AVR131: Использование высокочастотной ШИМ микроконтроллеров AVR. Генерация аналоговых сигналов микроконтроллером
Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.
Что такое ШИМ?
Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.
Область применения ШИМ не ограничивается импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.
Формирование ШИМ-сигналов
Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.
Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:
- Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
- Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
- Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.
Выходное управляющее напряжение (OUT)
Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).
Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.
ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.
Основные проблемы ШИМ-преобразователей
При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.
Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.
Диагностика неисправностей
Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.
Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:
- Контроллер глохнет после старта - обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
- ШИМ-контроллер не стартует - отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
- Напряжение на выходе отличается от номинального - проблемы с петлей ООС или с контроллером.
- После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах - некорректная работа ШИМ или драйверов.
- Нестабильная работа платы, наличие странных звуков - обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.
В заключение
Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.
Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.
Для того, чтобы понять, каким образом можно реализовать несколько каналов ШИМ на одном контроллере, давайте сначала вспомним, — что вообще такое ШИМ и с чем это едят.
ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. Это такой режим работы, когда коэффициент заполнения импульсов может регулироваться микросхемой управления (нашим контроллером) по каким-либо правилам (другими словами говорят, что коэффициент заполнения промодулирован чем-то или в зависимости от чего-то). То есть, переключения из высокого уровня сигнала в низкий и наоборот выполняются в строго определённые какими-то правилами моменты времени.
Таким образом, для одного канала ШИМ нам нужно знать правила, которыми определяется коэффициент заполнения (с этим проблем нет, мы их сами устанавливаем), и, кроме того, отсчитывать два момента времени от начала импульса: во-первых, сколько сигнал находится в состоянии высокого уровня и во-вторых, общее время импульса. Отлично, значит всё, что нам нужно для реализации одного ШИМ — это два счётчика. Алгоритм получится такой: запускаем оба счётчика, переключаем выход в "1". По прерыванию от первого счётчика (время высокого уровня) переключаем выход в "0", выключаем счётчик и ждём прерывание от второго счётчика. По прерыванию от второго счётчика (общее время импульса) — повторяем всё с начала.
Соответственно, для трёх каналов ШИМ нам нужно 3*2=6 счётчиков. Но, допустим у PIC12F629, есть только 2 счётчика, что же делать? Во-первых, сделаем одинаковым общее время импульса для всех каналов ШИМ (пусть все три канала работают с одной частотой), это уже минус два счётчика. Осталось только отсчитывать время высокого уровня для каждого из каналов ШИМ. Итого, осталось 4 счётчика. Не намного, но легче.
Теперь давайте вспомним, что контроллер, это не аналоговая микросхема, а цифровая, и моменты времени он отсчитывает дискретно. Все три времени высокого уровня (для каждого из каналов ШИМ) будут кратны какому-то общему кванту времени. Длительность этого кванта определяется разрядностью ШИМ и частотой импульсов. В случае, когда все каналы работают на одной частоте и имеют одинаковую разрядность, этот квант времени будет равен: T 1 =1/(f*(2 n -1)) , где n-разрядность ШИМ, f — частота импульсов.
Если ШИМ 8-ми битный и работает на частоте 100 Гц, то длительность кванта равна (1/100)/(2 8 -1)=39 мкс — общее время импульса (1/f), делённое на число возможных моментов переключения (2 n) минус 1 (если на прямой поставить N точек, то они образуют N-1 интервалов).
То есть, нам достаточно одного аппаратного счётчика, который будет отсчитывать интервалы T 1 . Далее, создаем программный счётчик, который будет подсчитывать количество таких интервалов, и задаём четыре уставки. Одна уставка определяет, — сколько нужно отсчётов программного счётчика чтобы отсчитать время высокого уровня для первого канала ШИМ, вторая — тоже самое для второго канала, третья — для третьего, четвертая соответствует общему времени импульса, а операции сравнения, переключения, увеличения или обнуления программного счётчика будем
делать по прерыванию от аппаратного счётчика.
Основной недостаток такого метода в том, что вместо (n+1) прерываний за период, мы будем обрабатывать (2 n -1) прерываний.
Давайте прикинем, какой может быть максимальная частота ШИМ при такой реализации? Очевидно, что при максимальной частоте, времени у контроллера хватает только на обработку прерывания. То есть, весь квант времени Т 1 контроллер занят обработкой прерывания, как только он выходит из прерывания — тут же происходит ещё одно.
