Arduino частота шим: Увеличение частоты ШИМ Arduino

_________________________________________________________

Спасибо, что дочитали до конца! Если статья понравилась, нажмите, пожалуйста, соответствующую кнопку. Если интересна тематика электроники и различных электронных самоделок, подписывайтесь на канал. До встречи в новых статьях!

Другие публикации по теме:

• Как измерить частоту ШИМ с помощью Arduino UNO?

Шим на ардуино скетч

• Уроки
• Базовые уроки Arduino
• ШИМ сигнал

ШИМ сигнал

Очень часто в робототехнике возникает необходимость плавно управлять каким-то процессом, будь то яркость светодиода, мощность обогревателя или скорость вращения моторчика. Вполне очевидно, что управление напрямую связано с изменением напряжения на потребителе: и светодиод будет по-другому светить, и моторчик крутиться с другой скоростью. Но проблема в том, что управлять напряжением может только такая штука, как ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, а в нашем микроконтроллере встроенного ЦАПа нет, у нас есть только цифровой сигнал, т.е. либо вкл, либо выкл:

Можно ли добиться плавного управления цифровым сигналом? Оказывается можно! Представьте себе вентилятор, вращающийся на полной мощности, напряжение постоянно. Представим теперь, что секунду напряжение подаётся, и секунду – нет, и так продолжается “по кругу”. Вентилятор начнёт крутиться в два раза медленнее, но мы скорее всего будем замечать моменты включения и выключения, особенно если вентилятор маленький. Большой вентилятор более инертен и там можно даже не заметить изменений скорости в пределах двух секунд. Можно теперь включать напряжение на 0.5 секунды, а на остальные 1.5 секунды – выключать. Вентилятор будет крутиться со скоростью 25% от максимальной. Мы с вами смогли представить так называемый ШИМ сигнал, широтно-импульсную модуляцию

С лампочкой накаливания оно тоже будет работать, она ведь весьма инертна, но вот со светодиодом мы будем видеть, как он включается и выключается, потому что он практически не имеет задержки включения/выключения. Что же делать? Всё очень просто, поднять частоту. В мысленном эксперименте у нас был период 2 секунды, что есть 0.5 Гц. А теперь представьте себе такой сигнал с частотой скажем 1000 Гц. Или 25’000 Гц (25 кГц). Теперь роль играет инертность глаза, он не заметит вспышек на такой частоте, для него это будет просто уменьшение яркости. Задача решена!

Изменяя так называемое “заполнение” ШИМ сигнала можно менять “суммарное” напряжение (интегрированное) за некоторый период. Чем больше заполнение ШИМ, тем выше напряжение, но не выше напряжения, которое мы “ШИМим”:

При помощи ШИМ сигнала можно даже модулировать сложные аналоговые сигналы, например – синусоиду. На картинке ниже показан ШИМ (снизу) и этот же ШИМ после фильтров:

Вот таким образом кстати и работают инвертеры DC-AC. Возвращаясь к свойствам ШИМ сигнала, их всего два: частота (frequency) и заполнение (duty), с ними мы разобрались. Давайте перейдём к генерации ШИМ при помощи Arduino.

Arduino и ШИМ

В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика. Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”.

На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал. Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)

• pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой
• duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255

Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра.

Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:

Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.

Видео

• Уроки
• Базовые уроки Arduino
• ШИМ сигнал

ШИМ сигнал

Очень часто в робототехнике возникает необходимость плавно управлять каким-то процессом, будь то яркость светодиода, мощность обогревателя или скорость вращения моторчика. Вполне очевидно, что управление напрямую связано с изменением напряжения на потребителе: и светодиод будет по-другому светить, и моторчик крутиться с другой скоростью. Но проблема в том, что управлять напряжением может только такая штука, как ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, а в нашем микроконтроллере встроенного ЦАПа нет, у нас есть только цифровой сигнал, т.е. либо вкл, либо выкл:

Можно ли добиться плавного управления цифровым сигналом? Оказывается можно! Представьте себе вентилятор, вращающийся на полной мощности, напряжение постоянно. Представим теперь, что секунду напряжение подаётся, и секунду – нет, и так продолжается “по кругу”. Вентилятор начнёт крутиться в два раза медленнее, но мы скорее всего будем замечать моменты включения и выключения, особенно если вентилятор маленький. Большой вентилятор более инертен и там можно даже не заметить изменений скорости в пределах двух секунд. Можно теперь включать напряжение на 0.5 секунды, а на остальные 1.5 секунды – выключать. Вентилятор будет крутиться со скоростью 25% от максимальной. Мы с вами смогли представить так называемый ШИМ сигнал, широтно-импульсную модуляцию

С лампочкой накаливания оно тоже будет работать, она ведь весьма инертна, но вот со светодиодом мы будем видеть, как он включается и выключается, потому что он практически не имеет задержки включения/выключения. Что же делать? Всё очень просто, поднять частоту. В мысленном эксперименте у нас был период 2 секунды, что есть 0.5 Гц. А теперь представьте себе такой сигнал с частотой скажем 1000 Гц. Или 25’000 Гц (25 кГц). Теперь роль играет инертность глаза, он не заметит вспышек на такой частоте, для него это будет просто уменьшение яркости. Задача решена!

Изменяя так называемое “заполнение” ШИМ сигнала можно менять “суммарное” напряжение (интегрированное) за некоторый период. Чем больше заполнение ШИМ, тем выше напряжение, но не выше напряжения, которое мы “ШИМим”:

При помощи ШИМ сигнала можно даже модулировать сложные аналоговые сигналы, например – синусоиду. На картинке ниже показан ШИМ (снизу) и этот же ШИМ после фильтров:

Вот таким образом кстати и работают инвертеры DC-AC. Возвращаясь к свойствам ШИМ сигнала, их всего два: частота (frequency) и заполнение (duty), с ними мы разобрались. Давайте перейдём к генерации ШИМ при помощи Arduino.

Arduino и ШИМ

В уроке про функции времени я рассказывал, что у микроконтроллера есть так называемые счётчики, которые считают “пинки” от тактового генератора (кварца). Данные счётчики как раз и генерируют ШИМ сигнал, т.е. само вычислительное ядро микроконтроллера в этом не участвует. Помимо расчётов, даже вывод сигнала с ноги МК ложится на плечи счётчика. Это очень важно понимать, потому что ШИМ сигнал не тормозит выполнение кода, так как его генерацией занимается буквально “другая железка”.

На платах UNO/Nano/Pro Mini у нас есть три таймера-счётчика, у каждого таймера есть по два выхода на пины МК, то есть у нас есть 2*3=6 пинов, способных генерировать ШИМ сигнал. Для генерации ШИМ у нас есть готовая функция analogWrite(pin, duty)

• pin – пин, являющийся выводом таймера. Для Нано/Уно это пины D3, D5, D6, D9, D10, D11. На некоторых платах они помечены * звёздочкой
• duty – заполнение ШИМ сигнала. По умолчанию все “выходы” ШИМ у нас 8-битные, то есть duty может принимать значение с “разрешением” 8 бит, а это 0-255

Совместим эти знания с прошлым уроком и попробуем менять яркость светодиода, подключенного через резистор к пину D3. Потенциометр подключен к пину A0

Рассмотренный пример меняет яркость светодиода в зависимости от положения рукоятки потенциометра.

Пару слов о “стандартном” ШИМ сигнале – мы получаем его с такими настройками, какие нам даёт библиотека Arduino.h, а настройки эти сильно занижены по сравнению с возможностями Arduino. Про “улучшение” ШИМ мы поговорим позже, а сейчас давайте глянем на характеристики ШИМ “из коробки”:

Это весьма плачевные цифры, особенно по частоте. Все таймеры приведены под одну гребёнку, чтобы пользователь не думал не гадал и лишнюю документацию не изучал. К изменению частоты и разрядности ШИМ мы вернёмся в отдельном уроке, а пока что можете посмотреть данный урок в видео варианте.

Видео

Широтно-импульсная модуляция, сокращенно ШИМ, может быть реализована на Arduino несколькими способами. В этой статье объясняются простые методы ШИМ, а также методы использования этих регистров для точного контроля над рабочим циклом и частотой.

Расшифровка и определение ШИМ

Модуляция ширины импульса означает, что ширина импульса возникает строго в прямоугольной волне.

Это улучшает управление двигателем. Вместо чистого сигнала постоянного тока к двигателю используется серия импульсов. Они могут находиться на максимальном напряжении, но только на долю секунды. Выполнение повторных действий приведет к тому, что двигатель начнет вращаться. Это позволит более комфортно управлять скоростью. Простое применение сигнала постоянного тока не приведет к преодолению трения двигателя и передач, наоборот, запуск будет обрывистый с низкой скоростью.

Увеличивая частоту импульсов ШИМа на Ардуино, можно выполнять операции на высокой скорости.

