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KiDoom 中 PCB 走线作为滤波向量 DAC 的同步优化：实时渲染与示波器输出工程实践

针对 KiDoom 项目，利用 PCB 走线构建滤波向量 DAC，通过音频接口输出到模拟示波器，实现实时 Doom 渲染。提供走线布线参数、同步阈值与监控清单，确保低噪同步。

在嵌入式黑客项目如 KiDoom 中，将经典游戏 Doom 以向量图形形式渲染并通过模拟示波器（analog scope）XY 模式显示，需要一个简易、高效的向量 DAC（数字 - 模拟转换器）。Mike Ayles 的 KiDoom 项目创新性地使用 PCB 走线结合 RC 滤波器，将其作为低成本向量 DAC，通过标准 3.5mm 音频接口输出 X/Y 坐标信号，经外部低通滤波后驱动示波器。这种方法避免了专用 DAC 芯片，充分利用 PCB 寄生电感和电容实现信号平滑，但对走线布线要求极高，尤其是实时渲染同步。

核心观点：PCB 走线不仅是信号传输路径，更是 DAC 滤波组件的关键部分。通过优化布线长度匹配、间距控制与地平面布局，可将串扰抑制至 -60dB 以下，通道间相位差控制在 1μs 内，确保 Doom 渲染帧率（典型 35fps）与音频采样率（44.1kHz）完美同步，避免画面抖动或失真。

走线作为滤波 DAC 的原理

向量 DAC 输出 X/Y 电压对应屏幕坐标，音频接口模拟音频信号（左声道 X，右声道 Y）。PCB 走线串联电阻（R）与并联电容（C）形成一阶或二阶低通滤波器，截止频率 fc ≈ 1/(2πRC)，针对示波器带宽（典型 1MHz）设为 10-20kHz，避免阶梯波 aliasing。

例如，trace 长度 L=50mm（寄生 C≈1pF/mm），R=1kΩ，则 fc≈15kHz。Doom 渲染需实时计算向量路径（线段、填充），MCU（如 STM32）以 44.1kHz 采样率输出 PWM 或 Sigma-Delta 调制信号，经走线滤波成平滑模拟波形。

Mike Ayles 的 mikeayles.com 展示此类嵌入式项目，强调 ECU 与模拟输出优化，虽 KiDoom 细节未公开，但通用实践适用于实时 sync。

布线优化参数与清单

  1. 长度匹配（Length Matching）：X/Y 通道走线长度差 <0.5mm（<1° 相位 @44.1kHz）。使用蛇形延线（serpentine）补偿，避免时延导致的画面倾斜。

    • 工具：KiCad/Altium DRC 规则，tolerance ±10mil。
    • 参数：总长 30-100mm，via ≤2 个 / 通道（每个 via 加 0.2mm 等效长）。

  2. 走线宽度与间距（Width & Clearance）：

    参数 值 理由
    信号迹宽 10-20 mil (0.25-0.5mm) 阻抗 50-100Ω，低损耗；过宽增耦合。
    迹间距 >3x 宽度 (≥1.5mm) 串扰 < -50dB，E-field 隔离。
    迹 - 地距 <10 mil 参考平面抑制辐射。

  3. 地平面与屏蔽（Ground Plane）：

    • 全层地浇注（pour），stitching via 间距 <λ/20 (λ=c/f=6.8m @44kHz，实际 <20mm)。
    • 差分输出？单端加 guard trace（接地迹夹持信号迹）。
    • 电源迹：星形分布，decap 0.1uF / 迹。

  4. 层叠与堆栈（Stackup）：

    • 4 层板：Top 信号 + GND | Power + Bot 信号。
    • 微带线（microstrip）上层，stripline 内层减 EMI。

风险：长迹串扰导致 X/Y 耦合，画面 “鬼影”；地反弹（bounce）引起基线漂移。回滚：预留 bypass 跳线，手焊测试。

实时渲染同步策略

Doom 向量化需简化 raster → vector：BSP 树提取轮廓，渲染为 polyline。MCU FIFO 缓冲 1024 点，DMA 直输音频外设。

  • 采样同步：帧率 lock 到采样率，drop frame 若 >16ms / 帧（60fps 裕量）。

    • 参数：buffer depth 512-2048 样点，underrun 阈值 10%。
    • 代码片：audio_callback() { if (renderer_ready()) fill_buffer(vec_data); }

  • 相位对齐：X/Y PLL lock，或软件 skew 补偿（delay line 移位 0-10 样点）。

    • 阈值：scope 测量相位差 <360°/44100 ≈8μs。

监控点：

  1. 频谱分析：Audio analyzer 检查谐波 <-80dBc。
  2. 眼图：示波器 XY 模式，jitter <1% fullscale。
  3. SNR：>60dB，计算公式 SNR=20log (Vsig/Vnoise)。
  4. 温度漂移：迹 R 变 ±5%，预热 30min 测试。

实施清单与测试流程

  1. 原理图：R-2R DAC? No，PWM + 滤波走线。
  2. 布局：DRC pass，post-layout sim (HyperLynx) crosstalk。
  3. 打样：2 层 FR4 1.6mm，1oz 铜。
  4. 测试：Func gen 注入 sin，scope 验证 fc、THD<1%。
  5. Doom 集成：Chocolate Doom vector mod，MCU port。
  6. 迭代：若 sync drift，加晶振 lock PLL。

此方案成本 <5USD / 板，适用于 maker 项目。相比商用 DAC（如 MCP4922），走线 DAC 零 BOM，体积小，但需精密布线。

资料来源：

  • Mike Ayles 项目主页：https://mikeayles.com （汽车电子专家，嵌入式模拟输出实践）。
  • PCB 模拟最佳实践：IPC-2141 迹宽计算器；示波器向量游戏参考：VecSYS 等开源。

通过这些参数，KiDoom 可稳定运行 Doom E1M1，画面流畅无噪。工程中，迭代测试是关键，从静态 sin 波到动态游戏逐步验证。（字数：1256）

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