Цифровые устройства, например, микроконтроллер может работать только с двумя уровнями сигнала, т.е. ноль и единица или выключено и включено. Таким образом, вы можете легко использовать его для контроля состояния нагрузки, например включит или выключить светодиод. Так же вы можете использовать его для управления любым электрическим прибором, используя соответствующие драйверы (транзистор, симистор, реле и т.д.).Но иногда нужно больше, чем просто "включить" и "выключить" устройство. Поэтому, если вы хотите контролировать яркость светодиода (или лампы) или скорости двигателя постоянного тока, то цифровые сигналы просто не могу этого сделать. Эта ситуация очень часто встречается в цифровой технике и называется Широтно-Импульсной Модуляцией(PWM).
Почти все современные микроконтроллеры имеют специализированные аппаратные средства для генерации ШИМ-сигнала. В этом уроке мы будем изучать основы техники ШИМ и в дальнейшем мы увидим, как реализовать ШИМ с помощью микроконтроллеров AVR.
Цифровые устройства, как микроконтроллер может генерировать только два уровня на выходных линиях, высокий = 5В и низкий = 0В. Но что, если мы хотим получить 2,5 или 3,1 или любое напряжение в пределах 0-5В? Для этого, вместо создания постоянного напряжения постоянного тока на выходе мы будем генерировать меандр, который имеет высокий = 5В и низкий = 0V уровни (см. рисунок 1).
Из рисунка видно что сигнал на некоторое время остается поочередно на низком и высоком уровне. Т0 - низкий уровень, Т1 - высокий уровень. Период сигнала будет равен Т = Т0+Т1. Период импульсов - это промежуток времени, между двумя характерными точками двух соседних импульсов. Обычно период измеряют между двух фронтов или двух спадов соседних импульсов и обозначают заглавной латинской буквой T.
Период следования импульсов напрямую связан с частотой импульсной последовательности, и его можно вычислить по формуле: Т = 1/F
Если длина импульса T1 точно равна половине периода T, то такой сигнал часто называют "меандр".
Скважностью импульсов называется отношение периода следования импульсов к их длительности и обозначается буквой S: S = T/T1
Скважность - безразмерная величина и не имеет единиц измерения, но может быть выражена в процентах. Часто в англоязычных текстах встречается термин Duty cycle, это так называемый коэффициент заполнения или величина рабочего цикла ШИМ. Коэффициент заполнения D является величиной, обратной скважности.
Коэффициент заполнения обычно выражается в процентах и вычисляется по формуле: D=1/S или так D = T1/T*100%
На рисунке выше (рис. 1) можно увидеть, что T1 = T0, это равно половине периода времени. Так величина рабочего цикла ШИМ составляет 50%. Если частота таких импульсов достаточно велика (скажем, 5000 Гц), то мы получаем половину от 5В т.е. 2,5В. Таким образом, если выход контроллера связан с двигателем (с помощью соответствующих драйверов) он будет работать на 50% его полной скорости. Техника ШИМ использует этот факт для создания любого напряжения между двумя уровнями (например, между 0-12В). Весь фокус в том,что при изменении величины рабочего цикла между 0-100% получаем тот же процент входного напряжения на выходе. Ниже приведены некоторые примеры ШИМ сигнала различной скважности.
Коэффициент заполнения равен 20%. Напряжение на выходе будет равно 20% от 5В, т.е. 1В.
Коэффициент заполнения равен 80%. Напряжение на выходе будет равно 80% от 5В, т.е. 4В.
Если на выходе поставить R/С фильтр, то можно получить чистый DC уровень сигнала, а не квадратные волны. Но это не требуется для коллекторных двигателей или для управления яркостью светодиодов. Для этого можно подавать ШИМ сигнал непосредственно на драйвер (например, биполярный транзистор, MOSFET и т.д.).
Режимы работы ШИМ
Под режимом работы 16-разр. таймера понимается его алгоритм счета и поведение связанного с ним выхода формирователя импульсов, что определяется комбинацией бит, задающих режим работы таймера (WGMn3-0) и режим формирования выходного сигнала (COMnx1:0). При этом биты задания режима формирования выходного сигнала не влияют на алгоритм счета, т.к. алгоритм счета зависит только от состояния бит задания режима работы таймера. В режимах с ШИМ биты COMnx1:0 позволяют включить/отключить инверсию на генерируемом ШИМ-выходе (т.е. выбрать ШИМ с инверсией или ШИМ без инверсии). Для режимов без ШИМ биты COMnx1:0 определяют, какое действие необходимо выполнить при возникновении совпадения: сбросить, установить или инвертировать выход (см. также “Блок формирования выходного сигнала” и "Временные диаграммы 16-разр. таймеров-счетчиков").