Декодер создает этот сигнал для управления двигателем. Это та же концепция, что и функции мощности импульса, находящиеся на блоках питания постоянного тока.

Рассмотрим основные преимущества использования ШИМ Ардуино:

1. Эффективность электропитания: индукция обмоток ротора будет усреднять ток (индукторы сопротивляются изменению тока). Транзисторы имеют низкий импеданс при низком падении напряжения и рассеивании мощности. Резистор рассеивает большую мощность (I2R) в виде тепла.
2. Управление скоростью: двигатель будет видеть источник с низким импедансом, даже если он постоянно переключается между высоким и низким напряжением. Результат очевиден – двигатель ускоряется. Серийное сопротивление приведет к тому, что двигатель будет испытывать малое напряжение, поэтому легко остановится в нужный момент.
3. Цепь управления: для цифровой электроники (например, микроконтроллера ) очень легко включать или выключать напряжение с помощью транзисторов. Аналоговый выход (с электронным или механическим управлением) требует большего количества компонентов и увеличивает рассеивание мощности. Это будет более дорогостоящим вариантом, с точки зрения электроники и требований к электропитанию.

Создать широтно-импульсный модулятор можно на esp8266 шим, на Ардуино УНО и Ардуино Нано шим. То есть для конструирования подойдет любая модель описываемого микроконтроллера.

Формирование аналогового сигнала

AnalogRead – это функция, которая используется для считывания аналоговых значений из аналоговых контактов ШИМа на Ардуино. Плата Arduino UNO имеет 6-канальный 10-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это означает, что АЦП в Arduino UNO будет отображать входные напряжения от 0 до 5 В в целое значение от 0 до 1023.

Следовательно, функция analogRead возвращает любое значение от 0 до 1023. Синтаксис функции analogRead – analogRead (аналоговый вывод no).

Поскольку мы считываем аналоговые напряжения от потенциометра на выводе A0, нам нужно написать analogRead (A0) в эскизе. Когда он возвращает целочисленное значение, с ним создается временная переменная целочисленного типа данных. Следующая функция – analogWrite. Это функция, которая используется для установки рабочего цикла сигнала ШИМ для любого заданного штыря ШИМ.

Синтаксис функции analogWrite – analogWrite (вывод PWM no, value).

Значение указывает рабочий цикл и должно быть значением от 0 (0 В) до 255 (5 В).

Перейдем к фактическому эскизу схемы управления яркостью светодиода. Окончательный эскиз показан на следующем рисунке.

Из приведенного выше эскиза мы можем легко понять, что значение, возвращаемое функцией analogRead, сохраняется в переменной temp. Это значение будет использоваться для управления рабочим циклом сигнала ШИМ с помощью функции analogWrite.

Но диапазон значений, принимаемых функцией analogWrite, находится в диапазоне от 0 до 255. Следовательно, нам нужно выполнить некоторые математические вычисления, чтобы поместить подходящее значение в функцию analogWrite.

Наконец, вычисленное значение помещается в функцию analogWrite вместе с выводом PWM для получения сигнала PWM.

Когда схема построена, и эскиз загружен в Arduino, мы видим, что, изменяя положение потенциометра, яркость светодиода мы также можем изменить.

Еще один вариант скетча для Ардуино:

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино

Чтобы использовать частотный ШИМ на Arduino Uno, нужно всего лишь установить один из ШИМ-выводов в качестве выхода, затем вызывать команду analogWrite и установить уровень. Частота установлена ​​примерно на 500 Гц, поэтому не нужно беспокоиться об этой части.

Мы выбираем контакт под номером 3, устанавливаем его, как output, и analogWrite значение для него. При выборе выхода у нас есть 256 уровней на выбор. Уровень рабочего цикла можно установить между номерами 0 и 255, где 0 – рабочий цикл 0 %, а 255 – 100 % рабочего цикла.

Последний вывод микроконтроллера на плате Arduino Uno составляет 5 В. Чтобы установить светодиод, который мы выбрали для полной яркости, нам необходимо подать напряжение 3,3 В и 15 мА тока. Для этого мы понижаем напряжение на резисторе 100 Ом.

Увеличение частоты и разрядности ШИМ Ардуино

Для изменения частоты ШИМа Ардуино в большую сторону необходимо обратиться к следующей инструкции.

Когда высокочастотный ШИМ-сигнал фильтруется, его небольшой компонент всегда будет проходить через фильтр. Это происходит потому, что конденсатор слишком мал, чтобы полностью его фильтровать. Можно было бы выбрать большую комбинацию конденсаторов и резисторов, но тогда потребуется долгое время для достижения надлежащего выходного напряжения при зарядке конденсатора.

Это значительно ограничило бы то, как быстро сигнал может измениться и быть видимым на выходе. Поэтому нужно выбрать разумное значение напряжения пульсации. Популярным приложением было бы изменение напряжения MOSFET. Поскольку МОП-транзисторы являются устройствами, контролирующими напряжение, можно легко управлять ими с помощью нашего микроконтроллера с ШИМ и фильтром нижних частот. На выходе будет присутствовать любое пульсационное напряжение, присутствующее на входе.

Рис.: а) структура МОП ПТ с индуцированным каналом. б) графическое изображение.

В этом примере предположим, что MOSFET будет управлять не критической нагрузкой, такой, как светодиод высокой мощности. В этом случае нам просто нужно оставаться в разумных пределах, поэтому пиковый ток в светодиоде не будет превышен. В этом случае пульсация в 0,1 вольта была бы более чем достаточной.

Примеры использования ШИМ на Ардуино

Широкополосная широтно-импульсная модуляция является способом кодирования напряжения на фиксированную несущую частоту. Он обычно используется для радиоуправляемых устройств. Каждый тип схемы модуляции имеет свои преимущества и недостатки.

AM-модуляция была первым типом модуляции, используемой для радиопередач. Самая простая схема модуляции для реализации требует только одного транзистора или усилителя вакуумной трубки, как это было сделано в первые дни с момента создания радио.

С необходимостью цифровой связи был изобретен новый метод модуляции – ШИМ. Этот метод обладает той же помехоустойчивостью, что и радиоволны. Самая большая разница – простота и цифровая природа модуляции. Вместо того, чтобы изменять частоту модуляции с напряжением, выход просто включается и выключается с фиксированной частотой. Процент времени включения пропорционален сигнальному напряжению.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) | Класс робототехники

Как нам уже известно из первых уроков, любой микроконтроллер умеет хорошо работать с цифровыми сигналами. Он легко справляется с арифметическими операциями над цифровыми данными, принимает и передаёт цифровые сигналы по линиям связи. А что значит «цифровые» в данном случае?

В самом первом уроке мы зажигали и гасили светодиод с помощью Ардуино. Для того, чтобы зажечь светодиод, мы подавали на его анод высокий уровень сигнала. А чтобы погасить — низкий уровень. Получается, для управления мы использовали только два уровня напряжения: высокий и низкий. Светодиод либо будет гореть, либо не будет. Третьего — не дано. Оперируя только двумя состояниями означает, что мы работаем с цифровым сигналом.

Но что делать, если нам нужно зажечь этот самый светодиод только на половину яркости? Или запустить двигатель, на 30% его мощности? Для решения этой задачи используют подход, называемый широтно-импульсной модуляцией сигнала. О том, что такое ШИМ и как это работает, мы узнаем на сегодняшнем уроке.

Широтно-импульсная модуляция — ШИМ

Разберем понятие ШИМ на примере управления скоростью вращения двигателя постоянного тока. Поставим своей целью запустить мотор на 50% от его максимальной скорости. Пусть наш двигатель идеальный и чтобы достичь заданной скорости, нам нужно в единицу времени передавать на мотор в два раза меньше мощности. Как это сделать, не меняя источник питания?

Проведем мысленный эксперимент (а кто-то может и натуральный — ничего сложного). Возьмём мотор постоянного тока с массивным маховиком, закрепленным на валу (таким маховиком может служить колесо). Подадим питание от аккумулятора и мотор начнет набирать обороты. Через какое-то время, мотор достигнет номинальной мощности, а его ротор максимальной скорости вращения. Отключим питание, и мотор постепенно начнет замедляться вплоть до полной остановки.

Следующий опыт. Снова включим мотор, и когда его скорость достигнет половины от максимальной — выключим. Заметив, что скорость падает — снова включим. И так далее. Включая и выключая питание мотора, мы заставим ротор вращаться со скоростью, близкой к половине от максимальной!

Разумеется, в силу человеческой медлительности, мотор будет удерживать заданную скорость с некоторой погрешностью. Другими словами, скорость будет «плавать» вокруг заданного значения. Чтобы минимизировать эти отклонения, нам потребуется увеличить частоту переключений. Тут уже не обойтись без автоматики.

А как заставить мотор вращаться медленнее или быстрее? Количество переданной мотору энергии будет зависеть от отношения времени когда мотор включен — tвкл к времени когда он выключен — tвыкл.

