Таймеры ШИМ (Лекция)

Очевидно, что нужен какой-то внешний счетчик, который тикал бы независимо от работы процессора, а процессор мог в любой момент посмотреть, что в нем такое натикало. Либо чтобы счетчик выдавал события по переполнению или опустошению – флаг поднимал или прерывание генерировал. А процессор это увидит и обработает. И такой счетчик есть, даже не один – это периферийные таймеры. В AVR их может быть несколько штук с разной разрядностью. В ATmega16 три, в ATmega128 четыре. Причем таймер может быть не просто счетчиком, таймер является одним из самых многофункциональных (в плане альтернативных функций) периферийных устройств.

Что умеют таймеры

· Работать от внешнего кварца на 32768 Гц

· Генерировать несколько видов ШИМ сигнала

· Выдавать прерывания (по полудесятку разных событий) и устанавливать флаги

Источник тиков таймера

Таймер/Счетчик (далее ТС) считает либо тактовые импульсы от встроенного тактового генератора, либо со счетного входа. При соответствующей настройке ТС будет считать либо передний (перепад с 0-1), либо задний (перепад 1-0) фронт импульсов, пришедших на входы. Главное, чтобы частота входящих импульсов не превышала тактовую частоту процессора, иначе он не успеет обработать импульсы.

Кроме того, некоторые таймеры способны работать в асинхронном режиме. То есть ТС считает не тактовые импульсы процессора, а импульсы своего собственного генератора, работающего от отдельного кварца. Для этого у ТС есть отдельные входы, на которые можно повесить кварцевый резонатор. Зачем это надо? Хотя бы для того, чтобы организовать часы реального времени. Повесил на них часовой кварц на 32768 Гц и можно засекать время - за секунду произойдет 128 переполнений (если ТС – восьмиразрядный). Так что одно переполнение это 1/128 секунды. Причем на время обработки прерывания по переполнению таймер не останавливается, он также продолжает считать.

Предделитель

Если таймер считает импульсы от тактового генератора или от своего внутреннего, то их еще можно пропустить через предделитель. То есть еще до попадания в счетный регистр частота импульсов будет делиться. Делить можно на 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Так что если повесить на ТС часовой кварц и пропустить через предделитель на 128, то таймер будет считать со скоростью один раз в секунду. Также удобно использовать предделитель, когда надо просто получить большой интервал, а единственный источник счета –это тактовый генератор процессора, а считать эти мегагерцы сложно, а вот если пропустить через предделитель, то все уже проще. Однако если запустить ТС с предделителем, то первый тик на счетный регистр придет не обязательно через необходимое количество импульсов.

Это зависит от того, в каком состоянии находился предделитель, а вдруг он к моменту включения уже досчитал почти до заданного значения? Значит, тик будет сразу же. Предделитель работает все время, вне зависимости от того включен таймер или нет. Поэтому предделители можно и нужно сбрасывать. Также надо учитывать и то, что предделитель един для всех счетчиков, поэтому, сбрасывая его, надо учитывать то, что у другого таймера собьется задержка до следующего тика.

Например, первый таймер работает на выводе 1:64, а второй на выводе 1:1024 предделителя. У второго почти дотикало в предделителе до 1024 и вот вот должен быть тик таймера, но тут ты взял и сбросил предделитель, чтобы запустить первый таймер точно с нуля. Что произойдет? У второго делитель тут же скинется в 0 (предделитель единый, регистр у него один), и второму таймеру придется ждать еще 1024 такта, чтобы получить таки импульс! А если сбрасывать предделитель в цикле, во благо первого таймера, чаще, чем раз в 1024 такта, то второй таймер так никогда и не тикнет. Для сброса предделителей достаточно записать бит PSR10 в регистре SFIOR. Бит PSR10 будет сброшен автоматически на следующем такте.

Счетный регистр

Весь счет накапливается в счетном регистре TCNTх, где вместо х номер таймера. Он может быть как 8-, так и 16-разрядным, в таком случае он состоит из двух регистров TCNTxH и TCNTxL – старший и младший байты соответственно.

Причем тут есть подвох. А дело все в чем – таймер считает независимо от процессора, поэтому мы можем положить вначале один байт, он начнет считаться, потом второй, и начнется пересчет уже с учетом второго байта. Таймер точное устройство, поэтому грузить его счетные регистры надо одновременно! Но как? А инженеры из Atmel решили проблему просто: Запись в старший регистр (TCNTxH) ведется вначале в регистр TEMP. Этот регистр чисто служебный, и нам никак недоступен.

Что в итоге получается? Записываем старший байт в регистр TEMP (для нас все равно TCNTxH), а затем записываем младший байт. В этот момент в реальный TCNTxH заносится ранее записанное значение. То есть два байта, старший и младший, записываются одновременно! Менять порядок нельзя! Выглядит это так:

Зачем запрещать прерывания? Да чтобы после записи первого байта, программа случайно не ушла не прерывание.

Читается все также, только в обратном порядке. Сначала младший байт (при этом старший – в TEMP), потом старший. Это гарантирует то, что мы считаем именно тот байт, который был на данный момент в счетном регистре.

Контрольные регистры

Основная функция таймера - счетная. Главным регистром является TCCRx. Для ТС0 – это TCCR0, для других таймеров TCCR n соответственно. Первые 3 бита этого регистра: CSx2..CSx0 отвечают за установку предделителя и источник тактового сигнала, вместо х подставляется номер таймера. У разных таймеров немного по-разному, поэтому опишем биты CS02…CS00 только для таймера0.

