DDS-генератор синусоидального сигнала
В данном проекте рассмотрим изготовление генератора синусоидального сигнала при помощи метода прямого синтеза (DDS-метод). Для реализации этого проекта нам не потребуется какого-либо дополнительного оборудования кроме самого контроллера Arduino. Частотный диапазон генератора от 0 до 16 кГц, с точностью до 1 мкГц! Данное устройство может пригодится не только для генерирования звуковых сигналов, но в тестовом и измерительном оборудовании радиолюбителя. Например в телекоммуникационном оборудовании DDS генератор можно использовать для ЧМ и ФМ модуляции (FSK и PSK).
DDS-метод
В программной части проекта, для реализации DDS метода, нам понадобится 4 вещи:
аккумулятор и tuning word, который в нашем случае состоит из двух long integer переменных;
таблица значений синусоидального сигнала (один период);
цифро-аналоговый преобразователь, который обеспечивается внутренним ШИМ Arduino (analogWrite);
генератор тактовых импульсов (используем внутренний hard-таймер от ATMega).
Большинство значащих байт аккумулятор используется для адресов таблицы синусоидального сигнала. Весь циклический процесс, работает по прерыванию от внутреннего тактового генератора.
Программное обеспечение
Для работы данного скетча на Arduino Diecimila или Duemilenove подключите потенциометр к аналоговому выводу 0 и к GND и +5В. Выход генератора находится на выводе 11, куда вы можете подключить активные колонки, или ФНЧ фильтр описанный ниже.
Результат
Ниже представлена осциллограмма, на верхней части которой изображен ШИМ-сигнал на 11 выходе, а в нижней части этот же сигнал после фильтра низких частот (ФНЧ). Синусоида выглядит не очень чистой, но это в основном из-за ограниченной разрешающей способности цифрового осциллографа.
Спектрограмма показала неожиданно хороший результат. Большой пик — это на частоте около 1000 Гц. Все нежелательные искажения находятся ниже 50 дБ, возникшие из-за того, что использовался 8 битный ЦАП (1/256 = 48 дБ).
Выходной фильтр низких частот
Для начала, вы можете подсоединить 11 пин контроллера к активным колонкам. Но скорее всего, вам еще понадобится ФНЧ-фильтр, который также будет отфильтровывать частоту дискретизации 32 кГц. Ниже представлена схема такого фильтра с частотой среза 12 кГц.
Аппаратная реализация DDS
Данная программная реализация алгоритма DDS имеет некоторые недостатки, связанные с ограниченной скоростью алгоритма программы, а также возможностями микроконтроллера ATMega. Специализированные DDS-микросхемы лишены этих недостатков и покрывают диапазон от 0 до 100 МГц.
Извещатель о прохождении слабого сигнала (Weak Signal Propagation Reporter) — программное обеспечение позволяющее передавать и принимать сигналы радиомаяков, задействуя не только передатчик, но и интернет. При помощи данного DDS-генератора можно генерировать 4 тоновых последовательности частотой 1497.8 1499.3 1500.7 1502.2 Гц.
Генератор синусоиды на Arduino или ЦАП R-2R
Предыстория.
У меня есть хороший друг. Тоже «радиолюбитель», самоучка и весьма энергичный молодой человек. Так вот. Попался ему как-то в руки сгоревший «синим пламенем» источник бесперебойного питания (ИБП) – не лучший образец продукции «поднебесной». Починить его оказалось неподъемной задачей. Однако, трансформатор оказался одним из «живучих» элементов, и Дима задумал изготовить небольшой преобразователь 12В в 220В для какого-то применения (в купе с автомобильным аккумулятором) на дачном участке. Немного погуглив и собрав кучу распечаток из Интернета, он обратился ко мне (зная мои поделки на Ардуино) со странным вопросом: «А «красивую» синусоиду твоя Ардуина может генерить?»
А вот тут и начинается текст по делу ��
Итак. Синусоида. Значит из цифр (которыми оперирует Ардуинка) нам нужно получить аналоговый сигнал… А значит нам нужен Цифро-Аналоговый Преобразователь (или ЦАП, или DAC -по ненашему).
