Краткий Курс - Самоучитель - Программирование микроконтроллеров AVR - быстрый старт с нуля

Цифровое регулирование мощности,
тока, напряжения.

ШИМ - это широтно-импульсная модуляция. т.е. модуляция (управление) напряжением или током путем изменением ширины импульсов при неизменной их величине.

На экране осциллографа (например SCOPE в симуляторе VMLAB) кусочек ШИМ сигнала выглядит примерно так:

Это практически цифровой сигнал - т.е. это либо включено (на ножке МК это логическая "1") либо выключено (на ножке МК это лог. "0"). Ясно что для создания ШИМ сигнала используются различные ключи - например встроенные в МК или внешние транзисторы или реле.

ШИМ ( англ. PWM ) сигнал имеет следующие основные параметры:

- период ШИМ - это время между фронтами (или спадами) соседних импульсов - обозначается T - обычно он постоянен по времени. С периодом связана обратная величина - частота ШИМ равная 1 / T в Гц.

- величина ШИМ - это отношение А / Т умноженное на 100 - получаем проценты (англ. X % duty cycle).

- размах ШИМ - это разность между значениями вкл. и выкл.

Применение PWM = = ШИМ позволяет :

1) регулировать мощность в нагрузке.

Регулирование мощности осуществляется изменением среднего времени подачи питания в нагрузку.

При этом коммутирующий (включающий - выключающий) нагрузку транзисторный ключ работает в ключевом режиме и поэтому на нем выделяется минимум тепла !

Вот пример регулирования мощности в электродвигателе :

Мотор будет подключаться к питанию +V когда напряжение "PWM In" будет достаточным для открывания транзистора IRL540.

Мощные полевые и IGBT транзисторы правильно переключать с помощью специальных драйверов - например IRS2110. Если частота переключений не высокая то можно управлять полевиками серии IRL ножкой МК через резистор 100 Ом причем можно использовать несколько ножек МК параллельно. Подробно по управлению электромоторами написано и нарисовано в соответствующих апноутах и исходниках к ним.

Управляя полевым транзистором одной ножкой МK вы можете легко переключать ток 50 -100 ампер !

Пример: Если вы возьмете электромотор на 6 вольт и подключите по схеме
выше к питанию 12 вольт то при подаче на "PWM In" вот таких сигналов:

мотор будет развивать такую мощность:

- для верхней диаграммы ШИМ 10% - мощность будет 20%
(от номинальной при 6 вольтах).

- для средней диаграммы ШИМ 50% - мощность будет 100%

- для нижнего графика ШИМ 90% - значит мощность мотора
превысит в 1.8 раз номинальную. Осторожно ! Не спалите !


	Основы электроники по-русски ТУТ ! Это курс для начинающих - самые нужные сведения по электронике ! Всего 1.08 Мб Там рассказано с картинками - что такое полупроводники, транзисторы, резисторы, конденсаторы, индуктивности, операционные усилители, типовые схемы, диоды, тиристоры и многое другое !

2) ШИМ позволяет выполнить ЦАП - нужно лишь добавить ФНЧ - фильтр нижних частот.

ФНЧ может быть простейшим - к выводу МК на который выводится ШИМ подключается резистор, а к другой вывод резистора заземляется конденсатором - на этом конденсаторе будет результат ЦА преобразования PWM сигнала.

AVR ATmega16 имеет аппаратную возможность формировать 4 ШИМ сигнала на ножках OC0 OC1A OC1B OC2

Аппаратную - значит не загружая процессор вычислениями.

AVR ATmega48 -88 -168 имеют 6 аппаратных PWM с частотой до 78 КГц

AVR ATmega128 имеет 6 аппаратных PWM с разрешением до 16 бит !

Если вам этого мало то :

С помощью таймеров МК и извилистости мозгов вы можете программно сформировать еще кучу ШИМ сигналов.

Еще PWM'чиков бы ... да Аппаратных !

Ну подключите к МК по последовательному интерфейсу SPI (или иному) внешний многоканальный PWM контроллер ! Вот например Ti.com предлагает чудо чудное:

TLC5941 16-канальный PWM LED Driver

Вам совсем не обязательно к нему светодиоды подключать !

Вот простой пример на Си как вывести 10 битный ШИМ
на ножку PD5 микроконтроллера ATmega16 для компилятора CodeVisionAVR:

DDRD=0x20; // 00100000 PD5(OC1A)-PWM Timer1 OUT
// ножку PD5 назначить выходом

// Настройка TIMER1 для генерации ШИМ

//TIMER1 initialize
//prescale:1 clock 7.37 MHz
// WGM: 7) PWM 10bit fast, TOP=0x03FF
// actual value: 7200,000Hz (100,0%)
// последнее - это частота ШИМ сигнала

TCCR1B = 0x00; //stop Timer

TCNT1H = 0xFC; // 11111100
TCNT1L = 0x01; // 00000001

/* значение в 16 битном регистре OCR1A определяет величину генерируемого ШИМ сигнала на ножке PD5 - если поделить ее на 10.23 то получим PWM в процентах*/

OCR1AH = 0x03; // PWM(PD5) = OCR1A / 10.23
OCR1AL = 0xFF; // 0x03FF это число 1023

/* регистр OCR1A состоит из двух 8-ми битных регистров OCR1AH и OCR1AL запись в них нужно проводить в указанной последовательности! */

OCR1BH = 0x03;
OCR1BL = 0xFF;

ICR1H = 0x03;
ICR1L = 0xFF;

TCCR1A = 0x83; // 10000011

TCCR1B = 0x09; // 00001001 - start Timer

// Теперь ШИМ 100% - т.е. на ножке PD1 лог. "1"

После выполнения этого участка программы на ножку PD1 выводится ШИМ сигнал величиной 100 % - т.е. на ней постоянно присутствует высокий уровень - лог. "1"

Изменить величину генерируемого ШИМ можно так:

Вычислите новое значение из диапазона 0 - 1023 для записи в OCR1A и запишите вот такими строками программы:

После выполнения этого участка программы на ножку PD1 начнет выводится ШИМ сигнал величиной (pwm_val/10.23) в процентах.

