analogWrite изнутри: таймеры и частота ШИМ

Таймеры настраивает init()

До setup() функция main() ядра вызывает init() (строки 241–324 wiring.c), и та запускает все три таймера:

У Timer0 есть вторая работа: прерывание по переполнению отсчитывает millis() — это тема урока 5. Комментарий в wiring.c объясняет выбор: Phase Correct на Timer0 переполнялся бы вдвое реже и millis() вёл бы себя иначе, чем на старом ATmega8.

Что делает analogWrite

// ArduinoCore-avr 1.8.8, cores/arduino/wiring_analog.c, lines 96-285 (abridged)
void analogWrite(uint8_t pin, int val)
{
    pinMode(pin, OUTPUT);
    if (val == 0) {
        digitalWrite(pin, LOW);
    } else if (val == 255) {
        digitalWrite(pin, HIGH);
    } else {
        switch (digitalPinToTimer(pin)) {
        case TIMER0A:
            sbi(TCCR0A, COM0A1);   // connect OC0A to the pin
            OCR0A = val;           // duty
            break;
        case TIMER1A:
            sbi(TCCR1A, COM1A1);
            OCR1A = val;
            break;
        /* ... TIMER0B, TIMER1B, TIMER2A, TIMER2B ... */
        case NOT_ON_TIMER:
        default:
            if (val < 128) digitalWrite(pin, LOW);
            else digitalWrite(pin, HIGH);
        }
    }
}

Функция делает три вещи: переводит вывод в выход (выход сравнения появится на выводе только при DDR = 1, раздел 15.6), ставит бит COMnx1 — неинвертирующий ШИМ, — и пишет значение в регистр сравнения OCRnx. На выводе без таймера ШИМа нет: analogWrite(7, 100) даст постоянный низкий уровень, analogWrite(7, 200) — высокий.

Карта выводов и частоты

Частоты — по формулам даташита. Fast PWM (раздел 15.7.3):

Phase Correct (раздел 15.7.4; для Timer1 — 16.9.4 с TOP = 255):

Соответствие выводов и выходов таймеров — из разделов 14.3.1 и 14.3.3 даташита, номера выводов — из pins_arduino.h. Ту же таблицу для любой платы показывают калькулятор ШИМ Arduino и карта выводов.

Скважность на разных таймерах

Одно и то же число в analogWrite даёт чуть разную скважность. В Fast PWM выход ставится в единицу в начале периода и сбрасывается при совпадении, а при OCR0x = 0 остаётся импульс длиной в один такт таймера (раздел 15.7.3). Значит, высокий уровень длится OCR0x + 1 тактов из 256. В Phase Correct выход меняется при совпадении на подъёме и на спуске, и доля высокого уровня — OCRnx / 255 (оба вывода — расчёт наш по описанию режимов):

Отсюда и особый случай для нуля: в Fast PWM OCR0A = 0 не выключил бы светодиод полностью — остался бы импульс в 1/256 периода. В Phase Correct OCRnx = 0 и так даёт постоянный ноль (разделы 15.7.4 и 16.9.4), но ядро не различает таймеры и для 0 и 255 на любом выводе вызывает digitalWrite, которая заодно выключает ШИМ (её turnOffPWM мы видели в уроке 1).

Кто ещё занимает таймеры

• Timer0 — millis(), micros() и delay(). Его делитель и режим лучше не менять.
• Timer2 — функция tone(): в Tone.cpp для ATmega328P выбран USE_TIMER2, и tone() переводит Timer2 в режим CTC (строки 183–186). Пока звучит tone(), ШИМ на выводах 3 и 11 работать не будет. И после noTone() он сам не вернётся: disableTimer(2) (строки 426–457) восстанавливает Phase Correct и делитель 64, но пишет TCCR2A = (1 << WGM20) — биты COM сброшены, — и обнуляет OCR2A. ШИМ на выводах 3 и 11 появится только после следующего analogWrite.
• Timer1 — свободен от ядра, его часто занимают библиотеки. Проверяйте документацию библиотеки, прежде чем перенастраивать.