· 000 - таймер остановлен

· 001 - предделитель равен 1, то есть выключен. Таймер считает тактовые импульсы

· 010 - предделитель равен 8, тактовая частота делится на 8

· 011 - предделитель равен 64, тактовая частота делится на 64

· 100 - предделитель равен 256, тактовая частота делится на 256

· 101 - предделитель равен 1024, тактовая частота делится на 1024

· 110 - тактовые импульсы идут от ножки Т0 на переходе с 1 на 0

· 111 - тактовые импульсы идут от ножки Т0 на переходе с 0 на 1

Прерывания

У каждого аппаратного события есть прерывание, и таймер не исключение. Как только происходит переполнение или другое событие, так сразу же генерируется прерывание. За прерывания от таймеров отвечают регистры TIMSК, TIFR. А у мощных AVR, таких как ATMega128, есть еще ETIFR и ETIMSK - своего рода продолжение, так как таймеров там больше.TIMSK – это регистр масок. То есть биты, находящиеся в нем, локально разрешают прерывания. Если бит установлен, значит, конкретное прерывание разрешено. Если бит в нуле, значит, данное прерывание не обрабатывается. По умолчанию все биты в нуле. За прерывание по переполнению отвечают биты:

· TOIE - разрешение на прерывание по переполнению таймера 0

· TOIE1 - разрешение на прерывание по переполнению таймера 1

· TOIE2 - разрешение на прерывание по переполнению таймера 2

Регистр TIFR это непосредственно флаговый регистр. Когда какое то прерывание срабатывает, то флаг прерывания устанавливается. Этот флаг сбрасывается аппаратно, когда программа уходит по вектору. Если прерывания запрещены, то флаг так и будет стоять до тех пор, пока прерывания не разрешат и программа не уйдет на прерывание. Чтобы этого не произошло, флаг можно сбросить вручную. Для этого в TIFR в него нужно записать 1!

Подробнее о таймера A T MEGA128 будет рассказано позже.

Широтно Импульсная Модуляция

Широтно-Импульсная Модуляция ( PWM - Pulse Width Modulation ) это способ задания аналогового сигнала цифровым методом , то есть из цифрового выхода, дающего только нули и единицы получить какие-то плавно меняющиеся величины. А суть в чем:

Представь себе тяжеленный маховик, который ты можешь вращать двигателем. Причем двигатель ты можешь либо включить, либо выключить. Если включить его постоянно, то маховик раскрутится до максимального значения, и так и будет крутиться. Если выключить, то остановится за счет сил трения. А вот если двигатель включать на десять секунд каждую минуту, то маховик раскрутится, но далеко не на полную скорость - большая инерция сгладит рывки от включающегося двигателя, а сопротивление от трения не даст ему крутиться бесконечно долго. Чем больше продолжительность включения двигателя в минуту, тем быстрей будет крутиться маховик.

При ШИМ мы подаем на выход сигнал, состоящий из высоких и низких уровней (применимо к нашей аналогии – включаем и выключаем двигатель), то есть нулей и единицы. А затем это все пропускается через интегрирующую цепочку (в аналогии – маховик). В результате интегрирования на выходе будет величина напряжения, равная площади под импульсами. Меняя скважность (отношение длительности периода к длительности импульса) можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе. Таким образом, если на выходе сплошные 1, то на выходе будет напряжение высокого уровня (например, 12 вольт), если нули, то ноль. А если 50% времени будет высокий уровень, а 50% низкий то 6 вольт. Интегрирующей цепочкой тут будет служить масса якоря двигателя, обладающего довольно большой инерцией.

А что будет, если взять и дать ШИМ - сигнал не от нуля до максимума, а от минуса до плюса. Скажем от +12 до -12. А можно задавать переменный сигнал! Когда на входе ноль, то на выходе -12В, когда один, то +12В. Если скважность 50% то на выходе 0В. Если скважность менять по синусоидальному закону от максимума к минимуму, то получим переменное напряжение. А если взять три таких ШИМ генератора и гнать через них синусоиды, сдвинутые на 120 градусов между собой, то получим самое обычное трехфазное напряжение, а значит привет бесколлекторные асинхронные и синхронные двигатели . На этом принципе построены все современные промышленные приводы переменного тока. В качестве сглаживающей интегрирующей цепи в ШИМ может быть применена RC цепочка:

Аппаратная реализация ШИМ

В случае ATMega проще всего сделать на его ШИМ-генераторе, который встроен в таймеры. Причем в первом таймере есть два канала. Так что ATmega может реализовать одновременно четыре канала ШИМ .

У таймера есть особый регистр сравнения OCR . Когда значение в счётном регистре таймера достигает значения находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

· Прерывание по совпадению

· Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC .

Выходы сравнения выведены наружу, на выводы микроконтроллера. Предположим, что ШИМ - генератор настроен так , что когда значение в счетном регистре больше , чем в регистре сравнения, то на выходе 1, а когда меньше, то 0. Что при этом произойдет? Таймер будет считать, как ему и положено, от нуля до 256 с частотой , которую мы настроим битами предделителя таймера. После переполнения сбрасывается в 0 и продолжает считать заново.

На выходе появляются импульсы. Если увеличить значение в регистре сравнения, то ширина импульсов станет уже. То есть, меняя значение в регистре сравнения , можно менять скважность ШИМ - сигнала. А если пропустить этот ШИМ-сигнал через сглаживающую RC цепочку (интегратор) , то получим аналоговый сигнал.

У таймера может быть сколько угодно регистров сравнения. Зависит от модели МК и типа таймера. В новых AVR бывает и по три регистра сравнения на таймер, что позволяет одним МК организовать множество независимых ШИМ каналов. Самих режимов ШИМ существует несколько:

Б ы страя ШИМ ( Fast PWM)

В этом режиме счетчик считает от нуля до 255 , после достижения переполнения сбрасывается в нуль и счет начинается снова. Когда значение в счетчике достигает значения регистра сравнения, то соответствующий ему вывод ОСхх сбрасывается в ноль. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в 1.

Частота получившегося ШИМ сигнала определяется просто: Частота процессора, например, 8Мгц, таймер тикает до 256 с тактовой частотой. Значит, один период ШИМ будет равен 8000 000/256 = 31250Гц. Быстрей не получится - это максимальная скорость на внутреннем 8Мгц тактовом генераторе. Еще есть возможность повысить разрешение, сделав счет 8, 9, 10 разрядным (если разрядность таймера позволяет), но надо учитывать, что повышение разрядности, вместе с повышением дискретности выходного аналогового сигнала, резко снижает частоту ШИМ.