Так, для передачи мотору 50% мощности, tвкл будет равно tвыкл. Такой случай как раз изображен на графике. Чтобы мотор вращался еще медленнее, скажем с мощностью 25% от номинальной, придется время включения мотора уменьшить до этих самых 25% от общего периода управления T.

Таким образом, имея возможность менять ширину импульсов, мы можем достаточно точно управлять скоростью вращения мотора.

Собственно, рассмотренный способ управления мощностью и называется широтно-импульсной модуляцией сигнала, а сокращённо — ШИМ. Теперь рассмотрим параметры которые характеризуют ШИМ сигнал и которые следует учитывать при написании программ для микроконтроллеров.

Коэффициент заполнения (duty cycle)

Начнем с самого главного параметра — коэффициента заполнения D (он же duty cycle). Этот коэффициент равен отношению периода ШИМ сигнала к ширине импульса:

D = T / tвкл

Пример ШИМ сигнала для разных значений D:

Чем больше D, тем больше мощности мы передаем управляемому устройству, например, двигателю. Так, при D = 1 двигатель работает на 100% мощности, при D = 0,5 — наполовину мощности, при D = 0 — двигатель полностью отключен.

Кстати, кроме коэффициента заполнения для характеризации ШИМ применяют и другой параметр — скважность S. Эти два параметра связаны выражением:

S = 1/T  

Скважность, как и коэффициент заполнения — величина безразмерная. В отличие от D, она может принимать значения от 1 до бесконечности. Но чаще всего, особенно в англоязычных источниках, используют именно D.

Частота ШИМ

Частота ШИМ определяет период импульса — T (см картинку выше). Требования к этой частоте диктуются несколькими факторами, в зависимости от типа управляемого устройства.

В случае управления светодиодами одним из главных факторов становится видимость мерцания. Чем выше частота, тем менее заметно мерцание излучаемого света. Высокая частота также помогает снизить влияние температурных скачков, которые светодиоды не любят. На практике для светодиодов достаточно иметь частоту ШИМ в пределах 100-300 Гц.

С моторами постоянного тока дела обстоят немного иначе. С одной стороны, чем больше частота, тем более плавно и менее шумно работает мотор. С другой — на высоких частотах падает крутящий момент. Нужен баланс. Более подробно о моторах мы поговорим в одной из будущих статей, а пока рекомендуем для большинства DIY задач использовать частоту ШИМ 2кГц.

Плюс, общая проблема для всех случаев управления силовой нагрузкой — потери в цепях силовой коммутации (в транзисторах, и не только), которые увеличиваются с ростом частоты ШИМ. Чем больше частота, тем большее время транзисторы находятся в переходных состояниях, активно выделяя тепло и снижая эффективность системы.

Разрешение ШИМ

Ещё один важный параметр — разрешение ШИМ сигнала. Этот параметр показывает, с какой точностью мы можем менять коэффициент заполнения. Чем больше разрешение, тем плавнее будет меняться мощность на управляемом устройстве.

Например, у платы Ардуино с базовыми настройками, разрешение ШИМ — 256. То есть мы можем изменять сигнал от 0 до 255 — не густо, но для большинства DIY задач хватает.

ШИМ и микроконтроллеры

Простейший генератор ШИМ можно собрать и без всяких микроконтроллеров, только лишь с микросхемой таймера 555. Разумеется, любой микроконтроллер тоже умеет работать с ШИМ сигналом.

Например, у платы Ардуино имеется 6 контактов: 3, 5, 6, 9, 10 и 11, которые можно настроить для генерации аппаратного ШИМ. По-умолчанию, на контактах 5 и 6 частота сигнала будет 1кГц, на остальных — скромные 500Гц. Как ими пользоваться ШИМ на Ардуино подробно рассказывается на уроке «Ардуино: ШИМ» (скоро будет).

STM32F103 — гораздо более серьёзный микроконтроллер. У него целых 20 контактов имеют возможность генерации ШИМ. Частота этого микроконтроллера — 72МГц, что делает возможным плавное и точное управление моторами постоянного тока, не говоря уже о светодиодах. Узнаём подробности в уроке про STM32 и ШИМ.

Кстати, микроконтроллеры умеют не только генерировать ШИМ, но и детектировать подобные сигналы. Про это можно почитать в соответствующей статье на нашем портале (скоро будет).

Вконтакте

Facebook

Twitter

Vanyamba uses Linux — Режим ШИМ с коррекцией фазы и частоты

Из диаграммы видно, что этот режим также отличается от режима ШИМ с коррекцией фазы тем, что в точке 0 вывод OC1A находится в нормальном режиме вывода в состоянии логической единицы, а не нуля. При совпадении значений регистров TCNT1 и OCR1A cостояние вывода OC1A переключается из логической единицы в ноль, когда значение регистра TCNT1 увеличивается, и из логического нуля в единицу, когда значение регистра TCNT1 уменьшается.

Частота ШИМ в этом режиме задаётся значением либо регистра OCR1А, либо регистра ICR1 (при использовании модуля захвата ввода). Минимальное разрешение составляет 2 бита, таким образом минимальное значение для этих регистров равно 3. Максимальное разрешение составляет 16 бит.

Разрешение ШИМ в битах может быть рассчитано по формуле

Rpwm = log(TOP+1) / log(2),

где TOP равен верхней границе ШИМ.

Для расчёта частоты ШИМ применима формула

Fpwm = F clk/ (2*N*TOP),

где TOP равен верхней границе таймера, а N равен коэффициенту предделителя (то есть 1, 8, 64, 256 или 1024).

Регистр TCNT1 принимает значение верхней или нижней границы на 1 такт.

При изменении значения верхней границы, новое значение должно быть больше значений сравниваемых регистров, в противном случае совпадения между TCNT1A и OCR1A не произойдёт.

На диаграмме видно, что сигнал на выводе симметричен во всех периодах. Таким образом, импульсы в этом режиме фазово и частотно корректны.

Использование регистра ICR1 для задания верхней границы вполне применимо, если граница фиксирована. Если же она должна часто изменяться, то регистр OCR1A для этих целей предпочтительнее, поскольку его значение буферизировано.

Значение верхней границы и нуля в качестве значения регистра OCR1A — это особые случаи в этом режиме. При OCR1A равном верхней границе, вывод OC1A находится в состоянии высокого уровня в нормальном режиме вывода. При OCR1A равном нулю на выводе OC1A логический ноль. В инверсном режиме вывода — наоборот.

Если регистр OCR1A используется для задания верхней границы, на выводе OC1A генерируется ШИМ с 50%-ным циклом заполнения.

Как измерить частоту ШИМ с помощью Arduino UNO? | Электроника и жизнь

Здравствуйте, уважаемые читатели! В данной статье я расскажу как с помощью Arduino UNO измерить частоту ШИМ сигнала. Измерить можно как частоту ШИМ сигнала самой Ардуино, так и частоту ШИМ сигнала, генерируемого другими микроконтроллерами.

Измерение частоты с помощью Arduino UNO

Вот отличие от степени заполнения ШИМ сигнала, которая нам обычно известна, т.к. задается вторым аргументом функции analogWrite() . Частота работы ШИМ сигнала микроконтроллера параметр не очевидный и в среде разработки Arduino IDE стандартных функций по его изменению нет. Однако неправильно подобранная частота ШИМ сигнала, может негативно сказаться на работе оборудования. Например, для диммеров, управляющих освещением, рекомендуемая частота ШИМ составляет более 1КГц. Так же важно правильно подбирать при управлении электродвигателями.

Очень просто измерить частоту ШИМ сигнала с помощью Ардуино. Для этого достаточно написать в Arduino IDE, вот такой скетч (ссылка на него в конце статьи):

Скетч для измерения частоты с помощью Arduino UNO

В скетче будем использовать стандартную для Arduino IDE функцию pulseIn() . Которая считывает продолжительность сигнала (HIGH или LOW) на заданном порту. Т.е. если у нас задано считывание HIGH, функция вначале ожидает пока на заданном порту не появиться значение HIGH. А когда значение HIGH получено, включается таймер, который и отсчитывает время, пока на заданном пину не появится значение LOW. В случае, если вторым аргументом является LOW, то всё происходит наоборот. Функция возвращает результат в микросекундах.

В результате суммируя время присутствия высокого и низкого сигнала на 8 пину мы получаем общее время сигнала, а далее, переходя от микросекунд к секундам, вычисляем частоту в Гц. И выводим данные раз в секунду в монитор порта.

Для проверки работы Считывать данные мы будем с 5 и 9 пина Arduino UNO . Всего у Arduino UN O c ШИМ сигналом могут работать 6 пинов. Это пины 3, 5, 6, 9, 10, 11 обозначенные тильдой.

