12. Широтно-импульсная модуляция. Понятие широтно-импульсной модуляции. Различные режимы широтно-импульсной модуляции. Режим быстрый шим (Fast pwm). Шим без фазового сдвига (Phase Correct pwm).

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) (Pulse-width modulation - PWM) – приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам с двумя фиксированными уровнями – ноль или единица.

Формально этот процесс можно записать в следующем виде:

где x(t) – желаемый входной сигнал в пределе от t₁ до t₂,

∆T_i – продолжительность i -го ШИМ-импульса с амплитудой A

∆T_i подбирается таким образом, чтобы суммарные площади (энергии) обеих величин были приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени.

Для наших МК: простой и эффективный способ задания аналогового сигнала цифровым методом.

В аналоговом варианте преобразование синусоидального сигнала в ШИМ-последовательность и обратно схематически выглядит так (рисунок 1):

Рисунок 1 – Преобразование синусоидального сигнала в ШИМ-последовательность

• на один из входов компаратора подается исследуемый аналоговый сигнал Uвх

• на другой – сигнал опорной частоты Fоп, имеющий треугольную форму

• при совпадении уровней двух сигналов на входах компаратора его выход переключается, формируя в результате последовательность, состоящую из прямоугольных импульсов с несущей частотой Fоп, в длительности которых закодирован уровень исходного аналогового сигнала (т. е. его амплитуда)

• если далее требуется получить исходный аналоговый сигнал, эту последовательность необходимо пропустить через фильтр нижних частот, чтобы отфильтровать опорную частоту и получить исходную синусоиду

В приведённом примере в качестве фильтра нижних частот используется обычная интегрирующая RC-цепочка.

Меняя скважность сигнала (Скважность – отношение длительности периода к длительности импульса) ШИМ-последовательности, можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе

Во всех контроллерах семейства AVR режим широтно-импульсной модуляции достаточно легко реализовать с помощью таймеров.

Режим Fast PWM

В этом режиме таймер микроконтроллера считает от 0 до 255, после достижения переполнения счетный регистр сбрасывается в 0, и счет начинается снова. Когда значение в счетчике достигает значения, записанного заранее в регистр сравнения (рис.2), то соответствующий ему вывод ОСхn сбрасывается в 0. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в 1.

где Ftcx – тактовая частота таймера, полученная путем деления тактовой частоты нашего МК на коэффициент деления N, задаваемый с помощью соответствующих разрядов регистра управления TCCR.

Рисунок 2 –  Формирование ШИМ-сигнала в режиме быстрой модуляции

ШИМ с корректной фазой

Phase Correct PWM - ШИМ с корректной (или точной) фазой (более продвинутый режим).

В данном случае 16-разрядный счетчик (в 8-битном таймере данный режим недоступен) работает как реверсивный. При этом он непрерывно считает сначала от 0 до max значения модуля счета, затем обратно до 0. При достижении 0 счет опять начинается в сторону увеличения, далее цикл повторяется.

Вывод OCxn при первом совпадении сбрасывается в 0, при втором устанавливается обратно в 1 (рис. 3). Частота ШИМ при этом падает вдвое вследствие увеличения периода.

Рисунок 3 – Сравнение режимов работы ШИМ

Регистры, ответственные за реализацию различных режимов ШИМ

1) Регистр TCCR, биты COM – определяют поведение выводов сравнения OCnx

2) Регистр TCCR, биты WGM – задают режим работы генератора

Таблица 1 – Режимы работы вывода Ocnx

COMnx1	COMnx0	Режим работы вывода Ocnx
0	0	Вывод не подсоединен к регистру сравнения
0	1	Поведение вывода зависит от режима, заданного в WGM
1	0	Прямой ШИМ (сброс при совпадении и установка при обнулении счета)
1	1	Инверсный ШИМ (сброс при обнулении и установка при совпадении)