Нормальный режим работы
Самым простым режимом работы является нормальный режим (WGMn3-0 = 0b0000). В данном режиме счетчик работает как суммирующий (инкрементирующий), при этом сброс счетчика не выполняется. Переполнение счетчика происходит при переходе через максимальное 16-разр. значение (0xFFFF) к нижнему пределу счета (0x0000). В нормальном режиме работы флаг переполнения таймера-счетчика TOVn будет установлен на том же такте синхронизации, когда TCNTn примет нулевое значение.
Фактически, флаг переполнения TOVn является 17-ым битом таймера-счетчика за тем исключением, что он только устанавливается и не сбрасывается. Однако программно это свойство может быть использовано для повышения разрешающей способности таймера, если использовать прерывание по переполнению таймера, при возникновении которого флаг TOVn сбрасывается автоматически. Для нормального режима работы не существует каких-либо особых ситуаций, поэтому запись нового состояния счетчика может быть выполнена в любой момент.
В нормальном режиме можно использовать блок захвата. Однако при этом следует соблюдать, чтобы максимальный интервал времени между возникновениями внешних событий не превысил периода переполнения счетчика. Если такое условие не соблюдается, необходимо использовать прерывание по переполнению таймера-счетчика или предделитель.
Блок сравнения может использоваться для генерации прерываний. Не рекомендуется использовать выход OCnx для генерации сигналов в нормальном режиме работы, т.к. в этом случае будет затрачена значительная часть процессорного времени.
Режим сброса таймера при совпадении (СТС)
В режиме СТС (WGM01, WGM00 =0b10) регистр OCR0 используется для задания разрешающей способности счетчика. Если задан режим CTC и значение счетчика (TCNT0) совпадает со значением регистра OCR0, то счетчик обнуляется (TCNT0=0). Таким образом, OCR0 задает вершину счета счетчика, а, следовательно, и его разрешающую способность. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий.
В режиме сброса таймера при совпадении (WGMn3-0 = 0b0100 или 0b1100) разрешающая способность таймера задается регистрами OCRnA или ICRn. В режиме СТС происходит сброс счетчика (TCNTn), если его значение совпадает со значением регистра OCRnA (WGMn3-0 = 0b0100) или с ICRn (WGMn3-0 = 0b1100). Значение регистра OCRnA или ICRn определяет верхний предел счета, а, следовательно, и разрешающую способность таймера. В данном режиме обеспечивается более широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних событий. Временная диаграмма работы таймера в режиме СТС показана на рисунке 1. Счетчик (TCNTn) инкрементирует свое состояние до тех пор, пока не возникнет совпадение со значением OCRnA или ICRn, а затем счетчик (TCNTn) сбрасывается.
По достижении верхнего предела счета может генерироваться прерывание с помощью флагов OCFnA или ICFn, соответствующим используемым регистрам для задания верхнего предела счета. Если прерывание разрешено, то процедура обработки прерывания может использоваться для обновления верхнего предела счета. Однако, задание значения вершины счета близкого к значению нижнего предела счета, когда счетчик работает без предделения или с малым значением предделения, необходимо выполнять с особой осторожностью, т.к. в режиме СТС нет двойной буферизации. Если значение, записанное в OCRnA или ICRn, меньше текущего значения TCNTn, то сброс счетчика по условию совпадения наступит, когда он достигнет максимального значения (0xFFFF), затем перейдет в исходное состояние 0x0000 и достигнет нового значения OCRnA или ICRn. Во многих случаях возникновение такой ситуации не желательно. В качестве альтернативы может выступить режим быстрой ШИМ, где регистр OCRnA определяет верхний предел счета (WGMn3-0 = 0b1111), т.к. в этом случае OCRnA имеет двойную буферизацию.