Пины Arduino UNO, работающие с ШИМ

Причем установленная по умолчанию для этих пинов частота ШИМ сигнала отличается:

Частота ШИМ сигнала по умолчанию для Arduino UNO

Загружаем скетч в Ардуино, открываем Монитор порта и при соединении 8 пина с 5 пином , получаем результат 982 Гц . А при соединении 8 пина с 9 пином , получаем результат 493 Гц . Т.е. значения практически соответствуют установленным по умолчанию.

А вот как изменить эти значения, установленные по умолчанию, на другие, я расскажу в завтрашней статье.

Ссылка на скетч — https://disk.yandex.ru/d/fkS66NhFcAdaEw.

_________________________________________________________

Спасибо, что дочитали до конца! Если статья понравилась, нажмите, пожалуйста, соответствующую кнопку. Если интересна тематика электроники и различных электронных самоделок, подписывайтесь на канал. До встречи в новых статьях!

pwm — Какова частота вывода ШИМ на Arduino

Сигнал PWM генерируется таймерами на чипах AVR. Каждый таймер может генерировать сигнал ШИМ на двух или трех разных контактах. Каждый штырь может иметь собственный рабочий цикл, но они имеют частоту ШИМ. Вы можете изменить частоту PWM, изменив источник синхронизации для таймеров. По умолчанию они используют тактовые импульсы процессора, разделенные на 64, т.е. они имеют предделитель, установленный на 64 с помощью кода инициализации Arduino.
  Чтобы запутать больше, существуют два разных режима PWM: быстрая PWM и фазовая коррекция PWM. В быстрой PWM таймер подсчитывается до 255, затем переполняется и начинается с 0 (256 различных состояний). В фазе правильной ШИМ таймер отсчитывает до 255, затем меняет направление и отсчитывает вниз до нуля, меняет направление и т. Д. (510 разных состояний).

Arduino Mega имеет 5 таймеров, timer0 — timer4. Поскольку timer0 также используется для функций millis и micros, он использует быструю PWM, в то время как другие таймеры настроены для фазовой коррекции PWM. Это приводит к разным частотам на разных контактах:

• Выводы 4 и 13, управляемые таймером 0:
  16 МГц/64/256 = 976,56 Гц

• Другие штырьки PWM, управляемые таймером 1-4:
  16 МГц/64/510 = 490,20 Гц

Вычисление: количество часов/превалировщик/режим PWM состояний

Ситуация такая же для всех других плат Arduino, о которых я знаю, за исключением того, что у них меньше таймеров, которые подключаются к разным контактам.

You can change the PWM frequency by changing the timer prescaler. See this page: http://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet

Также возможно, чтобы таймеры подсчитали другое значение, чем 255. На 8-битных таймерах вы потеряете выходной вывод, но на 16-битных таймерах вы можете использовать регистр ввода данных для определения значения TOP. Функция захвата ввода — это функция, редко используемая в сообществе Arduino, поэтому вы, вероятно, не пропустите ее.

Библиотеки Arduino позволяют использовать только 8-битное разрешение даже на 16-разрядных таймерах. Если вы хотите получить более высокое разрешение, вам придется написать свой собственный analogWrite или использовать библиотеку, созданную для этой цели.
На Arduino Mega timer0 и timer2 8 бит, остальные — 16 бит.

Изменяя режим 16-разрядных таймеров, чтобы использовать полное разрешение, в сочетании с изменением предварительного делителя и значения TOP, вы можете достичь очень широкого диапазона частот ШИМ.

Максимальная частота, которую вы можете достичь, — это часы/4, установив предварительный делитель на 1 и TOP на 3 в режиме быстрой PWM — более низкое значение не допускается. Это даст вам 4 МГц PWM с 2-битным разрешением. Он может быть на 0%, 25%, 50% или 75% времени. Более высокое значение TOP даст вам более высокое разрешение на более низкой частоте.

Для более подробного объяснения прочтите эту статью или обратитесь к datasheet .

Изменение преселлера, режима PWM или TOP для таймера 0 будет работать с millis() и micros() .

analogWrite () — Ссылка на Arduino

Описание

Записывает аналоговое значение (сигнал ШИМ) на вывод. Может использоваться для освещения светодиода с разной яркостью или для привода двигателя с разной скоростью. После вызова analogWrite () вывод будет генерировать устойчивую прямоугольную волну указанного рабочего цикла до следующего вызова analogWrite () (или вызова digitalRead () или digitalWrite () ). на той же булавке.

* В дополнение к возможностям ШИМ на контактах, упомянутых выше, платы MKR, Nano 33 IoT и Zero имеют настоящий аналоговый выход при использовании analogWrite () на контакте DAC0 ( A0 ).
** В дополнение к возможностям ШИМ на контактах, указанных выше, Due имеет настоящий аналоговый выход при использовании analogWrite () на контактах DAC0 и DAC1 .

Вам не нужно вызывать pinMode () , чтобы установить вывод в качестве выхода перед вызовом analogWrite () .
Функция analogWrite не имеет ничего общего с аналоговыми выводами или функцией analogRead .

Синтаксис

Параметры

pin : вывод Arduino для записи.Допустимые типы данных: int .
значение : рабочий цикл: от 0 (всегда выключен) до 255 (всегда включен). Допустимые типы данных: int .

Возвращает

Какая частота на выходе ШИМ на Arduino

Сигнал ШИМ генерируется таймерами на микросхемах AVR. Каждый таймер может генерировать сигнал ШИМ на двух или трех разных контактах. У каждого вывода может быть свой рабочий цикл, но они имеют общую частоту ШИМ. Вы можете изменить частоту ШИМ, изменив источник синхронизации для таймеров.По умолчанию они используют частоту процессора, разделенную на 64, т.е. у них есть предварительный делитель, установленный на 64 кодом инициализации Arduino.
Чтобы еще больше запутать ситуацию, есть два разных режима ШИМ: быстрый ШИМ и ШИМ с правильной фазой. В быстром ШИМ таймер отсчитывает до 255, затем переполняется и запускается заново с 0 (256 различных состояний). В PWM с правильной фазой таймер отсчитывает до 255, затем меняет направление и отсчитывает до нуля, меняет направление и так далее (510 различных состояний).

Arduino Mega имеет 5 таймеров, timer0 — timer4.Поскольку timer0 также используется для функций миллис и микрон, он использует быструю ШИМ, тогда как другие таймеры настроены для фазовой ШИМ. Это приводит к разным частотам на разных выводах:

• Контакты 4 и 13, управляемые таймером 0:
  16 МГц / 64/256 = 976,56 Гц

• Другие выводы ШИМ, управляемые таймером 1-4:
  16 МГц / 64/510 = 490,20 Гц

Расчет: Часы / Предделитель / Режим ШИМ Количество состояний

Ситуация такая же для всех других плат Arduino, о которых я знаю, за исключением того, что у них меньше таймеров, которые подключаются к разным контактам.

Вы можете изменить частоту ШИМ, изменив предварительный делитель таймера. См. Эту страницу: http://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet

Также можно сделать так, чтобы таймеры подсчитывали значение, отличное от 255. На 8-битных таймерах вы потеряете выходной контакт, но на 16-битных таймерах вы можете использовать регистр захвата ввода для определения значения TOP. Функциональность ввода ввода — это функция, которая редко используется в сообществе Arduino, поэтому вы, вероятно, ее не пропустите.

Библиотеки Arduino позволяют использовать только 8-битное разрешение даже для 16-битных таймеров.Если вы хотите более высокое разрешение, вам придется написать свой собственный analogWrite или использовать библиотеку, созданную для этой цели.
На Arduino Mega timer0 и timer2 8-битные, а остальные — 16-битные.

Изменяя режим 16-битных таймеров для использования полного разрешения, в сочетании с изменением предделителя и значения TOP, вы можете получить очень широкий диапазон частот ШИМ.

Максимальная частота, которую вы можете достичь, это тактовая частота / 4, установив предварительный делитель на 1 и TOP на 3 в режиме быстрой ШИМ — более низкое значение недопустимо.Это даст вам ШИМ 4 МГц с разрешением 2 бита. Это может быть 0%, 25%, 50% или 75% времени. Более высокое значение TOP даст вам более высокое разрешение при более низкой частоте.

Для более подробного объяснения прочтите эту статью или обратитесь к таблице данных.

Изменение предделителя, режима ШИМ или значения TOP для timer0 приведет к сбоям с миллис () и микрон () .

Как изменить частоту на выводах Arduino PWM

Аппаратное обеспечение Arduino отлично подходит для проектов IoT, но если вы только начинаете намочить ноги, это может немного сбить с толку.Большая часть кода, который вам нужно будет написать, прост, но как только вам придется взаимодействовать с другим оборудованием, код может начать усложняться.

выводы PWM — отличный тому пример. Они позволяют вам работать с множеством различного оборудования и управлять им разными способами, но если вы не имеете опыта работы в электрике, с ними может показаться непросто иметь дело.

