_near（ y_points + t）>> 2; 
 delayMicroseconds（FIGURE_DELAY）; 
}  

次に、1つの高解像度画像または複数の小さい画像を保存し、それらの間を循環することができます😃

コード

• Arduinoコード
• プロットツール

Arduinoコード Arduino

 constバイトFIGURE_DELAY =1; // uSで遅延をトレースします。必要に応じて調整constint NUM_POINTS =87; //図のXYポイントの数//バイトをプロットするためのxおよびy座標x_points [NUM_POINTS] ={106,106,105,104,103,102,101,100,99,98,97,96,95,94,93,92,91 、90,90,89,88,87,87,87,86,86,86,86,87,89,90,91,93,95,97,99,101,102,102,104,104,105,105,106,106,106,106,106,106,108,109,110,112,113,115,117,119,121,122,123,123,124,124,124,124,124,123,122,121,120,119,118,117,116,115,114,113,112,111,110,110,109,109,109,108,107,107};バイトy_points [NUM_POINTS] ={78,80 、81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,98,99,100,101,103,105,106,108,110,112,113,113,114,115,115,115,115,115,115,114,112,112,110,109,107,106,106,108,110,112,114,114,115,116,116,117,117,117,117,117,116,115,113,112,110,108,106,104,103,102,100,99,98,97,96,95,94,93 、92,91,90,89,87,86,84,82,81,80,78}; void setup（）{// DDRDを書き込むためにポートDとBを初期化=B11111111; DDRB =B00111111;バイトt; for（t =0; t  
プロットツール Python  
 ポイントをプロットするための描画ツール
 import tkinter as tkX =[] Y =[] lastx、lasty =0、0＃xy and addLineはグラフィカルな目的のみです＃on_move_pressは、リストに1つを記録するツールです。 Ydef xy（event）を修正：＃マウスがクリックされたときの座標をログに記録するglobal lastx、lasty lastx、lasty =event.x、event.ydef addLine（event）：＃古いポイントから新しいポイントに線を引くglobal lastx、lasty canvas.create_line （（lastx、lasty、event.x、event.y））＃これにより、描画の新しい開始点が作成されますlastx、lasty =event.x、event.y＃listdefのクリックされた座標をログに記録しますon_move_press（event）：curX、curY =（event.x、event.y）curY =255-curY＃tkinterは異なる座標を使用するためX.append（str（curX））Y.append（str（curY））＃windowroot =tk.Tk（ ）root.geometry（ "255x255"）root.columnconfigure（0、weight =1）root.rowconfigure（0、weight =1）canvas =tk.Canvas（root）canvas.grid（column =0、row =0、sticky =（tk.N、tk.W、tk.E、tk.S））＃バインド左クリックしてfuにドラッグnctionsおよびstartloopcanvas.bind（ ""、xy）canvas.bind（ ""、addLine）root.bind（ ""、on_move_press）root.mainloop（） ＃2つおきのエントリを削除して、ポイントを減らし、範囲内のiのトレースrefreshfor iを増やします（1、int（len（X）/ 2））：X.pop（i）Y.pop（i）print（ "const int NUM_POINTS =％s; "％str（len（X）））print（" const unsigned long x_points [NUM_POINTS] ={％s}; "％ '、' .join（X））print（" const unsigned long y_points [NUM_POINTS] ={ ％s}; "％ '、' .join（Y））＃call python drawlog.py> arduino_list.txt 
 

回路図