Пример аппаратной реализации шим atmega8. Генерация аналоговых сигналов микроконтроллером. Ч1

Данная версия 4-канального 8-битного ШИМ-контроллера сконструирована с использованием микроконтроллера ATmegа16. Устройство сдержит интерфейс RS232 для управления с компьютера, интерфейс для 12-кнопочной клавиатуры и 4 аналоговых 10-битных канала для подключения потенциометров. Для отображения текущих режимов работы и параметров имеется 4-х строчный LCD-дисплей. Дополнительно ШИМ-контроллер имеет: 4 выхода на светодиоды, для индикации режимов управления (могут быть задействованы в роли выходов общего назначения), 3 выхода общего назначения.

Устройство имеет очень гибкие настройки. Например, параметры работы каналов ШИМ могут управляться посредством команд с компьютера, посредством аналоговых регуляторов (потенциометры) или с помощью клавиатуры (с отображением пользовательского интерфейса на LCD-индикаторе). Самим LCD-индикатором также возможно управлять через RS232, отображение текущих установок и режимов возможен в числовом, либо в графическом формате.

Основные характеристики устройства:

• 4-канала ШИМ, разрешение 8 бит, частота ШИМ - 31 кГц;
• интерфейс RS232 для управления и контроля с PC;
• простое схемотехническое решение с минимальным количеством внешних элементов;
• 12-кнопочная клавиатура;
• возможность аналоговой регулировки;
• до 7 выходных линий общего назначения;
• 4-строчный LCD-дисплей;
• управление LCD-дисплеем через последовательный интерфейс;
• пользовательское меню;
• гибкие настройки;
• программная реализация буферов FIFO для ускорения работы.

Управление выходами общего назначения (в т.ч. светодиодными индикаторами) осуществляется с компьютера (RS232), пользователь так же имеет возможность считывать историю нажатия клавиш на клавиатуре (последние 32 нажатия клавиш, либо сразу же после нажатия какой-либо клавиши).

Благодаря таким гибким настройкам, выбирая соответствующую настройку, ШИМ-контроллер может использоваться в различных приложениях и как самостоятельное устройство. В конструкции используется микроконтроллер ATmega16, минимальное количество внешних элементов, поскольку весь контроль и управление выполняет сам микроконтроллер. Для пользователя возможно использование только необходимых компонентов, например, LCD-индикатор, если в нем нет необходимости, может быть исключен.

Логическая схема устройства.

Принципиальная схема устройства

Схемотехническое решение очень простое. Для тактирования микроконтроллера выбран кварцевый резонатор 8 МГц, источник питания +5.0 В собран на интегральном стабилизаторе LM7805 , индуктивность 10 мкГн и конденсатор 100 нФ - образуют фильтр, предотвращающий проникновение помех при переключениях в аналоговых цепях. Преобразователь логических уровней MAX232 используется для реализации последовательного интерфейса. LCD-индикатор на чипсете Hitachi (HD44780) с разрешением 20×4 либо 40×2. Узел управления подсветкой индикатора реализован на транзисторе MJE3055T (возможно использование более дешевого аналога). Матрица клавиатуры, стандартная, 4×3.

После подачи питания, микроконтроллер устанавливает последние сохраненные параметры в EEPROM: режимы управления каналами ШИМ (аналоговое управление, управление по последовательному интерфейсу, управление с клавиатуры), формат отображения параметров на индикаторе (управление по последовательному интерфейсу, отображение значений ШИМ, отображение аналоговых значений), а также состояние выходных линий общего назначения, состояние подсветки дисплея.

ШИМ генерация присутствует всегда на всех четырех каналах после подачи питания. Пользователь может настроить все параметры ШИМ-контроллера, используя последовательный интерфейс, посылая управляющие команды, а затем сохранить все сделанные настройки в EEPROM памяти микроконтроллера. Полный список команд и значений приведен ниже в приложении. Последовательный интерфейс также может использоваться для пересылки текущих значений аналоговых каналов управления (по запросу).

На индикаторе, при подаче питающего напряжения, отображается приветствие (пользователь может изменить приветствие), а затем, в соответствии с текущими настройками, отображает текущие параметры и значения выходов ШИМ, значения аналоговых каналов.