Связанные : Как подключить ЖК-экран в Arduino

Что делает ШИМ на Arduino?

PWM означает широтно-импульсную модуляцию.Это цифровая прямоугольная волна, частота которой остается неизменной, но частота отправки этого сигнала регулируется. Без контекста это мало что значит.

Широтно-импульсная модуляция позволяет делать много полезных вещей. Это включает в себя отправку аудиосигналов, управление двигателями с регулируемой скоростью или обеспечение переменного тока для затемнения светодиодов и аналогичные функции.

Разве нельзя просто использовать команду analogWrite ()?

Для большинства пользователей команда analogWrite () сделает все, что вам нужно, но, как упоминалось выше, частота является фиксированной.Это нормально для многих случаев использования, но не для всех.

Каждый вывод имеет частоту по умолчанию. Это различается для каждого вывода, но они все еще находятся в довольно близком диапазоне друг от друга. Наивысшая частота по умолчанию все еще ниже 1000 Гц, что недостаточно для всех случаев использования.

Непосредственное управление таймерами ШИМ

Вы можете вручную установить частоты ШИМ, управляя регистрами времени. Всего их три, каждый из которых управляет двумя выходами ШИМ, Таймером 0, Таймером 1 и Таймером 2.Существует два способа управления частотами: быстрая ШИМ и фазовая коррекция ШИМ.

Ниже приведен пример Fast PWM с сайта Arduino:

 pinMode (3, OUTPUT);
  pinMode (11, ВЫХОД);
  TCCR2A = _BV (COM2A1) | _BV (COM2B1) | _BV (WGM21) | _BV (WGM20);
  TCCR2B = _BV (CS22);
  OCR2A = 180;
  OCR2B = 50; 

Это даст частоту 976,5625 Гц, используя следующую математику:

 Выходная частота A: 16 МГц / 64/256 = 976,5625 Гц
Выходной рабочий цикл: (180 + 1) / 256 = 70. 7%
Выходная частота B: 16 МГц / 64/256 = 976,5625 Гц
Рабочий цикл выхода B: (50 + 1) / 256 = 19,9% 

Ниже приведен пример ШИМ с фазовой коррекцией с того же веб-сайта:

 pinMode (3, OUTPUT);
  pinMode (11, ВЫХОД);
  TCCR2A = _BV (COM2A1) | _BV (COM2B1) | _BV (WGM20);
  TCCR2B = _BV (CS22);
  OCR2A = 180;
  OCR2B = 50; 

Это обеспечивает выходную частоту 490,196 Гц, используя следующую математику:

 Выходная частота A: 16 МГц / 64/255/2 = 490,196 Гц
Выходной рабочий цикл: 180/255 = 70.6%
Выходная частота B: 16 МГц / 64/255/2 = 490,196 Гц
Рабочий цикл выхода B: 50/255 = 19,6% 

Ручное управление частотами выводов ШИМ

Другой вариант — вручную включать и выключать вывод с желаемой скоростью. Бонусом здесь является то, что он позволяет использовать любой вывод, а не только выделенные выводы ШИМ.

Вот еще один пример с сайта Arduino:

 void setup ()
{
  pinMode (13, ВЫХОД);
}

пустой цикл ()
{
  digitalWrite (13, ВЫСОКИЙ);
  delayMicroseconds (100); // Примерно 10% рабочего цикла при 1 кГц
  digitalWrite (13, LOW);
  delayMicroseconds (1000 - 100);
} 

У этого метода есть несколько проблем.Во-первых, прерывания повлияют на синхронизацию, что может вызвать проблемы. Вы также фактически ограничиваете Arduino тем, что он просто делает это во время работы.

Заключение

Теперь, когда вы понимаете, как изменить частоту выводов ШИМ на плате Arduino, вы открыли множество вариантов. Чтобы увидеть, на что вы способны, почему бы не начать что-нибудь строить?

Если вы новичок в Arduino в целом, вы, вероятно, все равно будете время от времени сталкиваться с камнем преткновения.В таком случае держите нашу шпаргалку по Arduino под рукой.

Насколько полезна эта статья? Да Нет

Быстрый ШИМ на Arduino Leonardo

Сегодня я расскажу о генерации ШИМ.

Платы Arduino обеспечивают псевдоаналоговые выходы с помощью функции analogWrite (). Эта функция доступна не на всех контактах, а только на тех, которые отмечены символом ~. Функция аналоговой записи обеспечивает не реальный аналоговый выход, а сигнал ШИМ.

Сигнал PWM (широтно-импульсная модуляция) представляет собой импульсный двоичный сигнал.Поскольку он является двоичным, он может иметь только два состояния выхода: «ВЫСОКИЙ» и «НИЗКИЙ». Аналоговая информация не об уровнях сигнала, а о ширине генерируемых импульсов. Мы определяем ширину импульса как ширину ВЫСОКОГО импульса, а рабочий цикл, представленный буквой дельты в нижнем регистре, как долю ширины импульса от ширины импульса. общий период T сигнала. Частота сигнала ШИМ определяется как величина, обратная периоду.

Среднее значение сигнала ШИМ зависит от рабочего цикла и значений напряжения, связанных с ВЫСОКИМ и НИЗКИМ уровнями:

Если НИЗКИЙ уровень равен нулю, среднее значение сигнала ШИМ равно:

Таким образом, среднее значение сигнала пропорционально рабочему циклу.

Функция Arduino analogWrite () отображает входное значение от 0 до 255 в рабочий цикл от 0% до 100%. Поскольку уровень HIGH составляет около 5 В, а уровень LOW близок к нулю, среднее значение сигнала, генерируемого с помощью analogWrite (pin, x), составляет:

Если устройство, подключенное к выводу, имеет более низкую полосу пропускания, чем частота сигнала ШИМ, оно будет работать как низкочастотный сигнал и будет видеть только среднее значение. Контакты Arduino Leonardo PWM используют частоты 488 Гц или 976 Гц. Когда вы используете аналоговую запись для светодиода, поскольку светодиоды обычно имеют полосу пропускания более 1 кГц, светодиод будет полностью включаться и выключаться, как указано в сигнале ШИМ.Наш глаз, однако, имеет полосу пропускания (частоту слияния) примерно до 100 Гц в зависимости от уровня внешней освещенности. Поскольку светодиодный индикатор пульсирует с частотой, превышающей ширину полосы пропускания глаза, мы видим только среднее значение и кажется, что светодиод горит на промежуточных уровнях между включением и выключением.

То же самое применимо, если мы используем сигнал ШИМ для управления двигателем. Обычные двигатели постоянного тока из-за их инерции имеют полосу пропускания, близкую или ниже частоты ШИМ Arduino, поэтому двигатель работает так, как будто применяется постоянное переменное напряжение.Фактически, ШИМ-режим на низкой частоте может улучшить работу двигателя на низких скоростях.

В общем, имеющаяся в наличии Arduino частота ШИМ от 500 Гц до 1 кГц подходит для управления двигателями. Однако, если мы хотим генерировать аудиосигнал, функция analogWrite не работает. Полоса пропускания слуха у людей составляет около 20 кГц, что намного выше, чем частота ШИМ Arduino. Типичные динамики обычно проектируются в полосе частот человеческого слуха, поэтому подача на них сигнала ШИМ будет производить слышимый тон на частоте ШИМ.

Одна из утилит для генерации высокочастотного ШИМ-сигнала выходит за пределы полосы пропускания динамика и слуха, поэтому мы можем использовать ШИМ-сигнал для генерации аудиосигнала.

Стоковая ШИМ на Arduino Leonardo

Сначала мы начнем объяснять, как реализована ШИМ на плате Arduino Leonardo. На большинстве плат Arduino сигналы ШИМ генерируются с помощью таймеров. Периферийные устройства таймера обеспечивают аппаратную генерацию ШИМ, так что ЦП не нужно использовать какие-либо ресурсы выполнения для генерации сигналов.Каждый таймер имеет ограниченное количество сигналов ШИМ, которое может быть сгенерировано аппаратно.

Arduino Leonardo, Micro и Esplora используют микроконтроллер ATmega42u4. Он включает в себя четыре таймера: Таймер 0, Таймер 1, Таймер 3 и Таймер 4. Таймеры 1 и 3 равны, но остальные таймеры совершенно разные. Другие платы Arduino используют другие таймеры, предоставляемые используемыми ими микроконтроллерами.

В следующей таблице показано использование таймеров для генерации ШИМ на плате Arduino Leonardo. Вы можете увидеть это и дополнительную информацию в моей электронной таблице Arduino Leonardo.

Arduino использует таймеры для других функций. Например, Таймер 0 также используется для записи времени, необходимого для функций millis (), micros (), delay () и delayMicroseconds (). Вы не хотите связываться с таймером 0, так как это нарушит все функции синхронизации.