Для генерации сигнала в режиме CTC выход OCnA может использоваться для изменения логического уровня при каждом совпадении, для чего необходимо задать режим переключения (COMnA1, COMnA0 = 0b01). Значение OCnA будет присутствовать на выводе порта, только если для данного вывода задано выходное направление. Максимальная частота генерируемого сигнала равна fOC0 = fclk_I/O/2, если OCRnA = 0x0000. Для других значений OCRn частоту генерируемого сигнала можно определить по формуле:
где переменная N задает коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Также как и для нормального режима работы, флаг TOV0 устанавливается на том же такте таймера, когда его значение изменяется с 0xFFFF на 0x0000.
Режим быстрой ШИМ (FAST PWM)
Режим быстрой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (WGMn3-0 = 0b0101, 0b0110, 0b0111, 0b1110, 0b1111) предназначен для генерации ШИМ-импульсов повышенной частоты. В отличие от других режимов работы в этом используется однонаправленная работа счетчика. Счет выполняется в направлении от нижнего к верхнему пределу счета.
Если задан неинвертирующий режим выхода, то при совпадении TCNTn и OCRnx сигнал OCnx устанавливается, а на верхнем пределе счета сбрасывается. Если задан инвертирующий режим, то выход OCnx сбрасывается при совпадении и устанавливается на верхнем пределе счета. За счет однонаправленности счета, рабочая частота для данного режима в два раза выше по сравнению с режимом ШИМ с фазовой коррекцией, где используется двунаправленный счет. Возможность генерации высокочастотных ШИМ сигналов делает использование данного режима полезным в задачах стабилизации питания, выпрямления и цифро-аналогового преобразования. Высокая частота, при этом, позволяет использовать внешние элементы физически малых размеров (индуктивности, конденсаторы), тем самым снижая общую стоимость системы.
Разрешающая способность ШИМ может быть фиксированной 8, 9 или 10 разрядов или задаваться регистром ICRn или OCRnA, но не менее 2 разрядов (ICRn или OCRnA = 0x0003) и не более 16 разрядов (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ при заданном значении верхнего предела (ВП) вычисляется следующим образом:
В режиме быстрой ШИМ счетчик инкрементируется до совпадения его значения с одним из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (если WGMn3:0 = 0b0101, 0b0110 или 0b0111, соответственно), значением в ICRn (если WGMn3:0 = 0b1110) или значением в OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1111), а затем сбрасывается следующим тактом синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ представлена на рисунке 2. На рисунке показан режим быстрой ШИМ, когда для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn на временной диаграмме показано в виде графика функции для иллюстрации однонаправленности счета. На диаграмме показаны как инвертированный, так и неинвертированный ШИМ-выходы. Короткой горизонтальной линией показаны точки на графике TCNTn, где совпадают значения OCRnx и TCNTnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадении.
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает верхнего предела. Дополнительно тем же тактовым импульсом вместе с флагом TOVn могут установиться флаги OCnA или ICFn, если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, соответственно. Если одно из этих прерываний разрешено, то в процедуре обработки прерывания может быть выполнено обновление верхнего предела счета и порогов сравнения.
Если изменяется значение верхнего предела счета, то необходимо соблюдение условия, чтобы записываемое новое значение верхнего предела было больше или равно значений во всех регистрах порога сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела во время записи в регистры OCRnx происходит маскирование к 0 неиспользуемых разрядов.
Механизм модификации регистра ICRn отличается от OCRnA в том случае, если он используется для задания верхнего предела. Регистр ICRn не имеет двойной буферизации. Это означает, что если в ICRn записывается малое значение во время работы счетчика с малым предделением или без него, то имеется опасность записи в регистр ICRn значения, которое окажется меньше текущего значения TCNTn. Как результат, в такой ситуации будет пропущено совпадение на вершине счета. В этом случае счетчик дойдет до максимального значения (0xFFFF), перезапустится со значения 0x0000, а только затем возникнет совпадение. Регистр OCRnA содержит схему двойной буферизации, поэтому, его можно модифицировать в любой момент времени.
Если выполняется запись по адресу OCRnA, то фактически значение помещается в буферный регистр OCRnA. Если же возникает совпадение между TCNTn и вершиной счета, то следующим тактом синхронизации таймера происходит копирование буферного регистра в регистр порога сравнения OCRnA. Обновление регистра выполняется тем же тактом, что и сброс TCNTn и установка флага TOVn.