Для примера практической реализации устройства и ШИМ управления различными внешними устройствами приведена следующая схема. В данном примере показаны схемотехнические решения для подключения к 4 каналам ШИМ двигателя вентилятора, мощного светодиода семейства , преобразователь ШИМ-напряжение на операционном усилителе LM358 . А также для возможности тестирования выходных линий общего назначения подключены светодиоды.

Пример реализации выходных каскадов ШИМ-контроллера

Мы затронули тему использования счётчика/таймера ATtiny13 в обычном режиме и в режиме подсчёта импульсов (CTC). В этой статье я продолжаю тему таймера, но теперь мы рассмотрим его применение для реализации широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Все микропроцессоры работают с цифровыми сигналами, т.е. с логическим нулем (0 В), и логической единицей (5 В или 3.3 В). Но что делать, если мы хотим получить на выходе какое-либо промежуточное значение? В таких случаях применяют Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.
Широтно-импульсная модуляция представляет собой периодический импульсный сигнал. Существуют цифровые и аналоговые ШИМ, однополярные и двуполярные, и т.д. Но принцип их работы остается одинаковым вне зависимости от исполнения и заключается в сравнении двух видов сигналов: опорного (пилообразные или треугольные импульсы) и входного (постоянного, либо изменяемого нужным образом, в зависимости от конкретной задачи ШИМ). Эти сигналы сравниваются и, при их пересечении, изменяется уровень сигнала на выходе ШИМ. Выходное напряжение ШИМ имеет вид прямоугольных импульсов, изменяя их длительность, мы можем регулировать среднее значение напряжения на выходе ШИМ *.

* Если на выходе ШИМ использовать интегрирующую RC-цепь , то можно вместо импульсного получить постоянное напряжение нужной величины. Но в нашем примере со светодиодами можно обойтись и без этого, так как человеческий глаз всё равно не сможет разглядеть мерцания светодиода при используемой тактовой частоте.

Параметры ШИМ

• T - период тактирования (опорного сигнала);
• t - длительность импулься;
• S - скважность;
• D - коэффициент заполнения.

Скважность определяется отношением периода к длительности импульса. Коэффициент заполнения - величина, обратная скважности (может выражаться в процентах):

S=T/t=1/D

Рассмотрим подробнее, как работает ШИМ в AVR микроконтроллерах, на примере ATtiny13.
Как уже упоминалось в предыдущем примере , в ATtiny13 реализовано две разновидности ШИМ: так называемые "Быстрая ШИМ" (Fast PWM) и "ШИМ с коррекцией фазы" (Phase correct PWM). Оба варианта основаны на использовании встроенного в МК восьмибитного счётчика/таймера T0. Таймер тут используется вместо опорного сигнала. Тактовая частота таймера задаётся предделителем тактовой частоты процессора, либо от внешнего тактового генератора. Режим тактирования задаётся битами CS02 (2), CS01 (1), CS00 (0) регистра TCCR0B :

• 000 - таймер/счетчик T0 остановлен
• 001 - тактовый генератор CLK
• 010 - CLK/8
• 011 - CLK/64
• 100 - CLK/256
• 101 - CLK/1024
• 110 - от внешнего источника на выводе T0 (7 ножка, PB2) по спаду сигнала
• 111 - от внешнего источника на выводе T0 (7 ножка, PB2) по возрастанию сигнала

Настройка таймера для ШИМ

Режим работы таймера задаётся битами WGM01 (1) и WGM00 (0) регистра TCCR0A :

• 00 - обычный режим
• 01 - режим коррекции фазы ШИМ
• 10 - режим подсчета импульсов (сброс при совпадении)
• 11 - режим ШИМ

Здесь нас интересуют варианты "01" и "11".

Биты COM0A1 (7) и COM0A0 (6) регистра TCCR0A задают, какой сигнал появится на выводе OC0A (5 ножка, PB0) при совпадении счётчика (регистр TCNT0 ) с регистром сравнения A (OCR0A ).