ШИМ с фазовой коррекцией (Phase Correct PWM)

ШИМ с точной фазой. Работает похоже, но тут счетчик считает несколько по-другому. Сначала от 0 до 255, потом от 255 до 0. Вывод OCxx при первом совпадении сбрасывается, при втором устанавливается. Но частота ШИМ при этом падает вдвое, из-за большего периода. Основное его предназначение, делать многофазные ШИМ сигналы, например, трехфазную синусоиду. Т.е. центры импульсов в разных каналах и на разной скважности будут совпадать.

Рис. Режим быстрой ШИМ и ШИМ с фазовой коррекцией

Чтобы не было лишних импульсов, в регистр сравнения любое значение попадает через буферный регистр и заносится только тогда, когда значение в счетчике достигнет максимума. Т.е. к началу нового периода ШИМ- импульса.

Сброс по совпадению (Clear Timer On Compare)

Сброс при сравнении. Это уже скорей ЧИМ - частотно-импульсно моделированный сигнал. Тут работает несколько иначе, чем при других режимах. Тут счетный таймер тикает не от 0 до предела, а от 0 до регистра сравнения! А после чего сбрасывается.

В результате, на выходе получаются импульсы всегда одинаковой скважности, но разной частоты. А чаще всего этот режим применяется, когда надо таймером отсчитывать периоды (и генерировать прерывание) с заданной точностью.

Например, надо нам прерывание каждую миллисекунду. И чтобы вот точно. Как это реализовать проще? Через Режим СТС! Пусть частота равна 8Мгц. Предделитель будет равен 64, таким образом, частота счета таймера составит 125000 Гц. А нам надо прерывание с частотой 1000Гц. Поэтому настраиваем прерывание по совпадению с числом 125. Дошел счет до 125 – выработалось прерывание, обнулился счетчик. Дошел до 125 – дал прерывание, обнулился.

8-разрядный таймер-счетчик 0 с функциями ШИМ и асинхронного тактирования

Таймер-счетчик 0 - модуль многофункционального одноканального 8-разрядного таймера-счетчика с аппаратным выходом для генерации ШИМ-сигнала и встроенным асинхронным опциональным тактовым генератором, который оптимизирован под использование часового кварца (32768Гц) для асинхронного по отношению к системной синхронизации тактирования.

Регистры

Регистр таймера-счетчика (TCNT0) и регистр порога сравнения (OCR0) - 8-разр. регистры. Сигналы запроса на прерывание представлены как флаги прерываний таймера в регистре TIFR. Все прерывания индивидуально маскируются с помощью регистра маски прерываний таймеров (TIMSK). Таймер-счетчик может тактироваться через предделитель внутренне или асинхронно через внешние выводы TOSC1/2. Асинхронная работа управляется регистром ASSR. Блок синхронизации осуществляет выбор, какой тактовый источник используется. Если источник тактирования не задан, то таймер-счетчик находится в неактивном состоянии. Выход clkT0 – это выход логики выбора синхронизации. Значение регистра порога сравнения с двойной буферизацией (OCR0) непрерывно сравнивается со значением таймера-счетчика. Результат сравнения может использоваться для генерации сигналов с ШИМ или прямоугольных импульсов переменной частоты на выводе OC0. Совпадение порога сравнения со значением таймера-счетчика приводит к установке флага результата сравнения (OCF0), который может использоваться для генерации запроса на прерывание по результату сравнения.

Тактовые источники таймера-счетчика 0

ТС0 может тактироваться внутренне синхронно или внешне асинхронно (по отношению к внутренней системной синхронизации). По умолчанию используется clkT0, эквивалентный clkI/O. Если в бит AS0 регистра ASSR записать «1», то в качестве источника выступает генератор на выводах TOSC1 и TOSC2.

Блок счетчика

Основу ТС0 составляет программируемый двунаправленный счетчик.

Описание сигналов (внутренние сигналы):

– Счет - Инкрементирует или декрементирует TCNT0 на 1.

– Направление - Задает направление счета: (+1, прямой счет) или (-1, обратный счет).

– Сброс - Сбрасывает содержимое TCNT0 (запись 0 во все разряды).

– clkT0 - Синхронизация таймера-счетчика.

– Верхний предел - Задает максимальное значение на TCNT0.

– Нижний предел - Задает минимальное значение на TCNT0 (0) .

В зависимости от выбранного режима работы счетчик сбрасывается, инкрементируется или декрементируется на каждом такте clkT0. Тактовый сигнал clkT0 может быть внутренним или внешним, а его частота выбирается с помощью бит CS02-CS00. Если источник синхронизации не задан (CS02-CS00=0b000), то таймер останавливается. Состояние TCNT0 доступно ЦПУ независимо от того синхронизации. Последовательность счета определяется установкой бит WGM01 и WGM00 из регистра TCCR0. Имеется точная связь между поведением счетчика и генерируемой на выходе OC0 формы сигнала. Флаг переполнения ТС (TOV0) устанавливается в соответствии с режимом работы, который выбирается битами WGM01, WGM00. Бит TOV0 может использоваться для генерации прерывания ЦПУ.

Блок сравнения

8-разрядный цифровой компаратор непрерывно выполняет сравнение содержимого регистра таймера-счетчика TCNT0 с регистром порога сравнения OCR0. Всякий раз, когда значение TCNT0 совпадает со значением OCR0, компаратор устанавливает флаг совпадения OCF0 следующим тактом синхронизации таймера. Если разрешено прерывание битом OCIE0=1, то установка флага совпадения вызывает запрос на прерывание. Флаг OCF0 автоматически сбрасывается во время обработки прерывания. Генератор сигнала использует сигнал результата сравнения для генерации прямоугольных импульсов по одному из алгоритмов, который выбирается битами задания режима работы таймера WGM01, WGM00 и битами задания режима формирования выходного сигнала (COM01, COM00). Верхний и нижний пределы счета используются в некоторых режимах работы для выполнения специальных действий.

