我们要观察的世界，主要还是连续量的模拟世界，一般都是采用ADC对被观测的模拟电压进行量化后，通过数字的方式进行处理。现在越来越多的单片机（也叫微控制器）都内置了ADC，但仍然还有不少单片机没有模拟信号的输入端口，或者它的模拟端口被其它更重要的信号占用，留给我们能用的就是数字的输入管脚。还有就是FPGA，一般都不带ADC，如何在没有外部ADC的情况下对一些模拟量进行测量呢？

我们最容易想到的就是通过电压 - 频率变化的方式来测量频率的变化，进而推算出外部电压的值，测频和计算都可以在数字域进行，单片机或FPGA都可以轻松搞定。

那如果同时用一根数字线，测量两个模拟参量的变化该如何实现呢？

比如“硬禾学堂2022寒假在家一起练”的游戏机平台上有一个用两个电位计构成的游戏摇杆：

硬禾2022寒假在家一起练的游戏机平台

摇杆内部本质上是两个电位计，X、Y方向各一个，按动摇杆，会改变这两个电位计的位置，从而改变中间抽头的分压值。

游戏摇杆的内部结构及等效电路

这个平台使用了RP2040的两个模拟电压输入管脚来对电位计的变化引起的电压值进行ADC转换，再通过程序判断摇杆的方向。那我们可以设想一下，如何在没有ADC的微处理器上或FPGA上使用这个游戏摇杆？

我们可以逆向使用PWM波形，因为它有两个典型的参量 - 频率和占空比。如果设计一个PWM波形发生电路，能够用两个电位计分别调节PWM的频率和占空比，将这个PWM波形通过数字输入端口送到微处理器或FPGA，就可以通过闸门计数的方式来监测PWM的两个参量，推算出两个电位计的值，进而判断出电位计的变动方向。

参考Elektor网站上的一篇文章：How to Connect 2 Potentiometers to 1 Digital Input，我设计了如下一个测试板，使用了一颗内部带有四个运算放大器的芯片，经典的LM324，再搭配几个电阻和电容:

原理图如下，图中的VR1（型号FJ08K）就是游戏摇杆。图中的U1D和U1A两个运算放大器构成了一个可变频率的三角波发生器，频率可由VR1的X轴的电阻来调节；U1B用作比较器，将三角波的电信号同可变的直流电压进行比较，直流电压的变化用VR1的Y轴来调节，这样就可以在U1B的第7个管脚，也就是整个电路的输出端得到占空比和频率都可以改变的PWM波形。

工作原理如下图：

用KiCad6设计的PCB板图：

测试效果：

使用ADALM2000口袋仪器，给板子提供5V的电源，再通过示波器端口采集PWM_Out的输出信号，可以看到滑动摇杆，屏幕上的波形的频率和占空比都会发生变化。

对这个波形的测量和进一步的应用在后面的项目中再发布。