В режиме "Быстрая ШИМ":

• 10 - установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A, установка 1 на выводе OC0A при обнулении счётчика (неинверсный режим)
• 11 - установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A, установка 0 на выводе OC0A при обнулении счётчика (инверсный режим)

• 00 - вывод OC0A не функционирует
• 01 - если бит WGM02 регистра TCCR0B установлен в 0, вывод OC0A не функционирует
• 01 - если бит WGM02 регистра TCCR0B установлен в 1, изменение состояния вывода OC0A на противоположное при совпадении с A
• 10 - установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A во время увеличения значения счетчика, установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A во время уменьшения значения счетчика (неинверсный режим)
• 11 - установка 1 на выводе OC0A при совпадении с A во время увеличения значения счетчика, установка 0 на выводе OC0A при совпадении с A во время уменьшения значения счетчика (инверсный режим)

Биты COM0B1 (5) и COM0B0 (4) регистра TCCR0A задают, какой сигнал появится на выводе OC0B (6 ножка, PB1) при совпадении счётчика (регистр TCNT0 ) с регистром сравнения B (OCR0B ).

В режиме "Быстрая ШИМ":

• 01 - резерв
• 10 - установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B, установка 1 на выводе OC0B при обнулении счётчика (неинверсный режим)
• 11 - установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B, установка 0 на выводе OC0B при обнулении счётчика (инверсный режим)

В режиме "ШИМ с коррекцией фазы":

• 00 - вывод OC0B не функционирует
• 01 - резерв
• 10 - установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B во время увеличения значения счетчика, установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B во время уменьшения значения счетчика (неинверсный режим)
• 11 - установка 1 на выводе OC0B при совпадении с B во время увеличения значения счетчика, установка 0 на выводе OC0B при совпадении с B во время уменьшения значения счетчика (инверсный режим)

Быстрая ШИМ (Fast PWM)

В этом режиме счётчик считает от нуля до максимума. При установке нулевого значения счётчика - на выходе появляется импульс (устанавливается логическая единица). При совпадении с регистром сравнения - импульс сбрасывается (устанавливается логический ноль). В инверсном режиме, соответственно - наоборот.

ШИМ с коррекцией фазы (Phase correct PWM)

В этом режиме счётчик считает от нуля до максимума, а затем в обратном направлении, до нуля. При совпадении с регистром сравнения во время нарастания значения счётчика - импульс сбрасывается (устанавливается логический ноль). При совпадении во время убывания - появляется импульс (устанавливается логическая единица). В инверсном режиме, соответственно - наоборот. Недостатком данного режима является уменьшенная в два раза тактовая частота по сравнению с режимом Fast PWM. Но зато при изменении скважности не смещаются центры импульсов. Основное назначение данного режима - делать многофазные ШИМ сигналы, например трехфазную синусоиду, чтобы при изменении скважности не сбивался угол фазового сдвига между двумя ШИМ сигналами.

Чтобы увидеть наглядно, как работает ШИМ, напишем небольшую программу (все опыты я провожу на своей отладочной плате , соответственно код привожу применительно к ней):

/* * tiny13_board_pwm * Демо-прошивка отладочной платы на ATtiny13. * Демонстрация работы ШИМ на двух каналах: * неинверсный сигнал на выходе OC0A, инверсный - на выходе OC0B. */ #define F_CPU 1200000UL #include #include #define LED0 PB0 // OC0A #define LED1 PB1 // OC0B int main(void) { // Светидиоды: DDRB |= (1 << LED0)|(1 << LED1); // выходы = 1 PORTB &= ~((1 << LED0)|(1 << LED1)); // по умолчанию отключены = 0 // Таймер для ШИМ: TCCR0A = 0xB3; // режим ШИМ, неинверсный сигнал на выходе OC0A, инверсный - на выходе OC0B TCCR0B = 0x02; // предделитель тактовой частоты CLK/8 TCNT0=0; // начальное значение счётчика OCR0A=0; // регистр совпадения A OCR0B=0; // регистр совпадения B while(1) { do // Нарастание яркости { OCR0A++; OCR0B = OCR0A; _delay_ms(5); } while(OCR0A!=255); _delay_ms(1000); // Пауза 1 сек. do // Затухание { OCR0A--; OCR0B = OCR0A; _delay_ms(5); } while(OCR0A!=0); _delay_ms(1000); // Пауза 1 сек. } }