Регистр OCR0 выполнен по схеме двойной буферизации при использовании режимов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В нормальном режиме и режиме сброса таймера при совпадении (CTC) схема двойной буферизации отключается. Двойная буферизация позволяет синхронизировать обновление регистра сравнения OCR0 по достижении верхнего или нижнего предела счета. Такая синхронизация предотвращает возможность возникновения несимметричных ШИМ-импульсов нечетной длины, тем самым гарантируя отсутствие сбоев при генерации прямоугольных импульсов. Доступ к регистру OCR0 может показаться сложным, но это выполнено не случайно. После разрешения двойной буферизации ЦПУ осуществляет доступ к буферному регистру OCR0, а после отключения - непосредственно адресуется к регистру OCR0.

Принудительная установка результата сравнения

В режимах генерации импульсов без ШИМ в формирователе импульсов результат сравнения может быть установлен непосредственно через бит FOC0. Принудительная установка результата сравнения компаратора не приводит к установке флага OCF0 или сбросу/перезагрузке таймера, но влияет на состояние вывода OC0, который будет устанавливаться, сбрасываться или переключаться (инвертироваться) в зависимости от выбранной установки бит COM01, COM00. Данная функция позволяет установить в регистре OCR0 то же значение, что и в TCNT0 без генерации запроса на прерывание, если разрешено тактирование таймера-счетчика.

Использование блока сравнения

Поскольку запись в TCNT0 блокирует любые действия по результату сравнения на один такт синхронизации таймера независимо от режима работы, то при изменении TCNT0 при использовании канала сравнения (независимо работает синхронизация таймера или нет) необходимо учесть следующие особенности. Если в регистр TCNT0 записано значение равное OCR0, то игнорирование совпадения приведет к генерации некорректной формы сигнала. По аналогии следует избегать записи в TCNT0 значения равного нижнему пределу (0x00), если счетчик работает как вычитающий. Установка OC0 должна быть выполнена перед настройкой линии ввода-вывода на вывод в регистре направления.

Блок формирования выходного сигнала

Биты задания режима формирования выходного сигнала (COM01:0) имеют двойное назначение. С одной стороны биты COM01, COM00 используются формирователем сигнала и определяют какое логическое состояние должно быть на выходе OC0 при возникновении следующего совпадения. С другой стороны, биты COM01, COM00 используются для разрешения/запрета альтернативной функции вывода порта OC0. На рисунке представлена упрощенная логическая схема, на которую воздействуют биты COM01, COM00. П оказаны только те регистры управления портом ввода-вывода (DDR и PORT), на которые оказывает действие биты COM01, COM00.

Функция линии универсального порта ввода-вывода заменяется на функцию выхода формирователя сигнала OC0, если хотя бы один из бит COM01, COM00 равен 1. Однако, управлением направлением вывода OC0 (вход или выход) в этом случае остается за соответствующим битом регистра направления данных порта В (DDRB.4). Чтобы значение регистра OC0 присутствовало на выводе OC0 необходимо настроить данную линию на вывод (установить бит DDRB.4). Управление вводом альтернативной функции не зависит от режима генерации сигнала.

Режимы работы таймера-счетчика 0

Режим работы таймера, в т.ч. поведение таймера-счетчика и связанного с ним выхода формирователя сигнала, задается комбинацией бит, задающих режим работы таймера (WGM01, WGM00) и режим формирования выходного сигнала (COM01, COM00). При этом биты задания режима формирования выходного сигнала не влияют на алгоритм счета, т.к. алгоритм счета зависит только от состояния бит задания режима работа таймера. В режимах с ШИМ биты COM01, COM00 позволяют включить/отключить инверсию на генерируемом ШИМ-выходе (т.е. выбрать ШИМ с инверсией или ШИМ без инверсии). Для режимов без ШИМ биты COM01:0 определяют, какое действие необходимо выполнить при выполнении условия сравнения: сбросить, установить или инвертировать выход.

Режимы работы таймера были описаны выше (нормальный (счетный), сброс по совпадению, быстрая ШИМ и ШИМ с фазовой коррекцией).

Асинхронная работа таймера-счетчика 0

Если таймер-счетчик 0 работает асинхронно, то необходимо учесть некоторые особенности. При переключении между асинхронным и синхронным тактовыми источниками таймера-счетчика содержимое регистров TCNT0, OCR0 и TCCR0 может быть нарушено. Во избежание этого необходимо придерживаться следующей безопасной последовательности переключения:

1. Отключить прерывания таймера-счетчика 0 путем сброса бит OCIE0 и TOIE0.

2. Выбрать необходимый тактовый источник с помощью бита AS0

3. Выполнить запись новых значений в TCNT0, OCR0 и TCCR0.

4. При переходе в асинхронный режим тактирования дождаться сброса флагов TCN0UB, OCR0UB и TCR0UB.

5. Сбросить флаги прерывания таймера-счетчика 0

6. При необходимости разрешить прерывания

Генератор оптимизирован под использование часового кварцевого резонатора на частоту 32768 Гц. Тактовая частота ЦПУ должна быть минимум в четыре раза выше частоты генератора. Запись в TCNT0, OCR0 или TCCR0 происходит за два положительных фронта TOSC1, т.к. данные предварительно помещаются во временный регистр, а затем передаются по назначению. Каждый из трех упомянутых регистров имеют свои индивидуальные временные регистры. Это означает, что, например, запись в TCNT0 не влияет на процесс записи в регистр OCR0. Чтобы определить, в какой регистр была выполнена запись, реализован регистр асинхронного состояния ASSR.

Если выбрана асинхронная работа, то генератор на 32768 Гц находится постоянно включенным, за исключением режима выключения и дежурного режима МК.