Некоторые библиотеки Arduino также используют таймеры. Библиотека Servo использует Таймер 1 на Леонардо, а библиотека MsTimer2 использует Таймер 4.Вы должны знать, что использование любой библиотеки, которой нужен таймер, повлияет на любой вывод ШИМ, связанный с этим таймером.

Существует несколько двух основных способов создания сигнала ШИМ с использованием таймера.

Односторонний ШИМ

Таймеры обычно основаны на счетчике. Счетчик использует тактовый вход, и на каждом активном фронте тактового сигнала счетчик меняет состояние. Один типичный режим работы таймера включает увеличение счетчика на каждом тактовом фронте, пока он не достигнет максимального значения. По достижении этого значения счетчик возвращается к нулю, и процесс повторяется.Это дает пилообразную форму волны на значениях счетчика, как показано на рисунке ниже. Для одного полного цикла пилы потребуется Count Max + 1 такт.

Периферийные устройства таймера обычно включают несколько регистров захвата / сравнения. Для создания сигнала ШИМ регистр сравнения связан с аппаратным выходом MCU таким образом, что этот выход становится высоким, если значение счетчика ниже или равно значению регистра сравнения.Это даст для каждого регистра сравнения сигнал ШИМ, рабочий цикл которого зависит от значения сравнения.

Все сигналы ШИМ, генерируемые одним и тем же таймером, будут иметь одинаковую частоту, так как начало генерируемых импульсов всегда будет на заднем фронте пилообразного сигнала.

Если у нас есть несколько сигналов ШИМ, сгенерированных с разным сравнением
регистров на одном таймере, все они будут иметь нарастающий фронт на
в то же время.

Аналог ArduinoWrite ()
функции работают с таймером 0 ATmega 32u4 с одинарным наклоном.250 кГц
Используемая частота получается делением на 64 системной частоты 16 МГц. Финал
Частота ШИМ будет 976 Гц.

Таймер 0 имеет два канала сравнения A и B, связанных с двумя регистрами сравнения OCR0A и OCR0B. Два канала связаны с двумя аппаратными выходами OC0A и OC0B, которые используются как контакты Arduino с номерами 11 и 3.

Двухканальный ШИМ

Другой способ генерации сигнала PWM конфигурирует счетчик для увеличения на каждом фронте тактового сигнала, и когда он достигает максимального значения, начинает уменьшать одно число за каждый тактовый цикл, пока оно не достигнет нуля, и шаблон повторяется снова.Это даст треугольную форму волны вместо пилообразной.

Мы также можем настроить регистр захвата так, чтобы генерируемый выходной сигнал был высоким, когда счетчик ниже этого регистра. Это будет генерировать сигнал ШИМ, как в случае с одним наклоном. Разница в том, что если у нас есть несколько регистров сравнения, сигнал ШИМ, генерируемый каждым из них, будет синхронизирован в центре генерируемых импульсов.

Это удобно при некоторых видах управления моторикой, но подробности выходят за рамки этой статьи.

В любом случае частота ШИМ будет одинаковой для всех каналов сравнения, а также будет вдвое меньше значения, которое мы получили бы, если бы использовали счетчик Single Slope.

Функции Arduino analogWrite () управляют таймерами 1, 3 и 4 микроконтроллера ATmega 32u4 в режиме Dual Slope. Возможная причина, по которой Таймер 0 не работает также в режиме Dual Slope, вероятно, может быть связана с тем, что Таймер 0 используется для записи хода времени, и такое использование трудно реализовать на таймере с двойным наклоном.При работе с двойным наклоном все выводы ШИМ, связанные с этими выводами, используют половину частоты таймера 0, работающего на частоте 488 Гц.

Таймер 1 включает в себя три канала сравнения A, B и C, связанных с регистрами сравнения OCR1A, OCR1B, OCR1C, связанными с аппаратными выходами OC1A, OC1B и OC1C. Программное обеспечение Arduino использует только каналы A и B, которые связаны с выводами 9 и 10 Arduino. Выход канала C OC1C связан с тем же выводом 11 Arduino, управляемым таймером 0. По какой-то причине разработчики Arduino предпочитали управлять выводом 11 с помощью таймера 0. при одинарном наклоне, чем таймер 1 при двойном наклоне.

Таймер 3 включает только один аппаратный выход OC3A на выводе 5 Arduino, связанный с регистром сравнения OCR3A.

Таймер 4 — это специальный таймер, но в отношении ШИМ он работает как таймеры 1 и 3 в режиме двойного наклона. Он включает три аппаратных выхода OC4A, OC4B и OC4D, связанных с регистрами OCR4A, OCR4B и OCR4D. В стандартной версии Arduino для выводов 13 и 6 используются только каналы A и D. Канал B связан с тем же выводом, который управляется OC1B, поэтому для этого вывода используется Таймер 1 вместо Таймера 4.

Все это дает таблицу с 7 выводами Arduino с включенной ШИМ.

Быстрая ШИМ по таймеру 1

Если максимальных 976 Гц, имеющихся в Arduino analogWrite, недостаточно, нам необходимо разработать собственные функции ШИМ. Таймер 1 — хороший кандидат, поскольку он имеет три доступных канала сравнения и не мешает функциям задержки Arduino. Вам следует быть осторожными, если вы используете библиотеку Servo, потому что она также использует Таймер 1.

Таймер 1 основан на 16-битном счетчике. Это означает, что он может считать от 0 до 65535 до переполнения. Таймер имеет несколько режимов работы, включая 12 режимов ШИМ. Самый быстрый из доступных режимов ШИМ — это 8-битный одинарный режим, считая от 0 до 255. Поскольку одинарный наклон быстрее, чем двойной, его также называют режимом Fast PWM.
У вас также могут быть 9-битные и 10-битные режимы ШИМ с 511 и 1023 счетчиками клемм, которые могут работать в режимах с одним и двумя наклонами. Трехразрядные режимы 8, 9 и 10 для одно- и двухканальной ШИМ дают в общей сложности 6 режимов ШИМ. Остальные 6 дополнительных режимов ШИМ используют программируемые счетчики клемм, которые могут иметь любое 16-битное значение и не ограничиваются 255, 511 или 1023.

Таймер получает свои часы от глобального предварительного делителя MCU, который обеспечивает пять частот от системных часов. Коэффициенты деления равны 1, 8, 64, 256 и 1024. Это дает, используя системные часы Arduino Leonardo с частотой 16 МГц, пятичастотную и однократную частоту, показанную ниже для стандартных 8-, 9- и 19-битных режимов:

При использовании двойного наклона максимальная частота будет вдвое меньше. Мы видим, что максимально доступная частота ШИМ на Таймере 1 — 62.5 кГц. Этого достаточно, чтобы сгенерировать какой-то звуковой сигнал, поскольку он находится за пределами слышимого диапазона частот.

Чтобы настроить таймер, мы должны запрограммировать регистры Таймера 1 TCCR1A и TCCR1B.

Биты 0, 1 и 2 TCCR1B (CS10, CS11 и CS12) настраивают параметры синхронизации в соответствии со следующей таблицей.

Бит 1 TCCR1A (WGM11) и биты 3 и 4 TCCR1B настраивают форму сигнала для таймера в соответствии с таблицей:

Режимы 1, 2, 3, 5, 6 и 7 соответствуют 6 стандартным режимам ШИМ.

Как только таймер настроен на один режим ШИМ, каждый из трех каналов сравнения A, B и C может быть включен для генерации сигнала ШИМ. Для этого биты COM1x0 и COM1x1 в регистре TCCR1A, связанные с конкретным каналом x (A, B, C), должны быть настроены в соответствии с таблицей:

Значение ШИМ для каждого канала должно быть запрограммировано в каждом регистре сравнения каналов OCR1A, OCR1B и OCR1C.

Все приведенные выше таблицы взяты из таблицы данных ATmega32u4.

Настроить биты TCCR1A недостаточно для генерации сигнала ШИМ на выходных контактах.Нам также необходимо настроить их в режиме вывода. Из ATmega32u4 мы видим, что выходы таймера 1 OC1A, OC1B и OC1C связаны с линиями портов PB5, PB6 и PB7 (выводы 9, 10 и 11 Arduino). Нам нужно установить эти контакты в режим вывода, используя регистр направления данных порта B DDRB.

Быстрая ШИМ по таймеру 4

Используя таймеры 0, 1 или 3, мы можем получить сигналы ШИМ до 62,5 кГц, но максимально возможная частота ШИМ доступна только на таймере 4.
Таймер 4 — это 10-битный таймер, который может работать с очень высокой скоростью благодаря опциям источника синхронизации.
Микроконтроллер ATmega32u4 включает периферийное устройство USB. Этому периферийному устройству требуется тактовая частота 48 МГц, которая превышает максимальную системную тактовую частоту 16 МГц. Чтобы генерировать частоту USB, MCU включает в себя внутреннюю ФАПЧ. В Arduino Leonardo ФАПЧ принимает в качестве входных данных системные часы 16 МГц и умножает их на 6, чтобы получить выходную частоту 96 МГц.
Вы не хотите связываться с конфигурацией PLL на Arduino Leonarda, поскольку это нарушит связь USB. Единственное, что вам нужно знать о ФАПЧ, это то, что ее выход может быть источником периферийного устройства Таймера 4.