Рекомендуется использовать регистр ICRn для задания верхнего предела, если верхний предел счета является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для генерации ШИМ-сигнала на выходе OCnA. Однако, если частота ШИМ динамически изменяется (за счет изменения верхнего предела), то в этом случае выгоднее использовать регистр OCRnA для задания верхнего предела, т.к. он поддерживает двойную буферизацию.
В режиме быстрой ШИМ блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если COMnx1:0 =0b10, то задается ШИМ без инверсии выхода, а если COMnx1:0 = 0b11, то задается режим ШИМ с инверсией на выходе (см. таблицу 59). Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если для него задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при возникновении совпадения между OCRnx и TCNTn, а также путем сброса (установки) регистра OCnx вместе со сбросом счетчика (переход с верхнего предела на нижний предел).
Частота ШИМ выходного сигнала для заданного значения верхнего предела (ВП) определяется выражением:
где N – переменная, которая задает значение коэффициента предделения (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-импульсов. Если OCRnx установить равным нижнему пределу (0x0000), то на выходе будет возникать короткий импульс каждый (ВП+1)-ый такт синхронизации таймера. Запись в OCRnx значения равного верхнему пределу приведет к установке постоянного уровня лог. 1 или 0 на выходе (зависит от выбранной с помощью бит COMnx1:0 полярности выходного сигнала).
Если требуется генерация меандра (прямоугольные импульсы со скважностью 2 или заполнением 50%) высокой частоты, то необходимо использовать режим быстрой ШИМ с установкой бит COMnA1:0 = 0b01, которая вызывает переключение (инвертирование) логического уровня на выходе OCnA при каждом совпадении. Данное применимо, только если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3-0 =0b1111). Максимальная генерируемая частота меандра в этом случае fOCnA = fclk_I/O/2, если OCRnA =0x0000. Данная особенность аналогична переключению OCnA в режиме СТС за исключением двойной буферизации, которая имеется в режиме быстрой ШИМ.
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (Phase Correct)
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией (ШИМ ФК) (WGMn3-0 = 0b0001, 0b010, 0b0011, 0b1010 или 0b1011) предназначен для генерации ШИМ сигнала с фазовой коррекцией и высокой разрешающей способностью. Режим ШИМ ФК основан на двунаправленной работе таймера-счетчика. Счетчик циклически выполняет счет в направлении от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим выхода формирователя импульсов, то выход OCnx сбрасывается/устанавливается при совпадении значений TCNTn и OCRnx во время прямого/обратного счета. Если задан инвертирующий режим выхода, то, наоборот, во время прямого счета происходит установка, а во время обратного – сброс выхода OCnx. При двунаправленной работе максимальная частота ШИМ-сигнала меньше, чем при однонаправленной работе, однако, за счет такой особенности, как симметричность в режимах ШИМ с двунаправленной работой, данные режимы предпочитают использовать при решении задач управления приводами.
Разрешающая способность ШИМ в данном режиме может быть либо фиксированной (8, 9 или 10 разрядов) либо задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-м разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная -16-ти разрядам (ICRn или OCRnA =0xFFFF). Если задан верхний предел, то разрешающая способность ШИМ в данном режиме определяется следующим образом:
В режиме ШИМ ФК счетчик инкрементируется пока не достигнет одного из фиксированных значений 0x00FF, 0x01FF или 0x03FF (соответственно для WGMn3-0 = 0b0001, 0b0010 или 0b0011), а также значения равного ICRn (если WGMn3-0 = 0b1010) или OCRnA (если WGMn3:0 = 0b1011). Далее, при достижении верхнего предела, счетчик изменяет направление счета. Значение TCNTn остается равным верхнему пределу в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФК представлена на рисунке 3. На рисунке показан режим ШИМ ФК с использованием регистра OCRnA или ICRn для задания верхнего предела. Состояние TCNTn представлено в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На рисунке представлены, как неинвертированный, так и инвертированный ШИМ-выход. Короткие горизонтальные линии указывают точки на графике изменения TCNTn, где возникает совпадение со значением OCRnx. Флаг прерывания OCnx устанавливается при возникновении совпадения.
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается всякий раз, когда счетчик достигает нижнего предела. Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то, соответственно устанавливается флаг OCnA или ICFn тем же тактовым импульсом, на котором произошло обновление регистра OCRnx из буферного регистра (на вершине счета). Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания по достижении счетчиком нижнего или верхнего предела.