Меня это не сильно испугало. Я уже сталкивался с ЦАП-ми, а конкретнее в детстве паял вариант R-2R. Те, кто постарше наверняка помнят такие чудесные поделки, как Covox ( http://ru.wikipedia.org/wiki/Covox ). В те годы (примерно 90-ые), мне только доводилось мечтать о звуковой карте, а вот вышеупомянутое устройство, да еще сделанное своими руками – доставило столько приятных минут ��
Итак, сказано – сделано!
Ну, будучи до конца честным, признаюсь. Я для начала поискал готовые решения для Ардуино в просторах Интернета. (Вот один из вариантов, с применением ШИМ-сигнала: http://electronics.stackexchange.com/questions/41738/possible-to-output-sinusoidal-signal-with-an-arduino. Не понравился.)
Итак, нам нужено изготовить простейший цифро-аналоговый преобразователь: R-2R.
Вот буржуйское описание: http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor_ladder 
(B7..B0 — это биты, B7 — старший, B0 — младший).
Своё название (R-2R) данный ЦАП получил из-за номиналов применяемых в нём резисторов с сопротивлениями R и 2*R. Сопротивления по идее могут быть любыми (1k-2k; 10k-20k и т.д). Однако, я чаще всего встречал варианты с номиналами 1k и 2k.
Как же эта штука работает?
Каждый вход ЦАПа вносит свою лепту в выходной сигнал пропорционально своей «значимости». Т.е. левый вход оказывает самое большое влияние на выходной сигнал (половина опорного напряжения), следующий за ним ¼ , следующий – 1/8 и т.д. Ну а самый последний (правый) вход изменяет выходной сигнал на ничтожные милливольты. Подставляя значение битов на входе ЦАП выходное напряжение можно рассчитать так:
Uвых=Uпит * (B7 * 1/2 + B6 * 1/4 + B5 *1/8+ B4*1/16+B3*1/32+B2*1/64+B1*1/128+B0*1/256).
Если выставить на вход ЦАП-а значение 255 (бинарное 11111111), то получаем самый высокий выходной сигнал. Если же 00000000 — ноль.
Uпит – напряжение питания микроконтроллера. Таким образом, наш восьмибитный ЦАП способен выдать 256 различных напряжений с шагом около 20 милливольт, при опорном напряжении 5 Вольт.
Желательно чтобы ЦАП (8-ми разрядный, как у нас) был подключен к целому порту. Тогда выводить любое значение в ЦАП — будет очень просто:
Итак, прикидываем на макетке: 
Проверяем работоспособность, засылая в порт различные значения. Мультиметром замеряем напряжение на выходе — все очень хорошо. Можем двигаться дальше. С «железной» частью вроде как разобрались.
Теперь математическая составляющая.
Вооружившись школьным учебником алгебры (шучу… шучу, конечно же Википедия!) вспоминаем, что такое Синусоида: http://ru.wikipedia.org/wiki/Синусоида
Адаптируем к нашим условиям. ЦАП может выдавать значения от 0 до 255. Причем, за нулевое значение (мы будем оперировать только целыми положительными числами) примем 127. Длительность волны примем 255 шажков (опять же для удобства). Т.е., для одного периода значение функции поменяется 255 раз. Естественно, чем больше «шажков» мы уместим в этот период, тем точнее получим синусоиду. 
Синим цветом я постарался обозначить значения напряжения, получаемые на выходе ЦАП, при «контрольных» значениях точек на оси Х.
Общая формула синусоиды:
Y=a+b*SIN(c*X)
Итак, наша синусоида стартует со значением 127 (для ЦАП) и заканчивается этим значением. Для этого, вводим значение смещения по оси У а=127. a характеризует сдвиг графика по оси Oy. Чем больше a, тем выше поднимается график.
Значение синуса может меняться от -1 до 1 (Кто бы мог подумать. ). Чтобы растянуть график по вертикали, вводим второе значение b, характеризующее растяжение графика по оси Oy. Чем больше увеличивается b, тем сильнее возрастает амплитуда колебаний; Ну, тут тоже понятно, что при максимальном значении в (254-127) b=127
с характеризует растяжение графика по оси Ox.