Регистр PLL PLLFRQ включает, помимо прочего, два бита PLLTM0 и PLLTM1, которые определяют входную синхронизацию для таймера 4.

Есть четыре варианта: не используйте ФАПЧ для источника таймера (он будет получен системными часами) или используйте выход ФАПЧ, разделенный на 1, 1,5 или 2. Это даст тактовые частоты 96 МГц, 64 МГц или 48 МГц.

На момент написания вышеупомянутой таблицы не было в официальном техническом описании ATmega32u4. Мне нужно было найти более старую таблицу, чтобы получить полное содержимое регистра конфигурации PLL.

Таймер 4 имеет дополнительный делитель, сконфигурированный с битами от CS40 до CS43 регистра конфигурации TCCR4B.

Доступные варианты:

Таким образом, используя делители PLL и Timer 4, вы можете получить входные частоты от 96 МГц до 5859 Гц.

Подобно таймеру 1, таймер 4 должен выбирать режим работы формы сигнала с помощью битов WGM40 и WGM41 регистра TCCR4D.

Доступные варианты:

Режим 00 является одинарным, а режим 01 — двойным.

Обратите внимание на то, что сигнал ШИМ имеет максимальное значение счетчика, определенное в регистре OCR4C.Поскольку регистр канала сравнения C используется для счетчика клемм, независимый выход PWM канала C отсутствует.

PWM6 — это специальный режим работы PWM, который использует все три доступных канала A, B и D для управления двигателем. Подробности, выходящие за рамки этого документа, можно найти в таблице данных MCU.

После настройки тактового входа каждый канал x = A, B и D таймера 4 может быть настроен со своими собственными битами COM4x0, COM4x1 и PWM4x в регистрах TCCR4A и TCCR4C.
Как мы объяснили, канал C, используемый как счетчик клемм, не имеет блока вывода, поэтому его нельзя использовать для генерации ШИМ.

Для работы с одним каналом x в режиме PWM вам необходимо установить в «1» соответствующий бит PWM4x. После этого COM4x0 и COM4x1 определяют режим работы ШИМ. В случае канала А в режиме быстрой ШИМ мы можем выбрать:

Нормальная работа ШИМ соответствует режиму 10. Режим 11 дает дополнительный выход, тогда как режим 01 дает два дополнительных выхода ШИМ на разных выводах. Между дополнительными сигналами может быть некоторая зона нечувствительности, так что один сигнал и его дополнение никогда не будут активны одновременно.
Подобные таблицы можно найти для каналов B и D.

Код теста быстрой ШИМ

Я собрал все вышеперечисленные методы для генерации ШИМ в скетче FastPWM Arduino.

Скетч включает необходимый код для управления 5 контактами, связанными с таймерами 1 и 4 в быстрых режимах ШИМ.

Код таймера 1

Код, связанный с таймером 1, включает 4 функции и несколько определений. Он может использовать все три канала сравнения Таймера 1 для генерации сигналов ШИМ на выводах 9, 10 и 11 Arduino.

Функция pwm91011configure должна вызываться перед вызовом любой другой функции, связанной с этим таймером. Он настраивает таймер для работы в режиме однократной быстрой ШИМ и устанавливает предварительный делитель в режим, указанный в аргументе функции.
Пять возможных режимов — это PWM62k, PWM8k, PWM1k, PWM244 и PWM61, и они связаны с четырьмя доступными частотами в режимах 8-битной ШИМ с одним наклоном.

Функции pwmSet9, pwmSet10 и pwmSet11 настраивают каналы таймера 1, связанные с контактами 9, 10 и 11, для работы в режиме ШИМ и устанавливают заданное значение ШИМ (от 0 до 255).

После вызова одной из трех вышеуказанных функций значение ШИМ можно быстро изменить, используя прямой доступ к соответствующему регистру сравнения. Чтобы облегчить доступ, три определения PWM9, PWM10 и PWM11 связаны для сравнения регистров OCR1A, OCR1B и OCR1C.

Таймер 4 Код

Код, связанный с таймером 4, включает 3 функции, а также несколько определений. Он использует два из трех доступных каналов сравнения A и D, связанных с контактами 13 и 6 Arduino.Он не использует канал B, потому что его вывод 10 Arduino конфликтует с ранее использовавшимся каналом B.

Функция pwm613configure аналогична той, которая определена для таймера 1. Она устанавливает режимы PLL и PWM для правильной настройки таймера 4 в высокоскоростном режиме от отвода PLL 48 МГц и устанавливает счетчик клемм в OCR4C на 8 бит (255).

Входной аргумент устанавливает одну из семи доступных частот предварительного делителя для тактового входа таймера 4 48 МГц: PWM187k (187500 Гц), PWM94k (93750 Гц), PWM47k (46875 Гц), PWM23k (23437 Гц), PWM12k (11719 Гц), PWM6k ( 5859 Гц) и PWM3k (2930 Гц). Если вы помните опции Timer4, там 15 опций предварительного делителя частоты. Более низкочастотные не реализованы в определениях, поскольку они не дают преимущества перед стандартными функциями analogWrite.

Функции pwmSet13 и pwmSet6 настраивают каналы таймера 4, связанные с контактами 13, 6, для работы в режиме ШИМ и устанавливают заданное значение ШИМ (от 0 до 255).

Аналогично таймеру 1, после вызова одной из двух вышеуказанных функций значение ШИМ может быть изменено.
быстро меняется с помощью прямого доступа к соответствующему сравнению
регистр.Два определения PWM13 и PWM6 связаны для сравнения регистров OCR4A и OCR4D. Дополнительное определение PWM6_13_MAX было добавлено для доступа к регистру OCR4C, который устанавливает счетчик выводов PWM, который по умолчанию установлен на 255 (8 бит).

Настройка и код цикла

Для проверки всех вышеперечисленных функций Таймер 1 сконфигурирован в настройке для генерации сигналов ШИМ 62,5 кГц. Таймер 4 настроен на 187 кГц. Генерируются 4 сигнала. На выводах 11 и 13 установлены фиксированные значения ШИМ 11% и 75%.Для контактов 6 и 9 внутри функции цикла программируется переменное значение ШИМ от 0% до 100%.

Генерируемые осциллограммы

На следующем рисунке показаны сгенерированные формы сигналов, захваченные с помощью логического анализатора области Analog Discovery.

Сигналы таймера 1 на контактах 9 и 11 имеют такой же фронт нарастания, что и в режиме ШИМ с одним линейным изменением. То же самое относится к сигналам на контактах 6 и 13, которые зависят от таймера 4. Сигналы в разных таймерах имеют разную частоту, поэтому нарастающие фронты обычно не совпадают для обоих сигналов таймера.

На этом пока все. Таймеры — очень полезное периферийное устройство. ШИМ — только одно из приложений таймера. В будущем я планирую поговорить также о генерации периодических событий.

Код на Github (02.11.2018)

Код сейчас на Github:

https://github.com/R6500/Leonardo/blob/master/FastPWM. 8 = 256). .Это также устанавливает вашу частоту ШИМ (иногда называемую несущей частотой), так как это число, до которого он будет считаться, прежде чем он будет сброшен на ноль. Таким образом, чем выше значение TOP, тем выше битовая глубина, но тем ниже частота ШИМ (большее время счета). Это фундаментальный компромисс с ШИМ: чем быстрее вы работаете, тем меньше точность. Это точно такая же проблема, которую мы показали с АЦП ATmega. Ниже приводится информация, которая поможет вам решить, какая частота подходит для вашего приложения.

2. Компромисс между частотой ШИМ и минимальным уровнем шума.

Самый слабый сигнал, который вы можете услышать, определяется вашим минимальным уровнем шума. Это низкое «шипение», которое вы слышите на фоне большинства сигналов. Для аудиоприложений вы хотите, чтобы это было ниже уровня, определяемого ухом. Но это часто недостижимо с генератором ШИМ. Иногда этот шум интересен и хорошо звучит — например, 8-битная музыка из видеоигр. Но если вам нужен звук «качества компакт-диска», вам понадобится 16 бит данных.Какой именно уровень шума является приемлемым, зависит от вас, но чтобы получить более низкий уровень шума, вам нужно использовать больше битов, а точное количество задается уравнением:

SNR (дБ) = (битовая глубина) * 6,02 дБ + 1,76 дБ.

Хорошее объяснение этого уравнения дается в этом приложении Analog Devices. Примечание.