При изменении значения верхнего предела счета необходимо следить, чтобы оно было больше или равно значениям во всех регистрах сравнения. В противном случае совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не возникнет. Обратите внимание, что при использовании фиксированных значений верхнего предела счета во время записи в регистры OCRnx неиспользуемые разряды обнуляются. Третий период на рисунке 53 иллюстрирует случай, когда динамическое изменение верхнего предела счета приводит к генерации несимметричного импульса. Данная особенность основывается на времени обновления регистра OCRnx. Поскольку, обновление OCRnx возникает на вершине счета, то и период ШИМ начинается и заканчивается на вершине счета. Это подразумевает, что длительность обратного счета определяется предыдущим значением верхнего предела, а прямого – новым значением верхнего предела. Если два этих значения разные, то и длительность прямого и обратного счета будет также отличаться. Различие в длительности приводит несимметричности выходных импульсов.
Если стоит задача изменения верхнего предела при работающем счетчике, то вместо этого режима рекомендуется использовать режим ШИМ ФЧК (фазовая и частотная коррекция). Если используется статическое значение верхнего предела, то между данными режимами практически нет отличий.
В режиме ШИМ ФК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-сигналы на выводах OCnx. Если установить COMnx1:0 = 0b10, то выход ШИМ будет без инверсии, а если COMnx1:0=0b11, то с инверсией. Фактическое значение OCnx можно наблюдать на выводе порта, если в регистре направления данных для данного вывода порта задано выходное направление (DDR_OCnx). ШИМ-сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении значений OCRnx и TCNTn во время прямого счета, а также путем сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Результирующая частота ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК при заданном верхнем пределе (ВП) может быть вычислена по следующему выражению:
где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Запись предельных значений в регистр OCRnx связано с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в режиме ШИМ ФК. Если задать режим ШИМ без инверсии и OCRnx установить равным нижнему пределу, то на выходе непрерывно будет установлен лог. 0, а если равным верхнему пределу, то на выходе постоянно присутствует лог. 1. Для ШИМ с инверсией указанные уровни необходимо заменить противоположными.
Если задать использование OCnA в качестве верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1011) и установить COMnA1:0 =0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (Phase and Frequency Correct)
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой и частотной коррекцией (ШИМ ФЧК) (WGMn3-0 = 0b1000 или 0b1001) предназначен для генерации ШИМ-импульсов высокой разрешающей способности с фазовой и частотной коррекцией. Также как и режим ШИМ ФК режим ШИМ ФЧК основан на двунаправленной работе счетчика. Счетчик циклически считает от нижнего предела (0x0000) до верхнего предела, а затем обратно от верхнего предела к нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим ШИМ, то выход OCnx сбрасывается, если возникает совпадение между TCNTn и OCRnx во время прямого счета, и устанавливается, если возникает совпадение во время обратного счета. В инвертирующем режиме работа инверсная. Двунаправленная работа, по сравнению с однонаправленной, связана с генерацией более низких частот. Однако, благодаря симметричности в режимах ШИМ с двунаправленным счетом, их применение предпочтительно в задачах управления приводами.
Основное отличие между режимами ШИМ ФК и ШИМ ФЧК состоит в моменте обновления регистра OCRnx из буферного регистра OCRnx (см. рисунок 3 и рисунок 4).
Разрешающая способность ШИМ в этом режиме может задаваться с помощью регистра ICRn или OCRnA. Минимальная разрешающая способность равна 2-ум разрядам (ICRn или OCRnA = 0x0003), а максимальная разрешающая способность - 16-ти разрядам (ICRn или OCRnA = 0xFFFF). Разрешающая способность ШИМ в разрядах может быть вычислена по следующему выражению:
В режиме ШИМ ФЧК счетчик инкрементируется до совпадения со значением в ICRn (WGMn3:0 = 0b1000) или в OCRnA (WGMn3:0 = 0b1001). Это означает достижение вершины счета, после чего происходит изменение направления счета. Значение TCNTn остается равным вершине счета в течение одного такта синхронизации таймера. Временная диаграмма для режима ШИМ ФЧК показана на рисунке 54. На рисунке показан режим ШИМ ФЧК, когда вершину счета задает регистр OCRnA или ICRn. Значение TCNTn показано в виде графика функции для иллюстрации двунаправленности счета. На диаграмме показан как неинвертирующий, так и инвертирующий ШИМ выходы. Короткие горизонтальные линии указывают на точки график TCNTn, где возникает совпадение между OCRnx и TCNTn. Флаг прерывания OCnx устанавливается после возникновения совпадения.