Предделитель таймера-счетчика 0

Тактовый источник ТС0 обозначен как clkT0. По умолчанию clkT0 подключен к clkI/O. Если бит AS0=1 в регистре ASSR, то ТС0 тактируется асинхронно с вывода TOSC1. Так можно использовать ТС0 в качестве часов реального времени (RTC). Если AS=1, то выводы TOSC1 и TOSC2 не выполняют функции порта С, а между ними может быть подключен кварцевый резонатор в качестве отдельного тактового источника. Подключение к выводу TOSC1 внешнего тактового источника не рекомендуется. Предделитель позволяет выбрать следующие тактовые сигналы: clkT0S/8, clkT0S/32, clkT0S/64, clkT0S/128, clkT0S/256 и clkT0S/1024. Есть возможность остановить синхронизацию. Если PSR0=1 в регистре SFIOR, сбрасывает предделитель.

Описание регистров 8-разрядного таймера-счетчика 0 смотрите в спецификации.

Многоканальный программный ШИМ в AVR

• Разработка под Arduino

Что такое ШИМ и как он работает особо подробно расписывать не буду, информацию без труда найдёте на просторах интернета. Коснусь лишь общих понятий. ШИМ - это Широтно-Импульсная Модуляция, (по-английски PWM - Pulse Width Modulation) уже из самого названия ясно, что здесь что-то связанное с импульсами и их шириной. Если изменять ширину (длительность) импульсов постоянной частоты, то можно управлять, например, яркостью источника света, скоростью вращения вала электродвигателя или температурой какого-либо нагревательного элемента. Обычно, именно с помощью ШИМ микроконтроллер управляет подобной нагрузкой. Микроконтроллеры имеют аппаратную реализацию ШИМ, но, к сожалению, количество аппаратных ШИМ-каналов ограничено, например, в AТmega88 их аж шесть штук, в ATtiny2313 - четыре, в ATmega8 - три, а в ATtiny13 только два. В AVR ШИМ-каналы используют таймеры и их регистры сравнения OCRxx. Изменяя их содержимое и задавая параметры таймеров, в зависимости от задач, можно управлять состоянием, связанного с регистром, выхода - подавать на него 1 либо 0. То же самое можно организовать программно, управляя любым выводом контроллера, а главное, реализовать большее количество ШИМ-каналов, чем имеется на борту аппаратных. Практически, количество каналов ограничено лишь количеством ножек-выводов микроконтроллера (по крайней мере, если говорить о семействах Mega или Tiny). Как оказалось, алгоритм довольно прост, но у меня ушло некоторое время на его понимание и полное осознание.

Данный алгоритм подробно изложен в оригинальном Appnote AVR136: Low-Jitter Multi-Channel Software PWM. Принцип работы программной реализации заключается в имитации работы таймера в режиме ШИМ. Требуемая длительность импульсов задаётся переменными, соответственно, по одной на каждый канал (в моём коде lev_ch1, lev_ch2, lev_ch3), а так же задаются «близнецы» этих переменных, которые хранят значение для конкретного периода работы таймера (в моём коде buf_lev_ch1, buf_lev_ch2, buf_lev_ch3). Восьмибитный таймер запускается на основной частоте МК и генерирует прерывание по переполнению, то есть, каждые 256 тактов. Это накладывает ограничение на длительность процедуры обработки прерывания - необходимо уложиться в 256 тактов, чтобы не пропустить следующее прерывание. В результате, один полный период ШИМ равняется 256*256=65536-и тактам. Восьмибитная переменная-счетчик (в моём примере counter) увеличивается на единицу каждое прерывание и действует, как указатель позиции внутри цикла ШИМ. Всё это обеспечивает разрешение (минимальный шаг) ШИМ в 1/256, а частоту импульсов в ƒ/(256*256), где ƒ-частота задающего генератора микроконтроллера. Следует заметить, что тактовая частота микроконтроллера должна быть довольно высокой. В моём примере ATtiny13 работает на максимально возможной частоте, без применения внешнего генератора - 9,6МГц. Это даёт период ШИМ в 9600000/65536≈146,5Гц чего вполне достаточно в большинстве случаев.
Код на C, пример реализации идеи для МК ATtiny13 (три канала ШИМ на выводах PB0, PB1, PB2):

#define F_CPU 9600000 //fuse LOW=0x7a #include #include uint8_t counter=0; uint8_t lev_ch1, lev_ch2, lev_ch3; uint8_t buf_lev_ch1, buf_lev_ch2, buf_lev_ch3; void delay_ms(uint8_t ms) //функция задержки { while (ms) { _delay_ms(1); ms--; } } int main(void) { DDRB=0b00000111; // установка PortB пины 0,1,2 выходы TIMSK0 = 0b00000010; // включить прерывание по переполнению таймера TCCR0B = 0b00000001; // настройка таймера, делитель выкл sei(); // разрешить прерывания lev_ch1=0; //начальные значения lev_ch2=64; //длительности ШИМ lev_ch3=128; //трёх каналов while (1) //бесконечная шарманка { for (uint8_t i=0;i<255;i++) { lev_ch1++; //увеличиваем значения lev_ch2++; //длительности ШИМ lev_ch3++; //каждого канала delay_ms(50); //пауза 50мс } } } ISR (TIM0_OVF_vect) //обработка прерывания по переполнению таймера { if (++counter==0) //счетчик перехода таймера через ноль { buf_lev_ch1=lev_ch1; //значения длительности ШИМ buf_lev_ch2=lev_ch2; buf_lev_ch3=lev_ch3; PORTB |=(1<Думаю, всё достаточно наглядно и пояснения излишни. Для значений длительности и их буферов, при большем числе каналов, возможно, будет лучше использовать массивы, но в данном примере, я этого делать не стал, ради большей наглядности.
Проверено на avr-gcc-4.7.1 и avr-libc-1.8.0. Компиляция и получение файла прошивки:
avr-gcc -mmcu=attiny13 -Wall -Wstrict-prototypes -Os -mcall-prologues -std=c99 -o softPWM.obj softPWM.c
avr-objcopy -O ihex softPWM.obj softPWM.hex
Для правильной работы нужно выставить младшие fuse-биты в 0x7a (частота 9,6МГц). в avrdude это, например, делается так:
avrdude -p t13 -c usbasp -U lfuse:w:0x7a:m