Тут мы видим, что при старте МК в регистры сравнения A и B устанавливается 0, а счётчик запускается в режиме Fast PWM, с генерацией неинверсного ШИМ сигнала на выходе OC0A и инверсного - на выходе OC0B. В основном цикле значения регистров сравнения плавно меняются от 0 до максимума и обратно. В результате, светодиоды, подключенные к выводам OC0A и OC0B, будут поочерёдно плавно загораться и гаснуть, как бы в противофазе.
Но если приглядеться внимательнее, то видим, что один из светодиодов гаснет не до конца, а продолжает тускло светиться. Эта особенность характерна для Fast PWM режима. Дело в том, что в этом режиме, даже если записать в регистр сравнения 0, при обнулении счётчика на выходе всё равно устанавливается логическая единица, которая сбрасывается в следующем такте (по совпадению с регистром сравнения). Таким образом, в каждом периоде будет проскакивать по одному короткому импульсу длительностью 1 такт, но этого достаточно для засвечивания светодиода. Этот эффект отсутствует в инверсном режиме формирования выходных импульсов, т.к. в данном случае при обнулении счётчика будет происходить не короткий импульс, а наоборот - короткий провал во время максимального заполнения ШИМ. Этот провал можно увидеть на осциллографе, но такое мерцание светодиода человеческое зрение просто не заметит. Поэтому второй светодиод загорается и гаснет полностью. В режиме ШИМ с коррекцией фазы, этот эффект отсутствует независимо, инверсный сигнал формируется на выходе или нет. Поменяем значение бита WGM01 (1) регистра TCCR0A с 1 на 0.

Был рассмотрен аппаратный ШИМ генератор микроконтроллера. Всё в нем хорошо, но есть несколько "но":
- 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

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); }; /*****************************************************************************************************************/ } /*****************************************************************************************************************/

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?

ШИМ (PWM) используется в транзисторной схеме для регулирования напряжения без механики, в свою очередь управление мощностью. Например управление яркостью светодиодов, управление яркостью подсветки на LCD-мониторе, управление двигателями и т.д. Если отобразить на рисунке, то выход с микроконтроллера примерно будет следующим, как на картинке ниже. Где видно что скважность это заполнение импульса, если вся ширина импульса это 5 В, то при 30% заполнении импульса, в среднем на выходе мы получим примерно 1,5В. В микроконтроллерах AVR ШИМ управление задается в восьмиразрядных таймерах/счетчиках T0/(T2) и шестнадцатиразрядный T1 (T3 в некоторых моделях). А также есть другие модели где битность ШИМа можно задавать, например ATmega 128. Рассмотрим настройку шестнадцатиразрядного таймера/счетчика Т1. Данные берем соответственно таблицам либо из справочника, либо из даташита (литература — статья №1).

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.

Отличительные особенности:

• Генерация аналоговых сигналов с помощью ШИМ
• Высокочастотная масштабируемая синхронизация ШИМ

Введение

Данные "Рекомендации…" являются руководством по использованию высокочастотного широтно-импульсного модулятора (ШИМ), который присутствует в некоторых микроконтроллерах AVR. В состав "Рекомендаций…" входит пример ассемблерного кода, который демонстрирует, как использовать высокочастотный ШИМ микроконтроллера ATtiny26. Таймер с высокочастотным ШИМ также имеется в ATtiny15.

Для генерации импульсов используется режим быстрой ШИМ с переменным заполнением импульсов на выходе OC1A (PB1). Для получения из цифрового ШИМ-сигнала сигнала синусоидальной формы на выходе должен быть предусмотрен аналоговый фильтр.

Преимущества высокоскоростного ШИМ - расширение частотного диапазона аналогового выходного сигнала и возможность применения более компактных и недорогих компонентов в фильтре за счет более высокой частоты.