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOVn) устанавливается тем же тактом, когда произошло обновление регистров значением из буферного регистра (на нижнем пределе счета). Если для задания верхнего предела используется регистр OCRnA или ICRn, то по достижении счетчиком верхнего предела устанавливается флаг OCnA или ICFn, соответственно. Флаги прерывания могут использоваться для генерации прерывания при достижении счетчиком верхнего или нижнего предела.
При изменении верхнего предела необходимо следить, чтобы новое значение было больше или равно значениям во всех регистрах порога сравнения. В противном случае, если задано значение верхнего предела меньше любого из значений регистров порога сравнения, совпадение между TCNTn и OCRnx никогда не наступит.
На рисунке 4 показано, что в отличие от режима ШИМ ФК, генерируемый выходной сигнал симметричен на всех периодах. Поскольку, регистры OCRnx обновляются на нижнем пределе счета, то длительности прямого и обратного счетов всегда равны. В результате выходные импульсы имеют симметричную форму, а, следовательно, и откорректированную частоту.
Использование регистра ICRn для задания верхнего предела рекомендуется, если значение верхнего предела является константой. В этом случае также освобождается регистр OCRnA для широтно-импульсной модуляции импульсов на выводе OCnA. Однако если требуется динамическое изменение частоты ШИМ за счет изменения верхнего предела, то для задания верхнего предела рекомендуется использовать регистр OCRnA за счет наличия у него двойной буферизации.
В режиме ШИМ ФЧК блоки сравнения позволяют генерировать ШИМ-импульсы на выводе OCnx. Если COMnx1:0 = 0b10, то задается неинвертирующий ШИМ выход, а, если COMnx1:0=0b11, то инвертирующий (см. таблицу 60). Значение OCnx будет присутствовать на соответствующем выводе порта только в случае, если для него задано выходное направление. ШИМ сигнал генерируется путем установки (сброса) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время прямого счета и сброса (установки) регистра OCnx при совпадении между OCRnx и TCNTn во время обратного счета. Частота ШИМ в данном режиме при заданном верхнем пределе (ВП) счета определяется следующим образом:
где N – коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Запись предельных значений в регистр OCRnx связана с особыми случаями в генерации ШИМ-сигналов в данном режиме. Если задать OCRnx равным нижнему пределу (0x0000), то в неинвертирующем режиме на выходе будет постоянного присутствовать низкий логический уровень, а при записи значения равного верхнему пределу на выходе будет длительно присутствовать высокий логический уровень. В инвертирующем режиме приведенные уровни будут противоположными.
Если OCRnA используется для задания верхнего предела (WGMn3:0 = 0b1001) и COMnA1:0 = 0b01, то на выходе OCnA будет генерироваться меандр.
Пример работы ШИМ
Задача: Разработаем программу управления яркостью лампы накаливания на 12 Вольт при помощи ШИМ. При нажатии на кнопку «Больше» яркость лампы увеличивается, при нажатии на кнопку «Меньше» яркость уменьшается. Схема нашего будущего устройства показана на рисунке. Как обычно используем микроконтроллер Atmega8, который будет тактироваться от внутреннего генератора частотой 4MHz. Собственно у нас получится диммер, эти устройства предназначены для регулировки яркости осветительных приборов. Сейчас наибольшее распространение получили светодиодные диммеры.
Для простоты к нашей схеме можно тоже подключить светодиод, но с лампочкой будет нагляднее. Кнопки подключены к выводам PD0, PD1. Нагрузку подключаем к выводу PB1(OC1A) через резистор и полевой транзистор MOSFET, который и будет работать у нас в качестве ключа (в ключевом режиме). Полевой транзистор предпочтительней потому, что его затвор изолирован от силовой схемы и управление производится электрическим полем, а ток управления достигает микроампер. Это позволяет, используя один-два транзистора, управлять нагрузкой огромной мощности (до десятков ампер и десятков-сотен вольт), не нагружая микроконтроллер. Учитывая также тот факт, что полевые транзисторы можно соединять параллельно (в отличие от биполярных), возможно получить еще более мощный каскад на сотни ампер.