Чтобы получить больше битов, у вас есть 2 варианта: снизить частоту ШИМ или увеличить количество используемых ШИМ. В конечном счете, частота ШИМ должна быть как минимум в два раза больше интересующей нас частоты (согласно теории Найквиста).Кроме того, если частота ШИМ находится в слышимом диапазоне (менее 20 кГц), вам нужно будет ее сильно отфильтровать, чтобы не слышать высокий визг за всеми вашими звуками. Это устанавливает твердый предел того, сколько битов вы можете достичь с помощью Arduino, не добавляя тонны дополнительных схем.

Внутри ATmega328 таймеры могут работать так же быстро, как системные часы (16 МГц для Arduino, максимум 20 МГц в противном случае). В линейке Atmel есть и другие микроконтроллеры, которые используют внутреннюю ФАПЧ для достижения более высоких системных часов (AT90PWM может работать на частоте 64 МГц).(B / n)) , где B — это желаемая битовая глубина, м, — номер наклона (1 для быстрой ШИМ, 2 для фазовой коррекции) и n — количество используемых ШИМ.

Рисунок 2 — Компромисс между битовой глубиной и частотой для различных методов PMW при тактовой частоте ввода-вывода 16 МГц.

Итак, что это за различные варианты, показанные выше? Во-первых, у нас есть Fast PWM (Single slope) по сравнению с Phase Correct PWM (Dual Slope). При использовании Fast PWM счетчик увеличится до TOP, а затем сбрасывается до нуля, тогда как Phase Correct PWM достигнет TOP, а затем обратный отсчет до нуля, где он будет снова увеличиваться.Для выполнения цикла Phase Correct требуется в два раза больше времени, поэтому он будет выполняться только вдвое медленнее для любой заданной битовой глубины, но это намного, намного более высокая точность, как будет объяснено позже. Одиночный и двойной ШИМ относятся к тому, сколько выходов ШИМ вы суммируете, чтобы создать аналоговый сигнал, и это будет объяснено далее.

3. Двойные и тройные ШИМ.

В одной выходной схеме ШИМ используется только один выходной контакт для создания аналогового сигнала. Но вы можете так же легко создать второй аналоговый сигнал и добавить его к первому, чтобы получить сигнал с более высоким разрешением.И, правильно выбрав коэффициент суммирования, вы можете сделать этот второй сигнал намного меньшим, чем первый, и представить серию битов гораздо более низкого порядка. Например, если у вас соотношение резисторов 1: 256, то первый ШИМ может быть старшими 8 битами, а второй ШИМ может быть младшими 8 битами, что в сумме даст разрешение 16 бит! Пример одиночного и двойного ШИМ показан ниже.

Рисунок 3 — Простые реализации одиночной и двойной ШИМ.

Этот метод ШИМ-микширования можно использовать в тройных и учетверенных реализациях, но его преимущества быстро начинают тускнеть.Если вы заинтересованы в создании одной из этих схем, мы провели углубленный анализ ШИМ более высокого порядка, показывая, как выбирать значения, и перечисляя распространенные ошибки. Мы также нашли удивительную версию, которая отправилась в космос. Поэтому перейдите по предыдущей ссылке, чтобы узнать больше!

4. Искажения в ШИМ.

То, что вы получаете много битов на частоте выше 20 кГц, не означает, что у вас будет хорошее звучание! Гармонические искажения и другие нежелательные частоты могут быстро испортить ваш сигнал.К счастью, есть кое-что, что вы можете сделать, чтобы уменьшить эти надоедливые проблемы. Первый — работать на более высокой частоте ШИМ. ШИМ можно рассматривать как амплитудную модуляцию (AM) вашей несущей (PWM) частоты. Как и в случае любого метода AM, вы в конечном итоге создаете боковые полосы, разнесенные на частотах вашего сигнала. Итак, если у вас есть несущая 30 кГц, и вы создаете тон 5 кГц, у вас будут сигналы с частотой 30 кГц +/- 5 кГц, 10 кГц, 15 кГц и т. Д. Эти боковые полосы уменьшаются по амплитуде по мере удаления от несущей, но они все-еще существует.Обычно требуется около 5 или 6 долей, прежде чем они упадут ниже минимального уровня шума. Итак, для приведенного выше примера у вас будут сгенерированы сигналы 30 кГц, 25 кГц, 20 кГц, 15 кГц, 10 кГц и 5 кГц, половина из которых находится в слышимом диапазоне. Когда ваш сигнал даже кратен несущей (как указано выше), эта проблема действительно серьезна, поскольку гармоники сигнала складываются с гармониками несущей.

Увеличение частоты несущей до 60 кГц исправит приведенный выше пример, поскольку боковые полосы будут падать на 55 кГц, 50 кГц, 45 кГц, 40 кГц и 35 кГц, а не в звуковом диапазоне.Хорошее практическое правило заключается в том, что несущая должна быть в 7 раз выше, чем самая большая интересующая вас частота (без боковых полос). Поэтому, если вам нужны полные 20 кГц, вам нужна частота ШИМ 140 кГц, что редко бывает достижимо в практических приложениях. Для приложений с действительно высокой точностью воспроизведения, таких как усилители класса D, это обычно составляет от 200 кГц до 500 кГц. Но, как и во всем, вам следует проверить, чего вы можете достичь, и посмотреть, достаточно ли это хорошо.

Второй эффект увеличения частоты ШИМ заключается в том, что вы увеличиваете временное разрешение вашего сигнала и значительно уменьшаете его гармонические искажения.Чтобы узнать больше об этих эффектах и ​​подробностях о соотношении частота / искажение, посетите нашу страницу анализа искажений ШИМ. Он переполнен практической информацией. И действительно, а как еще узнать, как далеко заходит кроличья нора?

5. Заключительные соображения.

При выборе схемы ШИМ необходимо учитывать ряд факторов — количество суммированных ШИМ, частоту ШИМ, быструю и фазовую коррекцию и т. Д. Но как выбрать идеальную зону наилучшего восприятия для вашего приложения? Вероятно, лучшая отправная точка — это скорость генерации данных.Как быстро будет готов к выпуску новый образец? Если вы выполняете прямое воспроизведение, вы можете перейти на относительно высокие частоты, так как микроконтроллеру не нужно будет выполнять какие-либо вычисления перед выводом данных. Но если вы обрабатываете звук или генерируете его «на лету», как это делается в педали эффектов или синтезаторе, тогда вам нужна как можно более низкая частота воспроизведения, чтобы максимизировать время обработки данных. Для 8-битного микроконтроллера это, вероятно, лучше всего поддерживать в диапазоне от 30 кГц до 80 кГц (последний дает только 256 тактов для обработки).Вы можете удвоить скорость воспроизведения сэмплов и повторять сэмплы (эффективно передискретизируя данные), но если вы не очень хорошо разбираетесь в реализации и не избегаете обслуживания прерывания для вывода повторяющегося сэмпла, вы в конечном итоге потратите слишком много времени на прерывания с мало что осталось для обработки. Кроме того, этот метод передискретизации не просто удваивает частоту ШИМ, он просто ослабляет исходную частоту ШИМ и добавляет второй компонент с удвоенной частотой. Гармонические искажения также существенно не улучшаются.Так что пользы от него очень мало, если только его нельзя реализовать без накладных расходов на обработку.

Далее может быть сделан выбор между одиночным, двойным или тройным ШИМ. Если у вас есть запасной выход ШИМ, очень легко реализовать двойной ШИМ, и это значительно улучшит ситуацию. Тройной и четверной ШИМ, вероятно, не стоят дополнительных усилий, поскольку требуемые им частоты ШИМ довольно высоки, и процессор не сможет вовремя создавать новые данные. Кроме того, пропорции смешивания резисторов должны быть почти невозможно точными.

Наконец, после того, как вы выбрали топологию и частоту, вы можете увидеть, какой компромисс между битовой глубиной есть при использовании Fast PWM или Phase Correct PWM. Если только сигналы, которые вы генерируете, не будут очень низкочастотными, почти всегда лучше пожертвовать немного или двумя разрешениями ради уменьшения искажений, которые дает вам Phase Correct PWM.

Несколько других нюансов, о которых следует помнить: 1. Генерация и вывод значений 2 x 8 бит требует меньших вычислений, чем значения 2 x 7 бит, и значения 2 x 4 бит также довольно легко сгенерировать.2. Если ваша частота ШИМ находится за пределами слышимого диапазона, вам не нужно тратить много усилий на ее фильтрацию, если только усилитель, в который вы ее вставляете, не имеет хорошего фильтра нижних частот на 20 кГц. На звуковых картах и ​​микшерных платах довольно часто используется частота нижних частот 30 кГц или 40 кГц, так что будьте осторожны. Ваш сигнал может легко исказить входные каскады усилителя, даже если ваши сигналы находятся за пределами слышимого диапазона. В этих случаях активный фильтр 3-го порядка с одним операционным усилителем решит проблему.

6. Настройка ATmega328 (Arduino).