Длина периода =2*Pi. Мы условились, что этот период мы делим на 255 «шагов». Т.е., 255-ый шаг должен иметь значение 2*Pi. Для нашего случая С=2*Pi*(1/255) или 2*Pi*0.0392 или Pi*0.007843
Окончательно получаем следующую формулу расчета: Y=127+127*SIN(Pi*X*0.007843).
(Желающие получить БОЛЕЕ точные результаты, могут использовать, допустим 512 шажков. Только нужно пересчитать константу).
Давайте проверим нашу формулу на «ключевых» значениях X:
0 (0) = 127
64 (Pi/2) =253
128(Pi) =125
192 (3*Pi/2) =0
255 (2Pi) =126
Весьма правдоподобно. Итак далее, тут можно поступить двумя способами: высчитывать значение по ходу дела – способ НАВЕРНЯКА не самый быстрый, а можно заранее рассчитать эти значения и брать их из таблицы. Я предпочел второй способ.
Программист из меня не важный (Бейсик – в детстве, Паскаль – в школе, ФОРТРАН – в институте), поэтому я не стал тратить время на поиски того же Борланд паскаля или изучение Питона, «напрягом» знакомого программиста… Как впрочем и на калькуляторе высчитывать 255 значений мне показалось «времярасточительным» занятием. НО у меня же есть Ардуинка! (И я ОЧЕНЬ стараюсь использовать ее по полной программе.). Вот ее и заставим произвести нужные мне расчеты.
Вот наша таблица значений :
Набрасываем скетчик для вывода значений таблицы в ЦАП:
Вроде как и все. Но, как говорят французы, «аппетит приходит во время еды», а именно, оказывается нужно две синусоиды.
А, была-не была. Тем более, столько уже проделано. Макетим. 
«Допиливаем» скетч, сделаем небольшое смещение синусоид offset 128. (Кстати, огромная благодарность Юре, за идею «склейки» пинов для получения «полного» порта).
Делаем контрольный замер, подключив выходы ЦАП-ов к осциллографу (красиво совмещаем выдаваемые Ардуинкой синусоиды): 
Красота! То, что и желали получить. Все, мой приятель остался очень доволен. Я отдал ему прошитую Atmeg-у для дальнейшего применения.
Генератор сигналов прямоугольной и синусоидальной формы на Arduino
Каждый инженер, увлекающийся электроникой, на определенном этапе своей деятельности мечтает о создании своей мини лаборатории. Мультиметр, осциллограф, генератор сигналов специальной формы, источник питания, трансформатор – вот лишь минимальный обязательный набор для подобной лаборатории. Конечно, сейчас все это можно купить, но чтобы сэкономить свои деньги, часть из этих устройств можно сделать самостоятельно на основе платы Arduino. Например, генератор сигналов или осциллограф.
В этой статье мы рассмотрим как на основе платы Arduino достаточно просто сконструировать генератор сигналов прямоугольной и синусоидальной формы. При формировании сигналов прямоугольной формы данный генератор может формировать прямоугольную волну с перепадами уровней 5V/0V с частотой от 1 Гц до 2 МГц. Частотой формируемого сигнала можно будет управлять с помощью инкрементального энкодера. Коэффициент заполнения (цикл занятости) данного сигнала будет равен 50%, но его можно изменить, внеся соответствующие изменения в программу. Рассматриваемый нами генератор не является промышленным устройством и его не рекомендуется использовать на серьезном производстве, но для домашних условий использования он вполне подойдет.
Также на нашем сайте вы можете посмотреть проекты более «продвинутых» генераторов для формирования сигналов прямоугольной и синусоидальной формы:
Если же вам нужно исключительно простое решение для формирования сигналов прямоугольной формы с частотой до 1 МГц с помощью платы Arduino, то рекомендуем этот проект.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
- Алфавитно-цифровой ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Инкрементальный энкодер, угловой кодер (Rotary Encoder) (купить на AliExpress).