Если обозначить максимальное число машинных циклов, за которое выполняется подпрограмма, N max — то, с учётом выражения для T 1 , получаем уравнение: N max *4/fosc=1/(f max *(2 n -1)) . Отсюда, максимальная частота ШИМ: f max =fosc/(4*N max *(2 n -1)) . Естественно, полученная формула просто оценочная, потому что мы допускали, что подпрограмма занимает всё время T 1 , но если после выполнения подпрограммы останется время для выполнения 2-х, 3-х команд, то это в общем-то тоже не сильно нас устроит. Что можно сделать в 3 команды? По нормальному, если мы хотим ещё что-то делать, например, обмениваться инфой с компом, то подсчитанное значение частоты нужно поделить ещё минимум вдвое.
От чего зависит максимальное время выполнения подпрограммы прерывания? Ну, во-первых конечно, от степени криворукости программиста, и во-вторых — от количества каналов ШИМ, которые мы хотим реализовать.
Для того, чтобы было понятно, о каких величинах идёт речь, рассчитаем конкретный пример: пусть контроллер работает на частоте fosc=4 МГц, мы написали подпрограмму, которая выполняется максимум за 40 машинных циклов и хотим получить разрядность ШИМ 8 бит. Тогда максимальная частота ШИМ будет равна 4000000/(4*40*255)=98 Гц. Как видите, при таком способе реализации, всё достаточно ограничено, но для RGB хватит. Между прочим, при 8-ми битах на цвет мы получим общее количество цветов, равное 2 8 *2 8 *2 8 =16 млн и вообще стоит подумать — надо ли нам столько?
При разрядности 2 бита на канал и той же тактовой частоте можно получить максимальную частоту ШИМ, равную 4000000/(4*40*3)=8,3 кГц, при этом будет 2 2 *2 2 *2 2 =64 различных сочетания коэффициентов заполнения (в случае с RGB это 64 цвета). Такую частоту уже можно юзать не только для RGB.
Ну вот, на этом с теорией всё.
В устройствах на микроконтроллерах иногда требуется генерировать аналоговый сигнал. В зависимости от частоты аналогового сигнала, требуемого разрешения и типа используемого микроконтроллера, выполнить это можно несколькими способами. А именно: с помощью широтно-импульсной модуляции, используя функционал аппаратных таймеров или программную реализацию, с помощью встроенного цифроаналогового преобразователя (ЦАП`а), с помощью внешних схем цифроаналоговых преобразователей на дискретных элементах или с помощью внешних микросхем цифроаналоговых преобразователей.
1. Принцип генерации аналогового сигнала с помощью ШИМ (PWM)
ШИМ сигнал представляет собой цифровой сигнал, у которого период повторения постоянный, а длительность меняется. Отношение длительности ШИМ сигнала к его периоду называется коэффициентом заполнения. Пропустив такой сигнал через низкочастотный фильтр, что по сути равносильно интегрированию, мы получим на выходе фильтра уровень напряжения пропорциональный коэффициенту заполнения.
Таким образом, меня этот коэффициент, можно генерировать аналоговые сигналы произвольной формы. Причем как переменные, например, синусоида, пила или человеческая речь, так и постоянные (произвольный уровень напряжения).
1.1 Характеристики сигнала
Максимальная амплитуда выходного аналогового сигнала будет определяться амплитудой логической единицы цифрового ШИМ сигнала. Если микроконтроллер питается от +5 В, то грубо говоря, амплитуда выходного аналогового сигнала будет от 0 до 5 В.
Минимальный шаг изменения аналогового сигнала (разрешение) будет определяться выражением:
dUa = Umax/2^n,
где Umax максимальная амплитуда аналогового сигнала (В), а n - разрядность счетчика реализующего ШИМ.
Например, ШИМ сигнал формируется с помощью программного 8-ми разрядного счетчика. Количество градаций ШИМ сигнала, которые можно получить с помощью этого счетчика, равно 2^8 = 256. Тогда разрешение аналогового сигнала при Umax = 5 В будет равно
dUa = 5/256 = 0,0195 В.