1. Принцип действия

ШИМ в сочетания с аналоговым фильтром может использоваться для генерации аналоговых выходных сигналов, т.е. в качестве цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В качестве основы используется последовательность прямоугольных импульсов с постоянным периодом следования (фиксированная частота преобразования). Для генерации различных аналоговых уровней регулируется заполнение импульсов и, таким образом, изменяется длительность импульсов. Если необходимо сформировать высокий аналоговый уровень, то длительность импульса увеличивают и наоборот.

Усреднение аналогового сигнала за один период (с помощью аналогового фильтра) позволяет сгенерировать аналоговый сигнал. При заполнении импульсов 50% аналоговый сигнал равен половине напряжения питания, а при 75%-ом заполнении импульсов - аналоговый сигнал равен 75% от напряжения питания. Примеры фильтрации выходных сигналов показаны в конце данного документа.

Например, аналоговый ФНЧ можно выполнить с помощью простого пассивного RC-фильтра. Фильтр удаляет несущую высокую частоту ШИМ и, таким образом, формирует аналоговый сигнал. Настроечная частота фильтра должна быть выбрана достаточно высокой, чтобы не исказить форму аналогового сигнала. В то же время настроечная частота должна быть достаточно низкой для минимизации пульсаций от несущей частоты ШИМ.

Рисунок 1. Низкочастотный RC-фильтр

Если аналоговый сигнал поступает к низкоомному входу, то между выходом фильтра и нагрузкой должен быть включен буферный усилитель. Это предотвращает нагружение конденсатора и появление пульсирующего напряжения.

На рисунке 2 показана реальная осциллограмма ШИМ-сигнала с переменным заполнением импульсов.

Рисунок 2. ШИМ-сигнал с переменным заполнением импульсов

В микроконтроллерах AVR для генерации ШИМ-сигналов используются таймеры-счетчики. Для изменения несущей частоты ШИМ изменяется частота синхронизации таймера и вершина счета. Повышение частоты синхронизации и/или снижение вершины счета приводят к повышению частоты переполнения таймера и, как следствие, увеличивается частота ШИМ. Максимальной разрешающей способности (вершина счета 255) соответствует максимальная частота ШИМ 250 кГц. Дальнейшее увеличение частоты ШИМ возможно путем уменьшения разрешающей способности, но в этом случае сокращается количество шагов при установке заполнения импульсов от 0 до 100%.

Изменение содержимого регистра сравнения (OCR) влияет на заполнение импульсов. Увеличение значения OCR увеличивает заполнение импульсов. До достижения счетчиком значения из регистра OCR ШИМ-выход находится в высоком состоянии, затем переходит в низкое состояние до достижения вершины счета, после чего счетчик переходит в нулевое состояние и цикл повторяется. Такой способ генерации у AVR-микроконтроллеров получил название быстрой ШИМ.

Рисунок 3. Значения счетчика и ШИМ-выход

При использовании высокочастотной ШИМ для генерации аналоговых сигналов ширина аналоговых уровней зависит от разрешающей способности ШИМ. Чем выше несущая частота, тем более просто ее подавить и тем самым минимизировать уровень пульсаций. Таким образом, необходимо оптимизировать соотношение разрешающей способности и несущей частоты.

2. Альтернативные области применения

Высокоскоростной таймер может также использоваться для генерации высокочастотных цифровых сигналов, которые в свою очередь используются для синхронизации других цифровых каскадов. При установке очень малой вершины счета можно генерировать сигналы с очень высокой частотой.

Максимальная тактовая частота таймера микроконтроллера ATtiny26 равна 64 МГц (без предварительного деления). При частоте ШИМ 16 МГц (вершина счета 3) в регистр OCR можно записать значение 0, 1 (заполнение 25%), 2 (заполнение 50%, рисунок 4а) или 3 (заполнение 100%). Этим показывается, что снижением вершины счета увеличивается несущая частота ШИМ.

Для достижения максимальной выходной частоты от таймера его необходимо перевести в режим без ШИМ. Вершина счета и содержимое OCR должны быть равны 0. Счетчик в этом случае зависает на 0. Установка действия по совпадению равным "toggle output" (инвертирование выхода) приводит к инвертированию (переключению) выхода каждый такт таймера. В результате достигается частота 32 МГц (рисунок 4б).

