Balogh at 12:38, 15 January 2008

2008-01-15T12:38:15Z

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=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie ''' PWM''' eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt '''PWM'''-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten '''PWM'''-Modus betrieben werden kann.

Hinweis:
:In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den '''PWM'''-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A '''TCCR1A''' die Pulsweiten-Modulatorbits '''PWM10''' bzw. '''PWM11''' entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| border="1"
|-
| align="center" | '''PWM11'''
| align="center" | '''PWM10'''
| '''Bedeutung'''
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| 8-Bit PWM.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| 9-Bit PWM.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| 10-Bit PWM.
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| border="1"
|-
| align="center" | '''Auflösung'''
| align="center" | '''Obergrenze'''
| '''Frequenz'''
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| border="1"
|-
| align="center" | '''COM1A1'''
| align="center" | '''COM1A0'''
| '''Bedeutung'''
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| border="1"
|-
| align="center" | '''CS12'''
| align="center" | '''CS11'''
| align="center" | '''CS10'''
| '''Bedeutung'''
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z.B. nicht einfach über PORTx ausgelesen werden kann.

AVR PWM - Revision history

Balogh at 12:38, 15 January 2008