Мой вариант реализации на ассемблере. Программа делает абсолютно то же самое, что и предыдущий код на C.
;чтобы не тянуть include-файл.list .equ DDRB= 0x17 .equ PORTB= 0x18 .equ RAMEND= 0x009f .equ SPL= 0x3d .equ TCCR0B= 0x33 .equ TIMSK0= 0x39 .equ SREG= 0x3f ;это лишь демонстрация, потому регистров и не жалеем.def temp=R16 .def lev_ch1=R17 .def lev_ch2=R18 .def lev_ch3=R19 .def buf_lev_ch1=R13 .def buf_lev_ch2=R14 .def buf_lev_ch3=R15 .def counter=R20 .def delay0=R21 .def delay1=R22 .def delay2=R23 .cseg .org 0 ;таблица прерываний из даташита: rjmp RESET ; Reset Handler rjmp EXT_INT0 ; IRQ0 Handler rjmp PIN_CHG_IRQ ; PCINT0 Handler rjmp TIM0_OVF ; Timer0 Overflow Handler rjmp EE_RDY ; EEPROM Ready Handler rjmp ANA_COMP ; Analog Comparator Handler rjmp TIM0_COMPA ; Timer0 CompareA Handler rjmp TIM0_COMPB ; Timer0 CompareB Handler rjmp WATCHDOG ; Watchdog Interrupt Handler rjmp ADC_IRQ ; ADC Conversion Handler ;RESET: EXT_INT0: PIN_CHG_IRQ: ;TIM0_OVF: EE_RDY: ANA_COMP: TIM0_COMPA: TIM0_COMPB: WATCHDOG: ADC_IRQ: reti RESET: ldi temp,0b00000111 ; назначаем PortB пины PB0, PB1 out DDRB,temp ; и PB2 выходами ldi temp,0 ; выставляем все выводы out PORTB,temp ; PortB в 0 ldi temp,low(RAMEND) ; инициализация out SPL,temp ; стека ldi temp,0b00000001 ; вкл. таймер out TCCR0B,temp ; без делителя ldi temp,0b00000010 ; вкл. прерывание out TIMSK0,temp ; таймера по переполнению sei ; разрешить прерывания start_pwm: ; бесконечная шарманка inc lev_ch1 ; увеличиваем значения inc lev_ch2 ; длительности ШИМ inc lev_ch3 ; по всем каналам rcall delay ; небольшая пауза для плавности rjmp start_pwm delay: ; процедура задержки ldi delay2,$01 ; выставляем число ldi delay1,$77 ; до скольки считать ldi delay0,$00 ; $017700 - даст задержку в 50мс loop: subi delay0,1 ; считаем sbci delay1,0 ; считаем sbci delay2,0 ; считаем brcc loop ret TIM0_OVF: ; обработка прерывания таймера push temp ; на всякий пожарный сохраняем in temp,SREG ; temp и SREG в стеке push temp inc counter ; счетчик перехода таймера через 0 cpi counter,0 ; если не 0, то проверяем brne ch1_off ; не надо ли чего погасить mov buf_lev_ch1,lev_ch1 ; если счетчик 0 mov buf_lev_ch2,lev_ch2 ; то задаем новые mov buf_lev_ch3,lev_ch3 ; значения длительности ШИМ каналов ldi temp,0b00000111 ; включить все out PORTB,temp ; три выхода ch1_off: ; а не погасить ли нам cp counter,buf_lev_ch1 ; первый канал? brne ch2_off ; нет, рано - проверяем второй cbi PORTB,0 ; да погасить ch2_off: ; а не погасить ли нам cp counter,buf_lev_ch2 ; второй канал? brne ch3_off ; нет, рано - проверяем третий cbi PORTB,1 ; да погасить ch3_off: ; а не погасить ли нам cp counter,buf_lev_ch3 ; третий канал? brne irq_end ; нет, рано - двигаемся к выходу из прерывания cbi PORTB,2 ; да, погасить irq_end: ; достаем из стека pop temp ; SREG и temp out SREG,temp pop temp reti ;выходим из прерывания
Компилируется с помощью avra или tavrasm. Не забыть про fuse-биты (см. выше).

Рис.1

Т = Т0+Т1 . Период импульсов

Т = 1/F

S = T/T1

Duty cycle

Коэффициент заполнения D=1/S или так D = T1/T*100%

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).

Рис.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.

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.).

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.

Рисунок 1 – Временная диаграмма для режима СТС

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.

Рисунок 2 – Временная диаграмма для режима быстрой ШИМ

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.

Рисунок 3 – Временная диаграмма для режима ШИМ ФК

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:

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.

Рисунок 4 – Временная диаграмма режима ШИМ с фазовой и частотной коррекцией

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.

Аппаратная реализация ШИМ дает безусловные преимущества перед программной,так как разгружает процессор как лишним и громоздким кодом, так и временем на его обслуживание, а также дает больше возможностей использования работы с ШИМ. Достаточно провести инициализацию таймер/счетчика (занести необходимые значения в регистры используемые таймер/счетчиком) как таймер/счетчик может работать независимо от процессора, соответственно процессор может заниматься другими задачами,только иногда обращаясь в необходимый момент для корректировки или изменения режима или получения результатов от таймер/счетчика.

Описание флагов прерываний

T1 может генерировать прерывание при наступлении:

1. переполнения счетного регистра TCNT1;
2. при равенстве счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A и OCR1B (по отдельности для каждого регистра);
3. при сохранении счетного регистра в регистре захвата ICR1.

T2 может генерировать прерывание при наступлении:

1. переполнения счетного регистра TCNT2;
2. при равенстве счетного регистра TCNT2 и регистра сравнения OCR2.

Флаги всех прерываний находится в регистре TIFR,а разрешение/запрещение прерываний в регистре TIMSK.