Частота ШИМ сигнала
будет определять так:
Fpwm = Fcpu/(K*2^n),
где Fcpu - тактовая частота микроконтроллера (Гц), K - коэффициент предделителя счетчика, n - разрядность счетчика.
Например, тактовая частота микроконтроллера 8 МГц, коэффициент предделителя равен 8, разрядность счетчика 8 бит. Тогда частота выходного ШИМ сигнала будет равна:
Fpwm = 8000000/(8*256) = ~3906 Гц
Частота выходного аналогового сигнала
будет определяться выражением:
Fa = Fpwm/Ns = Fcpu/(K*2^n*Ns),
где Fpwm - частота ЩИМ сигнала, а Ns - количество отсчетов аналогового сигнала.
Например, ШИМ сигнал реализуется на 8-ми разрядном счетчике с коэффициентом предделителя равным 8 и тактовой частотой микроконтроллера 8 МГц. В памяти микроконтроллера записано 32 отсчета синусоидального сигнала, которые представляют собой один его период. Тогда частота выходной синусоиды будет равна:
Fa = 8000000/(8*2^8 * 32) = ~122 Гц
Разрядность ЦАП`a сделанного на основе ШИМ эквивалентна разрядности используемого счетчика.
1.2 Аппаратная реализация ШИМ
Все современные микроконтроллеры имеют в своем составе таймеры/счетчики. Один или несколько режимов этих таймеров предназначены для генерации ШИМ сигнала. Как правило этот сигнал генерируется на специальных выводах. Например, у микроконтроллера mega16 фирмы Atmel 8-ми разрядный таймер/счетчик Т0 имеет два режима генерации ШИМ сигнала (быстрый ШИМ и ШИМ с точной фазой), а для вывода сигнала используется пин порта B - OC0 (PINB3).
Достоинство аппаратной реализации ШИМ сигнала - это низкая загрузка микроконтроллера (прерывание вызывается один раз в период ШИМ сигнала), простота использования и точность (если в системе мало прерываний). Из недостатков можно отметить - ограниченное разрешение счетчиков, невысокая частота, ограниченное число каналов, на которых можно генерировать ШИМ сигналы. Хотя существуют специальные микроконтроллеры специально "заточенные" для генерации большого количества ШИМ сигналов.
1.3 Программная реализация ШИМ
Также можно генерировать ШИМ сигнал программно. Для этого нужно просто создать программный счетчик и по сигналу аппаратного таймера инкрементировать его значение и отслеживать достижение крайних значений счетчика, в которых ШИМ сигнал меняет состояние.
Преимущество программной реализации - простота, неограниченное количество каналов, неограниченное разрешение. Конечно, условно неограниченное, с учетом доступной памяти. Недостатки программной реализации - высокая загрузка микроконтроллера. Прерывания должны вызываться на каждый инкремент счетчика и каждый раз нужно проверять не достиг ли он одного из крайних значений. Также программная реализация имеет меньшую точность (большее дрожание фронтов сигнала) и еще меньшую частоту (из-за первого недостатка).
Однако, несмотря на это, программная реализация ШИМ`а тоже имеет место быть, если требуется генерировать постоянный аналоговый сигнал или переменный, но с невысокой частотой.
Ниже приведен пример кода, который выполняет функцию генерацию аналогового сигнала с помощью аппаратной и программной широтно-импульсной модуляции. Код написан для микроконтроллера atmega16, тактовая частота 8 МГц, компилятор IAR. На выходах PB2 и PB3 генерируются две синусоиды (разной частоты) из 32 двух отсчетов.
