Широтно-импульсная модуляция в Ардуино.

Arduino

Авг 202018

Широтно-импульсная модуляция в Ардуино.

18.11.2016 Автор: ЭДУАРД

В уроке узнаем о широтно-импульсной модуляции, о реализации этого способа управления в контроллерах Ардуино, о режимах и функциях работы с ШИМ в Ардуино.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

Прервемся на урок от разработки контроллера холодильника, для того чтобы научиться работать с широтно-импульсным модулятором Ардуино.

В нашей разработке используется именно такой способ регулирования мощности на элементе Пельтье.

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) это способ управления мощностью на нагрузке с помощью изменения скважности импульсов при постоянной амплитуде и частоте импульсов.

Можно выделить две основные области применения широтно-импульсной модуляции:

Во вторичных источниках питания, различных регуляторах мощности, регуляторах яркости источников света, скорости вращения коллекторных двигателей и т.п. В этих случаях применение ШИМ позволяет значительно увеличить КПД системы и упростить ее реализацию.
Для получения аналогового сигнала с помощью цифрового выхода микроконтроллера. Своеобразный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Очень простой в реализации, требует минимума внешних компонентов. Часто достаточно одной RC цепочки.

Принцип регулирования с помощью ШИМ – изменение ширины импульсов при постоянной амплитуде и частоте сигнала.

На диаграмме можно увидеть основные параметры ШИМ сигнала:

Ui — амплитуда импульсов ;
Ton – время активного (включенного) состояния сигнала;
Toff – время отключенного состояния сигнала;
Tpwm – время периода ШИМ.

Даже интуитивно понятно, что мощность на нагрузке пропорциональна соотношению времени включенного и отключенного состояния сигнала.

Это соотношение определяет коэффициент заполнения ШИМ:

Kw = Ton / Tpwm.

Он показывает, какую часть периода сигнал находится во включенном состоянии. Может меняться:

от 0 – сигнал всегда выключен;
до 1 — сигнал все время находится во включенном состоянии.

Чаще используют процентный коэффициент заполнения. В этом случае он находится в пределах от 0 до 100%.

Среднее значение электрической мощности на нагрузке строго пропорционально коэффициенту заполнения. Когда говорят, что ШИМ равен, например, 20%, то имеют в виду именно коэффициент заполнения.

Формирование аналогового сигнала.

Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низких частот (ФНЧ), то на выходе фильтра мы получим аналоговый сигнал, напряжение которого пропорционально коэффициенту заполнения ШИМ.

U = Kw * Ui

В качестве ФНЧ можно использовать простейшую RC цепочку.

Из-за неидеальной характеристики такого фильтра частота среза должна быть минимум на порядок меньше частоты ШИМ. Для простого RC фильтра частота среза вычисляется по формуле:

F = 1 / (2 π R C).

При повышении частоты среза ФНЧ на выходе фильтра увеличиваются пульсации с частотой ШИМ.
При уменьшении частоты среза фильтра снижается время реакции выходного аналогового сигнала на изменения ширины импульсов.

Из этого вытекает главный недостаток широтно-импульсной модуляции. Метод способен синтезировать только достаточно медленные аналоговые сигналы или требует применения фильтров низких частот с высокой добротностью, сложных в реализации.

Я бы рекомендовал:

В случае, когда к быстродействию аналогового сигнала жестких требований нет выбирать заведомо заниженную частоту среза фильтра.
Если необходимо оптимизировать быстродействие аналогового преобразователя, то лучше промоделировать схему.

Даже простейшие моделирующие программы вычисляют уровень пульсаций достаточно точно. Вот результаты моделирования на SwCAD для ШИМ частотой 500 Гц и RC фильтрами с частотами среза 500 Гц, 50 Гц и 5 Гц. Зеленым цветом показана диаграмма ШИМ, синим – напряжение на выходе RC фильтра.

Частота среза 500 Гц (10 кОм, 32 нФ).

Частота среза 50 Гц (10 кОм, 320 нФ).

Частота среза 5 Гц (10 кОм, 3,2 мкФ).

Точность преобразования широтно-импульсных модуляторов определяется погрешностью амплитуды импульсов (т.е. стабильностью питания микроконтроллера) и значением падения напряжения на ключах цифровых выходов микроконтроллера. Как правило, точность ШИМ микроконтроллеров невысока. Добиться высокой точности ШИМ преобразования можно с помощью дополнительной схемы с аналоговыми ключами и источником опорного напряжения.