• OCIE2 - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т2
• TOIE2 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т2
• TICIE1 - Флаг разрешения прерывания по событию "захват" таймера/счетчика Т1
• OCIE1A - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение А" таймера/счетчика Т1
• OCIE1B - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение В" таймера/счетчика Т1
• TOIE1 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т1
• OCIE0* - Флаг разрешения прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т0 (* - отсутствует в ATmega8)
• TOIE0 - Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т0

• OCF2 - Флаг прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т2
• TOV2 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т2
• ICF1 - Флаг прерывания по событию "захват" таймера/счетчика Т1
• OCF1A - Флаг прерывания по событию "совпадение А" таймера/счетчика Т1
• OCF1B - Флаг прерывания по событию "совпадение В" таймера/счетчика Т1
• TOV1 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т1
• OCF0 - Флаг прерывания по событию "совпадение" таймера/счетчика Т0
• TOV0 - Флаг прерывания по переполнению таймера/счетчика Т0

Описание работы тайтер/счетчика Т1 в контроллере ATmega8/16

Шеснадцатиразрядный таймер/счетчик Т1 может использоватся для формирования временных интервалов, подсчета количества внешних сигналов, и для генерации сигналов с ШИМ разной скважности и длительности на выводах OC1A и OC1B. Кроме того по внешнему сигналу с вывода ICP1 или от аналогового компаратора, Т1 может сохранять свое текущее состояние в отдельном регистре захвата ICR1.

Каждый 16-разрядный регистр физически размещается в двух 8-разрядных регистрах поэтому при чтении записи в них нужно выполнить две операции. При записи первым загружается старший байт потом младший,при чтении наоборот сначала младший прочитывается потом старший.

TCCR1A:TCCR1B - 8-разрядные регистры управления таймером/счетчиком Т1

TCNT1 - 16-разрядный счетный регистр таймера/счетчика Т1. Взависимости от режима работы содержимое этого регистра обнуляется,инкрементируется(увеличивается значение на 1) или декрементируется(уменьшается значение на 1) по каждому импульсу тактового сигнала таймера/счетчика.

OCR1A:OCR1B - 16-разрядные регистры сравнения

ICR1 - 16-разрядный регистр захвата,сохраняет значение TCNT1 при подаче активного фронта сигнала на вывод ICP1 или по сигналу от компаратора.

Назначение битов

COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0 - Эти разряды определяют поведение вывода OC1A:OC1B при совпадении значения счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B

FOC1A:FOC1B - Эти разряды служат для прнудительного изменения состояния вывода OC1A:OC1B

ICNC1 - Разряд управления схемой помех,если бит равен "0" захват будет по первому активному фронту, если "1" захват будет после четвертой одинаковой выборки сигнала захвата.

ICES1 - Разряд выбора активного фронта сигнала,если его значение равно "0", сохранение счетного регистра TCNT1 в регистре захвата OCR1 будет по спадающему фронту сигнала, если "1" по нарастающему.

WGM13:WGM12:WGM11:WGM10 - Эти разряды определяют режим работы таймера/счетчика Т1

CS22:CS21:C20 - Разряды, определяющие источник тактового сигнала таймера/счетчика Т1.

Выбор источника тактового сигнала

Режим Normal

Самый простой режим работы Т1. По каждому импульсу тактового сигнала происходит инкремент счетного регистра TCNT1 (увеличение значения на 1). При переходе через значение $FFFF модуля счета (ТОР) возникает переполнение и вследующем такте начинается счет со значения $0000, в этот же момент устанавливается флаг TOV1=1 в регистре TIFR, и может быть сгенерировано прерывание если установлен флаг TOIE1=1 в регистре TIMSK. Для того, чтобы сгенерировать сигна заданной частоты в этом режиме необходимо записать в разряды COM1A1=0:COM1A0=1 для вывода OC1A или COM1B1=0:COM1B0=1 для вывода OC1B контроллера.

Кроме того по каждому такту происходит сравнение счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B, при совпадении устанавливается флаг прерывания OCF1A=1:OCF1B=1 и если разряд OCIE1A=1:OCIE1B=1 регистра TIMSK генерируется прерывание. В тот же момент может быть изменено состояние вывода OC1A:OC1B в зависимости от установок битов COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0.

Режим СТС (сброс при совпадении)

В этом режиме Т1 работает по такому же принципу как и в режиме Normal. Отличие заключается в том, что максимально возможное значение счетного регистра TCNT1 ограничивается значением регистра сравнения OCR1A или ICR1 (смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика). При достижении TCNT1 значения OCR1A или ICR1, значение TCNT1 обнуляется в TCNT1=$0000 В этот же момент устанавливается флаг TOV1=1 COM1A1:COM1A0:COM1B1:COM1B0 Опрелеляют поведение вывода ОС1A:OC1B при совпадении.

Режим Fast PWM (быстродействующий ШИМ)

С помощью этого режима можно генерировать высокочастотный сигал ШИМ. Принцип и порядок работы не отличается от режима Normal, кроме наличия двойной буферизации регистра OCR1A:OCR1B, благодаря которому исключается появление несиметричных импульсов сигнала, а также отличается поведением выводов ОС1A:OC1B (смотрите таблицу).

Режим Phase Correct PWM (ШИМ с точной фазой)

Отличие этого режима от предыдущих заключается в том, что счетный регистр работает как реверсивный счетчик. Так как этот режим рекомендуется Atmel как наиболее подходящий для регулировки двигателей, мы его рассмотрим наиболее подробно. При достижении счетным регистром TCNT1 значения модуля счета (ТОР) (или значения регистра ICR1 или значения регистра OCR1A, смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика), происходит изменение направления счета. При достижении счетным регистром TCNT1 минимального значения ($0000) также происходит изменение направления счета и в тот же момент устанавливается флаг прерывания TOV1 регистра TIFR. Так же при равенстве содержимого счетного регистра TCNT1 и регистра сравнения OCR1A:OCR1B ,устанавливается флаг OCF1A:OCF1B регистра TIFR и изменяется состояние вывода OC1A:OC1B,согласно таблице.