- Резисторы 5,6 кОм и 10 кОм (купить на AliExpress).
- Конденсатор 0,1 мкФ (купить на AliExpress).
- Перфорированная плата.
- Набор для пайки.
Работа схемы
Схема генератора сигналов на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.
Плата Arduino Nano управляет всеми процессами в схеме. ЖК дисплей используется для отображения частоты формируемого сигнала, а с помощью углового кодера производится установка частоты сигнала. Также на нашем сайте вы можете прочитать статью о подключении инкрементального энкодера к плате Arduino.
Схема запитывается от USB кабеля Arduino. Необходимые соединения в схеме представлены в следующей таблице.
| Контакт платы Arduino | Куда подключен |
| D14 | контакт RS ЖК дисплея |
| D15 | контакт RN ЖК дисплея |
| D4 | контакт D4 ЖК дисплея |
| D3 | контакт D5 ЖК дисплея |
| D6 | контакт D6 ЖК дисплея |
| D7 | контакт D7 ЖК дисплея |
| D10 | to Rotary Encoder 2 |
| D11 | to Rotary Encoder 3 |
| D12 | to Rotary Encoder 4 |
| D9 | выход прямоугольного сигнала |
| D2 | контакт D9 платы Arduino |
| D5 | выход SPWM сигнала |
В схеме мы будем формировать прямоугольную волну (сигнал прямоугольной формы) на контакте D9 платы Arduino. Его частоту мы будем регулировать с помощью углового кодера. Для формирования синусоидального сигнала мы будем формировать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ (широтно-импульсной модуляции) сигнал) на контакте D5, его частота будет зависеть от частоты сигнала прямоугольной формы, которая будет подаваться на контакт D2 и будет действовать как прерывание и затем мы с помощью процедуры обработки (обслуживания) прерывания будем управлять частотой синусоидального сигнала.
Вы можете собрать схему проекта на макетной или даже на печатной плате, но мы решили спаять ее на перфорированной плате, в результате у нас получилась конструкция, показанная на следующих рисунках:
Формирование прямоугольного сигнала с изменяемой частотой
Если вы знакомы с Arduino, то вы должны знать что плата Arduino может достаточно просто формировать ШИМ сигнал (с помощью функции analogwrite) на ряде своих контактов. Но с помощью этой функции можно управлять только коэффициентом заполнения (скважностью) ШИМ сигнала, но нельзя управлять его частотой – а это как раз и нужно для нашего генератора сигналов. Управление частотой сигнала прямоугольной формы можно осуществить используя таймеры платы Arduino и непосредственно переключая состояние контактов на их основе. Помочь нам в этом может библиотека Arduino PWM Frequency Library (библиотека управления частотой ШИМ сигнала), более подробно работу с ней мы рассмотрим далее в статье.
Но в использовании этой библиотеки есть ряд слабых сторон. Дело в том, что данная библиотека изменяет настройки по умолчанию Таймера 1 (Timer 1) и Таймера 2 (Timer 2) платы Arduino. В связи с этим вы уже не сможете, к примеру, использовать библиотеку для управления серводвигателем или другие библиотеки, задействующие эти таймеры платы Arduino. Также функция analogwrite на контактах 9,10,11 & 13 использует Timer 1 и Timer 2, следовательно, вы уже не сможете формировать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ сигнал) на этих контактах.
Но преимуществом этой библиотеки является то, что она не мешает работа Таймера 0 (Timer 0) платы Arduino, который в нашем случае является более важным чем Timer 1 и Timer 2 потому что в этом случае вы можете без проблем использовать функцию задержки (delay) и функцию millis(). Также контакты 5 и 6 управляются Таймером 0, поэтому мы без проблем сможем использовать на этих контактах функцию analogwrite или осуществлять управление сервомотором.