#include
#include
#include
#define SPWM_PIN 2
//таблица синуса
__flash uint8_t tableSin =
{
152,176,198,218,234,245,253,255,
253,245,234,218,198,176,152,128,
103, 79, 57, 37, 21, 10, 2, 0,
2, 10, 21, 37, 57, 79,103,128
};
uint8_t softCount = 0;
uint8_t softComp = 0;
int main(void)
{
//настройка портов
PORTB = 0;
DDRB = 0xff;
//разрешение прерывания по совпадению Т0 //обнуляем счетный регистр Enable_interrupt(); //прерывание таймера Т0 OCR0 = tableSin[i]; //программный ШИМ If (softCount == softComp){ Частота среза фильтра должна быть между максимальной частотой генерируемых аналоговых сигналов и частотой ШИМ сигнала. Если частота среза фильтра будет выбрана близко к границе полосы аналогового сигнала, это приведет к его ослаблению. А если частота среза фильтра будет близко к частоте ШИМ сигнала, аналоговый сигнал просто не "выделится". Чем выше частота ШИМ сигнала, тем проще реализовать выходной фильтр. Рассмотрим пример. ШИМ сигнал генерируется аппаратным 8-ми разрядным счетчиком с коэффициентом предделителя равным 8, тактовая частота микроконтроллера 8МГц, количество отсчетов аналогового сигнала - 32. Частота ШИМ сигнала будет равна: Fpwm = Fcpu/(K*2^n) = 8000000/(8*256) = ~3906 Гц Частота аналогового сигнала будет равна: Fa = Fpwm/Ns = 3906/32 = 122 Гц Выберем частоту среза равную 200 Гц и рассчитаем номиналы пассивного низкочастотного RC фильтра. Частота среза такого фильтра определяется выражением: Fc = 1/(2*Pi*R*C), где R - номинал резистора (Ом), а C -емкость конденсатора (Ф). Задавшись номиналом одного из компонентов можно вычислить номинал второго. Для резистора номиналом 1 кОм, емкость конденсатора будет равна:
Однако, как правило, одного звена пассивного фильтра будет не достаточно. Потому что после него аналоговых сигнал все еще будет содержать большое количество гармоник. Был рассмотрен аппаратный ШИМ генератор микроконтроллера. Всё в нем хорошо, но есть несколько "но": В этом случае может пригодиться программный метод получения ШИМ сигнала. Делается он не сложно, но требователен к частоте работы микроконтроллера и занимает достаточно много процессорного времени, в отличие от аппаратного, работающего незаметно для основной программы. Но так как применяется он, как правило, для светодиодных мигалок, то это не столь важно. Нам необходимо в начале периода ШИМ сигнала выставлять определенную ногу МК в 1 или 0 (в зависимости от того, какой сигнал нам нужен), а потом, по достижении заданной длительности импульса, инвертировать значение ножки. Делать это удобнее всего в прерывании по переполнению. Так мы и поступим, воспользуемся прерыванием по переполнению таймера T0. Управлять будем RGB светодиодом, поэтому и названия переменных и макроопределения для портов сделаем удобочитаемыми.
/*блок дефайнов***************************************************************************************************/
#define RED PORTB.0
#define GREEN PORTB.1
#define BLUE PORTB.2
/*****************************************************************************************************************/
/*объявляем прерменные********************************************************************************************/
unsigned char red=255, green, blue; //переменные, для изменения скважности ШИМ в программе
unsigned char red_b, green_b, blue_b; //переменные, для буферизации значений скважности ШИМ
unsigned char count; //переменная- счетчик вызовов обработчика прерываний
unsigned char temp=1; //переменная для работы алгоритма смены цветов
/*****************************************************************************************************************/
Когда наступает прерывание, необходимо увеличить программный счетчик на 1 и проверить, не переполнился ли он. Если таймер переполнен, то нужно на все ножки, на которые выводится ШИМ, вывести логическую 1, а так же сохранить переменные в буфер. Переменные в буфер сохраняются для того, чтобы данные о скважности обновлялись раз в начале каждого периода, это исключает непредсказуемое поведение выхода. Далее сравниваем значение счетчика со значением буфера скважности каждого канала. Если счетчик достиг этого значения- выводим в соответствующую ногу МК логический 0.
/*обработчик прерывания*******************************************************************************************/
interrupt void timer0_ovf_isr(void)
{
count++;
if (count == 0){ //если счетчик переполнился и принял значение 0
red_b = red; //сохранием значения в буфер
green_b = green;
blue_b = blue;
RED =1; //выставляем ноги, отвечающие за ШИМ в логическую 1
GREEN =1;
BLUE =1;
}
if (red_b == count) { RED = 0;} //по достижении заданной скважности выводим логический 0 в ножку МК
if (green_b == count) { GREEN = 0;}
if (blue_b == count) { BLUE = 0;}
}
/*****************************************************************************************************************/
Для демонстрации работы будем выводить на светодиод плавную смену цвета по цветам радуги (Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан). Для этого воспользуемся нехитрым алгоритмом, который будем крутить в бесконечном цикле.
