在嵌入式系统领域，驱动模拟指针式仪表通常被认为需要专用 DAC 芯片或复杂模拟电路。但 lcamtuf 的电压表时钟项目提供了另一种思路：利用数字脉冲序列的占空比控制，配合表头的机械惯性实现无 DAC 的精密指针定位。这一方案的核心在于 PWM 周期与时间基准的精确同步，以及在无任何反馈的情况下保证指针的线性运动。
1 驱动架构：为什么不需要 DAC
模拟电压表的指针偏转角度与施加电压成正比。如果直接输出 0–5 V 模拟电压，需要 DAC 或数字电位器。但这里采用的方案是：在数百 kHz 的高频下输出恒定幅度的矩形波（0 V 或 5 V），通过调节占空比使表头看到的等效平均电压恰好对应目标指针位置。由于机械惯性远低于 PWM 频率，表针对高频脉冲进行积分，平稳停在占空比决定的中间位置。
lcamtuf 选用了 AVR128DA28 作为主控芯片。这颗 MCU 具备丰富 Timer TCA 资源，且引脚 slew rate 可调，能在输出高质量 PWM 的同时降低 EMI。电路极为简洁：8 MHz 外部晶体（ECS-80-18-4X-CKM）提供精确时钟基准，PD6 和 PD7 两个按键用于时间校准，无需任何显示屏。所有信号通过 PC0、PC1、PC2 三根引脚直接驱动三块电压表。
2 PWM 同步计数器的实现细节
代码中的 PWM 实现采用 600 步同步计数器方案。在主循环中，duty_ctr 从 0 递增到 599，形成周期为 600 的 PWM 波形。三个电压表的占空比在 adj_secx10、adj_minx10、adj_hrx10 三个变量中维护，每当 duty_ctr 归零时重新计算。这意味着 PWM 频率约为 8 MHz / 600 ≈ 13.3 kHz，远高于表头的机械响应带宽（通常在 10–50 Hz）。
时间基准由 Timer TCA0 的溢出中断提供，中断频率精确设定为 10 Hz（每秒 10 次）。预分频器设为 /256，PER 寄存器设为 3125，计算得 8 MHz / 256 / 3125 = 10 Hz。每次中断中，cur_secx10 自增（范围 0–599），达到 600 时归零并进位到分钟和小时。这一机制确保了时间计数与 PWM 占空比更新始终保持同步关系。
3 占空比计算：连续运动的关键
为了让指针在任意时刻平滑移动而非跳跃，代码采用了一种巧妙的数学映射。分钟表有 61 格（00–60），占空比范围 0–600（每格 10 步）。计算公式为：adj_minx10 = cur_min * 10 + cur_secx10 / 60，即在两个整分刻度之间按秒数均匀插入中间位置。例如，30 分 36 秒时，cur_min = 30，cur_secx10 = 360，cur_secx10 / 60 = 6，结果为 306，对应指针精确指向 30 分 36 秒的位置。
小时表的设计更为精妙。刻度盘印有 13 格（0–12），小时进位时指针应平滑爬向下一个刻度。代码将小时分为 12 大格，每格 50 步：adj_hrx10 = cur_hr * 50 + adj_minx10 / 12。分钟每走 12 秒（约 2 格），小时指针才移动 1 格。在 11:59 时，小时占空比接近 12 小时的位置而不超出表盘范围，实现了流畅的连续运动而非机械跳针。
秒表则直接使用 cur_secx10 的原始值，范围 0–599，与 PWM 周期完美对齐。
4 精度保障：晶体校准与软件补偿
该设计的精度完全取决于晶体频率与软件定时器的准确度。8 MHz 外部晶体相比内部 RC 振荡器（精度 ±3% 或更差）大幅提升了稳定性。对于需要更高精度的场景，可以替换为 32.768 kHz 晶体（常用 RTC 晶振），代码逻辑无需改变，仅需调整预分频参数。
lcamtuf 在代码注释中提到可以在占空比计算中加入校准因子（fudge factors）以补偿电压表的非线性。不同批次的 65C5 表头在相同占空比下可能有微小指针偏差，通过查表或线性系数调整即可修正。这种校准在无反馈的开环系统中是必要的工程权衡。
5 按钮去抖与时间设置逻辑
时间设置通过两个按钮完成，均配置内部上拉电阻（PORTD.PIN6CTRL = 0b00001000）。代码在 PWM 周期归零时检测按键状态，仅在首次按下时触发动作，避免重复递增。Key 0（PD6）推进分钟同时清零秒，确保秒针归位；Key 1（PD7）单独推进小时，不影响其他指针。这一设计允许用户独立校准三个表盘而无需记忆复杂操作顺序。
按键去抖通过 10 Hz 中断与主循环的协同完成，而非依赖延时函数，确保时间计数不被阻塞。代码中使用 key_last 标志位实现边沿检测，忽略持续按压状态。
6 机械工程：定制表盘与无缝外壳
指针精度不仅取决于电子驱动，还依赖于表盘刻度的物理布局。lcamtuf 使用 3D 软件绘制表盘模板，打印到自粘纸后替换原厂刻度。小时表 13 格（0–12 加 12 之后紧接 0）确保连续运动时有足够刻度容纳指针；分钟和秒表 61 格覆盖完整 60 分钟或 60 秒循环。
外壳采用 CNC 铣削正面与背面，弯曲侧壁通过在木板上切割内部缺口实现无需蒸汽弯曲的柔化处理。胶合时使用纸板模板保证精确对齐，最终表面涂硝基漆获得一致的质感。
7 参数汇总与工程建议
实现该方案的关键参数如下：
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| MCU | AVR128DA28 | 3 组 TCA，充足定时器资源 |
| 晶体 | 8 MHz 或 32.768 kHz | 外部晶体，精度 ±50 ppm |
| PWM 频率 | ~13.3 kHz | 8 MHz / 600 步 |
| PWM 分辨率 | 600 步 | 覆盖秒 / 分钟 / 小时全范围 |
| 时间更新频率 | 10 Hz | Timer TCA0 溢出中断 |
| 驱动方式 | 数字脉冲占空比 | 无需 DAC 或运放 |
| 表头数量 | 3 | 小时 / 分钟 / 秒各一 |
该方案的核心价值在于：以极简硬件实现高精度控制，依赖晶体稳定性和软件算法的协同。对于需要更高分辨率的场景，可在占空比计算中引入分数插值或增加 PWM 步数（如 1200 步）。对于移动端或电池供电场景，AVR 的低功耗特性（Active 电流 < 1 mA）也提供了不错的能效比。
资料来源：A nicer voltmeter clock - lcamtuf's substack，代码与表盘模板托管于 lcamtuf.coredump.cx。
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