Во избежание несимметричных выбросов во время записи значения в регистр OCR1A:OCR1B, в этом режиме реализована двойная буферизация записи. Благодаря этому действительное изменение значения регистра изменяется в момент достижения счетным регистром TCNT1 значения модуля счета (ТОР) (или значения регистра ICR1 или значения регистра OCR1A смотрите таблицу выбора режима таймер/счетчика). Поэтому в самом начале, при инициализации таймер/счетчика вывод ОС1A:OC1B не изменит свое состояние при совпадении до тех пор, пока регистр не достигнет значения (ТОР).

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 #include 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.

Обновлено 16.12.15. Всем привет. Разобравшись в прошлой записи с памятью EEPROM, сегодня мы поговорим о том что такое ШИМ (PWM)? Расшифруется как широтно-импульсная модуляция (pulse-width modulation), это среднее значение напряжения, которое изменяется скважностью импульса. В свою очередь скважность это длительность импульса с некоторой частотой повторения. Т.е. более простыми словами все это изменение ширины импульса при неизменной их величине. Для чего это нам надо?

В общем для такого счетчика в мк можно выбрать три режима: Fast PWM, Phase Correct PWM, Phase and Frequency Correct PWM (зависит от модели )

Рассмотрим второй режим - ШИМ с точной фазой . Здесь счетный регистр функционирует как реверсивный счетчик, изменения состояния которого изменяется от $0000 до максимального значения а затем обратно до $0000. Для управления таймером/счетчиком используем три регистра управления TCCR1A, TCCR1B, TCCR1C. В которых для выбора режима таймера/счетчика необходимо установить разряды WGMn1: WGMn0 и WGMn1: WGMn0. В зависимости от их установки максимальное значение счетчика(Разрешение ШИМ сигнала) является либо фиксированным значением, либо определяется содержимым определенных регистров таймера/счетчика. Разрешающая способность определяется выражением:

g = log (TOP+1)/log2, где ТОР – модуль счета, выбирается из таблицы соответственно разрешающей способности.

После того как определились с режимом работы таймера счетчика, необходимо выбрать режим работы блока сравнения COMnA1:COMnA0, COMnB1:COMnB0, COMnC1:COMnC0, который определяет поведение вывода OCnx при наступлении события “Совпадение”.

Ну и последний штрих определимся с частотой. Нам необходимо выставить разряды CSn2…CSn0 регистра TCCR1B, которые отвечают за определение источника тактового сигнала. Вот таким программным образом выглядит настройка ШИМ-управления на выходе OC1A. Например:

/*Настройки ШИМ */
TCCR1A=(1< /*На выводе OC1A единица, когда OCR1A==TCNT1, Сбрасывается в 0 при OCR1A==TCNT1 и устанавливается в 1 при достижении максимального значения восьми битный ШИМ Phase Correct PWM , номер режима 1 . модуль счета ТОР $00FF*/
TCCR1B=(1<OCR1A = 50; /* при модуле счета 255 и при напряжении 5 В на выходе OC1A получим примерно 1 В*/

Из программы видно, что для получения ШИМ используем регистр сравнения OCR1A. При достижении счетчиком максимального значения, в данном случае 255, происходит смена направления счета, но счетчик остается в этом состоянии в течении одного периода сигнала. В этом и заключается более медленная частота работы по сравнению с первым режимом. Но в этом и состоит симметричность изменения счетчика. Что более подходит для управления двигателем. В этом же такте происходит обновления содержимого регистра сравнения. При достижении счетчиком минимального значения также происходит смена направления счета и одновременно устанавливается флаг прерывания TOV1 регистра TIFR. Пр равенстве содержимого счетного регистра и какого-либо регистра сравнения устанавливается соответствующий флаг OCF1A/OCF1B/OCF1C регистра TIFR. Одновременно изменяется состояние выхода блока сравнения OCnx. Частота генерируемого сигнала fOCn= f/(2*N*TOP), где N – коэффициент деления пред делителя, f — частота кварца. Также можно посмотреть еще примеры настройки и использования ШИМ, например .

На этом сегодня все. В следующем посте рассмотрим контроллер любительского станка ЧПУ . Я постараюсь использовать предыдущие посты из этого блога для набора программы, как конструктор. Так будет более понятно когда один раз написали и его использовали в следующем проекте. Всем пока.

ШИМ или PWM (широтно-импульсная модуляция, по-английски pulse-width modulation) – это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой, цифровой, двоичной и троичной.

Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД электрических преобразователей, особенно это касается импульсных преобразователей, составляющих сегодня основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. Обратноходовые и прямоходовые однотактные, двухтактные и полумостовые, а также мостовые импульсные преобразователи управляются сегодня с участием ШИМ, касается это и резонансных преобразователей.

Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать яркость подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. ШИМ реализована в , в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство сегодня использует при своей работе ШИМ.

В качестве коммутационных элементов, в современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, работающие в ключевом режиме. Это значит, что часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода - полностью закрыт.

И так как в переходных состояниях, длящихся лишь десятки наносекунд, выделяемая на ключе мощность мала, по сравнению с коммутируемой мощностью, то средняя мощность, выделяемая в виде тепла на ключе, в итоге оказывается незначительной. При этом в замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение на нем напряжения приближается к нулю.

В разомкнутом же состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Это позволяет создавать компактные преобразователи с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) позволяют свести эти потери к минимуму.

В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется аналоговым компаратором, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подается треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий - модулирующий непрерывный сигнал.

Выходные импульсы получаются , частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Когда напряжение пилы выше модулирующего сигнала - на выходе будет отрицательная часть импульса.

Если же пила подается на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий сигнал - на инвертирующий, то выходные импульсы прямоугольной формы будут иметь положительное значение тогда, когда напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, поданного на инвертирующий вход, а отрицательное - когда напряжение пилы ниже сигнала модулирующего. Пример аналогового формирования ШИМ - микросхема TL494, широко применяющаяся сегодня при построении импульсных блоков питания.

Цифровая ШИМ используются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика.

Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.

Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.

Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации - это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.

Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.

При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.

Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.

Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.

Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, и т. д.

Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Duty cycle, или сокращенно DC.

Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.