/*главная функция*************************************************************************************************/
void main(void)
{
PORTB=0x08; //конфигурируем порт
DDRB=0x07;
TCCR0=0x01; //настраиваем таймер
TCNT0=0x00;
TIMSK=0x01; //разрешаем генерацию прерывания по переполнению таймера T0
#asm("sei") //глобально разрешаем прерывания
/*бесконечный цикл************************************************************************************************/
while (1)
{
if (temp==1) {if (green < 255) green += 1; else temp = 2;}
if (temp==2) {if (red > 0) red -= 1; else temp = 3;}
if (temp==3) {if (blue < 255) blue += 1; else temp = 4;}
if (temp==4) {if (green > 0) green -= 1; else temp = 5;}
if (temp==5) {if (red < 255) red += 1; else temp = 6;}
if (temp==6) {if (blue > 0) blue -= 1; else temp = 1;}
delay_ms(2);
};
/*****************************************************************************************************************/
}
/*****************************************************************************************************************/
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: T2 может генерировать прерывание при наступлении: Флаги всех прерываний находится в регистре TIFR,а разрешение/запрещение прерываний в регистре TIMSK. 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. 8-разрядный 9-разрядный 10-разрядный 8-разрядный 9-разрядный 10-разрядный 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). 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 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.
TIMSK = (1<
TCCR0 = (1<
TCNT0 = 0;
OCR0 = 0;
while(1);
return 0;
}
#pragma vector = TIMER0_COMP_vect
__interrupt void Timer0CompVect(void)
{
static uint8_t i = 0;
static uint8_t j = 0;
i = (i + 1) & 31;
softCount++;
if (softCount == 0){
PORTB |= (1<
j = (j + 1) & 31;
}
PORTB &= ~(1<
}1.4 Фильтр для ШИМ
C = 1/(2*Pi*Fc*R) = 1/(6.28 * 1000*200) = ~0.8 мкФ
Выбираем ближайшее значение из ряда E12 - 0.82 мкФ. При таких номиналах фильтра мы получим уже похожий аналоговый сигнал.
- аппаратный ШИМ жёстко привязан к определенным выводам МК, его невозможно переназначить на другую ногу
- количество аппаратных ШИМ каналов ограничено, их количество зависит от модели МК
- разрядность аппаратного ШИМ невозможно изменить
class="eliadunit">
Разряды регистра TIMSK
Регистр
7
6
5
4
3
2
1
0
TIMSK
OCIE2
TOIE2
TICIE1
OCIE1A
OCIE1B
TOIE1
OCIE0*
TOIE0
Разряды регистров TCCR1A:TCC1B:TCNT1:OCR1A:OCR1B:ICR1
Регистр
7
6
5
4
3
2
1
0
TCCR1A
COM1A1
COM1A0
COM1B1
COM1BO
FOC1A
FOC1B
WGM11
WGM10
TCCR1B
ICNC1
ICES1
*
WGM13
WGM12
CS12
CS11
CS10
TCNT1:H
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
TCNT1:L
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
OCR1A:H
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
OCR1A:L
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
OCR1B:H
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
OCR1B:L
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
ICR1:H
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
ICR1:L
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
R/W
Выбор режима работы таймера/счетчика Т1
WGM13
WGM12
WGM11
WGM10
Режим работы
Модуль счета (TOP)
0
0
0
0
Normal
$FFFF
0
0
0
1
Phase correct PWM
$00FF
0
0
1
0
Phase correct PWM
$01FF
0
0
1
1
Phase correct PWM
$03FF
0
1
0
0
CTC (сброс при совпадении)
OCR1A
0
1
0
1
Fast PWM
$00FF
0
1
1
0
Fast PWM
$01FF
0
1
1
1
Fast PWM
$03FF
1
0
0
0
ICR1
1
0
0
1
Phase and Freguensy Correct PWM
OCR1A
1
0
1
0
Phase correct PWM
ICR1
1
0
1
1
Phase correct PWM
OCR1A
1
1
0
0
CTC (сброс при совпадении)
ICR1
1
1
0
1
Зарезервировано
*
1
1
1
0
Fast PWM
ICR1
1
1
1
1
Fast PWM
OCR1A
Режим Phase Correct PWM (ШИМ с точной фазой)
Поиск
Мы можем оповещать вас о новых статьях,