Рисунок 4. Высокочастотный цифровой выход

3. Пример применения

Рисунок 4 иллюстрирует, как генерировать синусоидальный сигнал из высокочастотного ШИМ-сигнала.

Программный код состоит из 3 частей: инициализация, процедура обработка прерывания по переполнению таймера 1 и цикл в режиме сна. В данном примере полагается, что микроконтроллер работает на тактовой частоте 8 МГц.

Рисунок 5. Блок-схема основного цикла программы генерации синусоидального сигнала

3.1. Инициализация

Выход компаратора таймера 1 (OC1A) необходимо настроить на вывод.

Далее выполняется установка таймера 1: подготавливается тактовый источник таймера - запускается схема ФАПЧ, которая должна войти в синхронизм (захват) с системной частотой синхронизации. ФАПЧ требует порядка 100 мс для захвата с системной синхронизацией и, поэтому, перед выполнением последующих действий необходимо подождать установку флага захвата ФАПЧ. Как только ФАПЧ захватывается его необходимо выбрать в качестве тактового источника таймера.

Далее выбирается режим ШИМ с инвертированием вывода OC1A по совпадению и устанавливается вершина счета равной 0xFF. Значение вершины счета определяет разрешающую способность и несущую частоту ШИМ- чем выше значение вершины, тем выше разрешающая способность и ниже несущая частота.

Теперь таймер готов к запуску: установка предделителя приводит к запуску таймера. В завершении разрешается прерывание по переполнению таймера.

Рисунок 6. Процедура инициализации (инициализирует вывод и таймер 1 для работы в режиме быстрой ШИМ)

3.2. Процедура обработки прерывания

Когда таймер 1 достигает значения из OCR1C (0xFF) вызывается процедура обработки прерывания по переполнению таймера. Поскольку значение OCR1C - константа, то и данное событие возникает с постоянной периодичностью. Данный период определяет несущую частоту выходного ШИМ-сигнала.

В процедуре обработки прерывания реализована таблица для генерации синусоидального сигнала. При каждом входе в процедуру увеличивается указатель для доступа к таблице, чтобы всякий раз загружались новые значения. Значение, считанное из таблицы, записывается в регистр OCR1A. Таким образом, генерируемая последовательность импульсов может быть преобразована в синусоидальный сигнал. Обратите внимание, что регистр OCR1A буферизован и что перезапись из буферного регистра в действительный регистр OCR1A происходит при переполнении таймера.

Для выполнения процедуры обработки прерывания необходимо 13 тактов. На вызов процедуры и возврат из нее также затрачивается время - всего потребуется 21 такт. Поскольку таймер 1 является 8-разрядным, то прерывание возникает каждые 256/(Частота_ШИМ/Системная_частота) тактов. В данном примере полагается тактирование внутренним RC-генератором частотой 8 МГц. Если используется максимальная тактовая частота ШИМ 64 МГц, то переполнение таймера возникает каждые 32 системных такта.

Несмотря на возможность тактироваться максимальной частотой 64МГц, в данном примере частота синхронизации таймера принята 4…16 МГц, чтобы дополнительно продемонстрировать работу с предварительным делителем.

Рисунок 7. Блок-схема процедура обработки прерывания по переполнению таймера

3.3. Холостой ход

В процессе ожидания возникновения прерывания микроконтроллер переводится в экономичный режим сна "Холостой ход" (Idle). По завершении обработки прерывания микроконтроллер возвращается в режим сна.

4. Осциллограммы

На следующих рисунках приведены осциллограммы генерации синусоидальных сигналов с помощью микроконтроллера ATtiny26. На осциллограммах представлены два сигнала: цифровой сигнал с выхода OC1A и обработанный/фильтрованный ШИМ-сигнал. Для формирования аналогового синусоидального сигнала использовался простой RC-фильтр с параметрами R = 10 кОм и C = 100 нФ, которым соответствует настроечная частота фильтра 1 кГц. Таким образом, синусоида пропускается, а высокочастотная несущая частота подавляется.

Рисунок 8. Фильтрованный и нефильтрованный выход OC1A

Рисунок 9. Фильтрованный и нефильтрованный выход OC1A (с большим масштабом)