Совсем не обязательно возится с %%%

Это только одна и величин которой можно охарактеризовать величину ШИМ.

Вы можете использовать любые удобные вам единицы.

Напомню ! (char)pwm_val означает на Си : преобразовать значение переменной pwm_val к типу char т.е. от числа в переменной будет взяты только младшие 8 бит.

Вот скриншот симуляции - получился прекрасный ШИМ на
ножке PD5 и видна передача данных по USART на ножке PD1.

Нижний график DAC - это выход ШИМ с ножки PD5 после ФНЧ состоящего из резистора 500 КОм и конденсатора 10 нФ - по сути это результат 10 битного ЦАП числа в переменной pwm_val

Обязательно запустите программы и посимулируйте не ленясь нажимать на светофор при остановках симулятора.

Я очень подробно и с картинками рассмотрел симуляцию программы в VMLAB в задаче 3.

Откройте ДШ МК и разберитесь с регистрами использованными в примере, что делает каждый бит !

Давайте выведем 2 ШИМ сигнала

Код конфигурации таймера 1 создадим с помощью мастера CVAVR.

1) Запустите компилятор CodeVisionAVR и кликните по серой шестеренке в панели инструментов - запустится мастер начального кода.

3) Щелкните по ярлыку - таймеры и затем таймер_1

Вот и все установки для 2-х каналов 10 битных (top = 3FFh) ШИМ на ножках PD4PD5.

Мы ж не заглянули в ярлык порты и не сконфигурировали
ножки PD4 и PD5 выходами - вот мастер и возопил !

Кликаем "Yes" ... и потом еще раз "Yes" и появляется окно с кодом.

DDRD=0x30; // PD4 PD5 теперь выходы

// ..........

// Timer/Counter 1 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 7370,000 kHz
// Mode: Fast PWM top=03FFh
// OC1A output: Non-Inv.
// OC1B output: Non-Inv.
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer 1 Overflow Interrupt: Off
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: Off
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0xA3;
TCCR1B=0x09;

TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;

OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;

Как PD4 PD5 стали выходами я думаю вам очевидно!

Далее идут комментарии настройки таймера_1 и строка кода:

Биты_7_6 влияют на ШИМ на ножке PD5
Биты_5_4 влияют на ШИМ на ножке PD4

Как влияют написано в таблице 45 ДШ

Биты_1_0 совместно с битами_5_4 регистра TCCR1B определяют
режим работы ШИМ по таблице 47

значит комбинация 4-х битов определяющая режим ШИМ такова: 0111
по таблице 47 это режим 7 - как мы и заказывали мастеру !

Биты_2_0 регистра TCCR1B определяют коэф. деления источника тактового сигнала прежде чем он будет тикать таймер_1

У нас это 001 по таблице 48 коэф. деления 1 - т.е. таймер_1
считает с частотой кварца.

Скорость счета совместно с разрядностью ШИМ определяют частоту ШИМ сигнала. Значит частота ШИМ задается коэффициентом деления тактирующего МК сигнала и разрядностью ШИМ.

Следующие 4 регистра нас не интересуют сейчас. Вы почитайте сами в ДШ зачем они !

Следующие 4 регистра нас ОЧЕНЬ даже интересуют !

из первого примера с одним ШИМ вы наверняка поняли, что в эти регистры нужно записывать желаемую
величину ШИМ в виде числа от 0 до 1023.

Помните в мастере опцию - не инвертирующий ?

Выбрав inverted вы замените величину ШИМ на скважность !

"1" и "0" на выходах OC1x просто поменяются местами и задав (записью соответствующего числа в регистры OCR1xx) величину ШИМ например 25 % на выходе вы получите сигнал со скважностью 25% - соответственно величина такого ШИМ сигнала будеи 75%

Теперь разобранным выше кодом нужно аккуратно и внимательно заменить аналогичный код в исходнике первого примера.ШИМ на ножке PD5 будет работать так же как и работал в первом примере - значит ни какого кода добавлять не нужно. А вот ШИМ на ножке PD4 я сделаю постоянным, добавив в программу перед строкой

такие строчки:

// вывести ШИМ около 25% на PD4
OCR1BH = 0x00;
OCR1BL = 0xFF; // PWM(PD4) 255/10.23 = 24.9(%)

Чтобы увидеть второй ШИМ сигнал на виртуальном осциллографе SCOPE
симулятора VMLAB нужно в файле проекта vmlab.prj внести добавку:

Все, теперь можно скомпилировать программу и запустить симуляцию.

Обязательно запустите программы и по-симулируйте не ленясь нажимать на светофор при остановках симулятора.

Самостоятельно определите параметры ШИМ
с помощью курсоров в SCOPE симулятора VMLAB.