К недостаткам использования широтно-импульсных модуляторов в качестве ЦАП также следует отнести высокое выходное сопротивление. Оно определяется сопротивлением резистора RC фильтра и не может быть низким из-за малой нагрузочной способности выходов микроконтроллера.

Широтно-импульсные модуляторы в Ардуино.

Платы Ардуино на базе микроконтроллеров ATmega168/328 имеют 6 аппаратных широтно-импульсных модуляторов. Сигналы ШИМ могут быть сгенерированы на выводах 3, 5, 6, 9, 10, 11.

Управление аппаратными ШИМ осуществляется с помощью системной функции analogWrite().

void analogWrite(pin, val)

Функция переводит вывод в режим ШИМ и задает для него коэффициент заполнения. Перед использованием analogWrite() функцию pinMode() для установки вывода в режим “выход” вызывать необязательно.

Аргументы:

pin – номер вывода для генерации ШИМ сигнала.
val – коэффициент заполнения ШИМ. Без дополнительных установок диапазон val от 0 до 255 и соответствует коэффициенту заполнения от 0 до 100 %. Т.е. разрядность системных ШИМ в Ардуино 8 разрядов.

analogWrite(9, 25); // на выводе 9 ШИМ = 10%

Частота ШИМ Ардуино 488,28 Гц.

Для генерации ШИМ используются все три таймера Ардуино.

Таймер	Используется для генерации ШИМ на выводах
Таймер 0	выводы 5 и 6
Таймер 1	выводы 9 и 10
Таймер 2	выводы 3 и 11

Если таймер используется для других целей, например для прерывания, то параметры ШИМ соответствующих выводов могут не соответствовать указанным выше.

Поэтому, при использовании библиотек MsTimer2, TimerOne или им подобных некоторые выводы в качестве ШИМ сигналов использовать нельзя.

Увеличение частоты и разрядности ШИМ Ардуино.

Система Ардуино устанавливает на всех выводах ШИМ параметры:

частота 488,28 Гц;
разрешение 8 разрядов (0…255).

Очень низкая частота. Для большинства приложений совершенно не допустимая.

В разработке контроллера элемента Пельтье, начатой в предыдущем уроке, частота ШИМ должна быть не менее 30-50 кГц. В интернете достаточно много предложений по увеличению частоты ШИМВо всех описываются методы увеличения частоты до 31 кГц. В принципе приемлемый вариант, но мне захотелось большего.

Я разобрался с Таймером 1 микроконтроллера ATmega168/328, перевел ШИМ в быстродействующий режим и добился частоты ШИМ Ардуино до 62,5 кГц. Заодно я научился менять разрядность ШИМ. Чтобы в следующий раз не копаться в документации на микроконтроллеры ATmega168/328 я свел всевозможные варианты ШИМ для таймера 1 в таблицу.

Строчки из правого столбца для выбранного варианта необходимо написать в функции setup().

Варианты параметров ШИМ на выводах 9 и 10 Ардуино (таймер 1).

Разрешение	Частота ШИМ	Команды установки режима
8 бит	62 500 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x09;
	7 812,5 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0a;
	976,56 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0b;
	244,14 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0c;
	61,04 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 1; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0d;
9 бит	31 250 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 2; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x09;
	3 906,25 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 2; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0a;
	488,28 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 2; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0b;
	122,07 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 2; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0c;
	30,52 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 2; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0d;
10 бит	1 5625 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 3; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x09;
	1 953,13 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 3; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0a;
	244,14 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 3; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0b;
	61,04 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 3; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0c;
	15,26 Гц	TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 \| 3; TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 \| 0x0d;

Следующий скетч генерирует на выводе 9 ШИМ с частотой 62,5 кГц и коэффициентом заполнения примерно 10 %.

void setup() {
// ШИМ 8 разрядов, 62,5 кГц
TCCR1A = TCCR1A & 0xe0 | 1;
TCCR1B = TCCR1B & 0xe0 | 0x09;
analogWrite(9, 25); // на выводе 9 ШИМ=10%
}

void loop() {
}

Это максимально возможная частота ШИМ Ардуино для большинства плат (с частотой генератора 16 мГц).