Теперь разберемся, как микроконтроллер реализует ШИМ и напишем программу. Как уже говорилось ранее, в нашем МК есть 3 таймера, и все они могут работать в ШИМ-режиме. Мы будем работать с шестнадцатиразрядным таймером/счетчиком. Битами WGM13-10 настроим наш таймер на работу FastPWM с верхним пределом счета ICR1. Принцип программы такой, наш таймер считает от 0 до 65535(0xFFFF), в регистр ICR1 впишем число 255, это будет верхний предел счета таймера(TOP), частота ШИМ сигнала у нас будет постоянной. Также наш таймер настроен на то, что при совпадении счетного регистра и регистра сравнения (TCNT1 = OCR1A) будет переключатся вывод контроллера OC1A. Коэффициент заполнения ШИМ можно изменить, записав в регистр сравнения OCR1A определенное число от 0 до 255, чем больше это число тем больше будет коэффициент заполнения, тем ярче будет гореть лампа. В зависимости от того какая кнопка нажата меняется переменная i, а потом она записывается в регистр OCR1A.
Полный текст программы представлен ниже. В комментариях более подробно описана работа программы.
/***Занятие №8. Формирование ШИМ сигналов***/
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
int main(void)
{
unsigned int i=0; //определяем переменную i
/***Настройка портов ввода-вывода***/
PORTB = 0x00;
DDRB |= (1 << PB1);
PORTD |= (1 << PD1)|(1 << PD0); // подключаем внутренние нагрузочные резисторы
DDRD = 0x00;
/***Настройка таймера***/
TCCR1A |= (1 << COM1A1)|(0 << COM1A0) // Установим биты COM1A1-COM1A0:0b10, означает сброс вывода канала A при сравнении
|(1 << WGM11)|(0 << WGM10); // Установим биты WGM13-10:0b1110, согласно таблице это
TCCR1B |= (1 << WGM13)|(1 << WGM12) // будет режим - FAST PWM, где верхний предел счета задается битом ICR1
|(0 << CS12)|(0 << CS11)|(1 << CS10); // Битами CS12-10:0b001 задаем источник тактового сигнала для таймера МК, включен без делителя
TCNT1 = 0x00; // начальная установка счетчика
ICR1 = 0xFF; // задаем период ШИМ, здесь у нас число 255,
// по формуле fPWM=fclk_I/O/N*(1+ICR1)// вычисляем частоту ШИМ, она будет равна 15625 Hz
OCR1A = 0x00; // начальный коэффициент заполнения ШИМ
/***Основной цикл программы***/
while(1)
{
if((PIND&(1 << PD0)) == 0) //если кнопка "больше" нажата
{
if (i < 254)
{ // коэффициент заполнения ШИМ изменяется от 0 до 255
i=i+1; // увеличиваем i на единицу
OCR1A = i; // записываем переменную в регистр сравнения
_delay_ms(30); // задержка 30ms
}
}
if((PIND&(1 << PD1)) == 0) //если кнопка "меньше" нажата
{
if (i > 0) // коэффициент заполнения ШИМ изменяется от 255 до 0
{
i--; // уменьшаем i на единицу(так тоже можно писать)
OCR1A = i; // записываем переменную в регистр сравнения
_delay_ms(30); // задержка 30ms
}
}
}
}
Внимание! Сперва подаем питание на микроконтроллер, потом нужно убедиться, что транзистор подсоединен к выводу МК, и лишь затем подавать питание в цепь с лампой и полевым транзистором. Иначе можете сжечь транзистор. Дело в том, что в выключенном состоянии "ножки" МК "болтаются в воздухе" - они ни к чему не подключены, и на них возникают наводки. Этих слабеньких наводок достаточно, чтобы частично открыть очень чувствительный полевой транзистор. Тогда его сопротивление между стоком и истоком упадет от нескольких МОм до нескольких Ом или долей Ом и через него потечет большой ток к лампе. Но транзистор не откроется полностью, т. к. для этого нужно подать на затвор не 1-3 В наводки, а стабильные 5 В, и его сопротивление будет намного больше минимального. Это приведет к выделению на нем большого количества тепла, и он задымится, а может и сгореть.
Комментарии