Своя частота регистрами

31,4 кГц на выводах 9 и 10 одной строкой

Двигатель на 490 Гц пищит. Если оставить у Timer1 режим ядра и убрать делитель, частота станет 16 000 000 / 510 ≈ 31 372 Гц — выше слышимого диапазона (расчёт наш):

void setup() {
  // Timer1 keeps the core's 8-bit phase correct mode; only the prescaler changes.
  TCCR1B = (TCCR1B & ~(_BV(CS12) | _BV(CS11) | _BV(CS10))) | _BV(CS10);  // clk/1
  analogWrite(9, 128);   // still works: 50 % at about 31.4 kHz
}

void loop() {}

analogWrite продолжит работать на выводах 9 и 10: она пишет только биты COM и OCR1x, а делитель не трогает.

20 кГц с разрешением 800 шагов

Режим 14 Timer1 (табл. 16-4) — Fast PWM с вершиной в регистре ICR1. Частота по разделу 16.9.3 — fclk / (N · (1 + TOP)): для 20 кГц без делителя TOP = 16 000 000 / 20 000 − 1 = 799 (расчёт наш).

void setup() {
  TCCR1B = 0;                                     // stop Timer1: init() left it running
  DDRB |= _BV(DDB1);                              // pin 9 (OC1A) as output
  TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(WGM11);              // non-inverting OC1A; WGM11 of mode 14
  ICR1 = 799;                                     // TOP: 16 MHz / (1 + 799) = 20 kHz
  OCR1A = 199;                                    // (199 + 1) / 800 = 25 %
  TCNT1 = 0;
  TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(WGM12) | _BV(CS10);   // WGM13:12 of mode 14, clk/1: start
}

void loop() {}

ICR1 и OCR1A записываются, пока таймер остановлен, и только последняя строка запускает счёт: таймер сразу стартует с нужными вершиной и скважностью. После такой настройки не вызывайте analogWrite(9, …): функция запишет в OCR1A число от 1 до 254, которое теперь означает долю от 800, а значения 0 и 255 выключат ШИМ через digitalWrite. Делитель и вершину под любую частоту подберёт калькулятор таймера.

Сколько стоит одна смена скважности

analogWrite при каждом вызове выполняет pinMode и digitalPinToTimer — те же поиски по таблицам, что в уроке 1, — и только потом пишет регистр. Регистровая версия — одна запись: OCR0A лежит в области ввода-вывода по адресу 0x27, и для него достаточно команды OUT (1 такт), а 16-битный OCR1A — в расширенной области (0x88–0x89), куда пишут две команды STS по 2 такта (разделы 8.5 и 37). Для плавной регулировки в цикле это разница между десятками тактов и одним-четырьмя.

Нагрузка на ШИМ-выводе

ШИМ-вывод — обычный выход с теми же пределами: 40 мА абсолютного максимума (раздел 29.1). Двигатель, реле, мощный светодиод подключают только через транзисторный ключ, а у индуктивной нагрузки параллельно ставят обратный диод, иначе выброс напряжения при выключении пробьёт транзистор.

Задание

1. В скетче выполнено TCCR2B = (TCCR2B & 0xF8) | _BV(CS21); — делитель Timer2 стал 8. Какая теперь частота ШИМ на выводах 3 и 11? Изменится ли millis()?
2. Посчитайте скважность для analogWrite(6, 64) и analogWrite(10, 64).
3. После analogWrite(5, 100) скетч пишет PORTD &= ~_BV(PORTD5);. Пропадёт ли ШИМ на выводе 5? Почему?

Что дальше

В уроке 4 разберём analogRead(): делитель 128, опорное напряжение и почему analogReference() ничего не пишет в регистры. Все регистры таймеров ATmega328P с битами — на страницах Timer0, Timer1 и Timer2. Чем Phase Correct отличается от Fast PWM, коротко объясняет термин «Phase Correct PWM», а про делители — термин «Предделитель таймера».