Формирование синусоидальной волны (колебания) с помощью Arduino
Мы знаем, что микроконтроллеры являются цифровыми устройствами, поэтому они не могут формировать синусоидальную волну в «чистом» виде. Но есть два способа формирования синусоидальной волны с помощью микроконтроллера: первый заключается в использовании ЦАП (цифро-аналогового преобразователя), а второй — в использовании синусоидального ШИМ сигнала (SPWM). К сожалению, в платах Arduino (за исключением платы Arduino Due) нет встроенного ЦАПа для формирования синусоидальной волны. Конечно, можно было бы использовать внешний ЦАП, но мы решили не усложнять таким образом схему проекта и использовать метод формирования синусоидального ШИМ сигнала с дальнейшим преобразованием его в синусоидальный сигнал (волну).
Что такое SPWM сигнал
SPWM расшифровывается как Sinusoidal Pulse Width Modulation и переводится как синусоидальная широтно-импульсная модуляция (синусоидальная ШИМ). Этот сигнал в определенной степени похож на обычный ШИМ сигнал, но в нем коэффициент заполнения контролируется таким образом чтобы получить среднее напряжение похожее на синусоидальную волну. Например, при коэффициенте заполнения (скважности) 100% среднее выходное напряжение будет 5V, а при коэффициенте заполнения 25% оно будет всего лишь 1.25V, таким образом, управляя скважностью (коэффициентом заполнения) мы можем получить заранее определенные изменяемые значения среднего напряжения, то есть синусоидальную волну. Этот метод обычно используется в инверторах.
Принцип формирования SPWM сигнала показан на следующем рисунке.
Синим цветом на этом рисунке показан SPWM сигнал. Заметьте, что его скважность (коэффициент заполнения) изменяется от 0% до 100%, а затем снова возвращается в 0%. Представленный график построен для диапазона изменения напряжений от -1.0 до +1.0V, но в нашем случае, поскольку мы используем плату Arduino, масштаб подобного графика будет от 0V до 5V. Мы рассмотрим как в программе для Arduino формировать SPWM сигнал далее в статье.
Преобразование SPWM сигнала в синусоидальную волну
Преобразование SPWM сигнала в синусоидальную волну обычно требует использования схемы H-моста (H-bridge), которая состоит минимум из 4-х переключателей мощности (power switches). Подобные схемы обычно используются в инверторах. Мы не будем в статье подробно рассматривать эти вопросы поскольку нам с помощью нашей синусоидальной волны не нужно запитывать какое-либо устройство, нам всего лишь нужно ее сформировать. К тому же с помощью H-моста невозможно получить чистую синусоидальную волну – для этой цели необходимо использовать фильтр нижних частот (ФНЧ), состоящий из конденсаторов и индуктивностей.
Но мы в целях упрощения проекта для этой цели применили простой RC-фильтр. Если же вы хотите повысить качество формирования синусоидальной волны, то вы можете вместо RC-фильтра применить LC-фильтр. Значение сопротивления резистора в нашем RC-фильтре составляет 620 Ом, а значение емкости конденсатора составляет 10 мкФ (номиналы отличаются от тех, которые приведены в начале статьи в разделе «необходимые компоненты», но я надеюсь в комментариях к данной статье более опытные в этих вопросах специалисты подскажут где же здесь правда – статья переведена с другого сайта и там присутствует эта опечатка, к сожалению). На представленном рисунке желтым цветом показан SPWM сигнал с контакта 5 платы Arduino, а синим цветом — синусоидальный сигнал, полученный после прохождения SPWM сигнала через наш RC-фильтр.
Библиотека для управления частотой ШИМ сигнала в Arduino
Эту библиотеку вы можете скачать по следующей ссылке — Arduino PWM Frequency Library.
По представленной ссылке вы скачаете библиотеку в виде ZIP файла. После извлечения информации из этого ZIP файла вы получите каталог (папку) с именем PWM. Перейдите в папку с библиотеками Arduino IDE (для пользователей операционной системы Windows эта папка будет располагаться по адресу C:\Users\User\Documents\Arduino\libraries) и скопируйте туда эту PWM папку. Возможно, в библиотеках Arduino IDE у вас уже есть папка с именем PWM – в этом случае вам ее необходимо заменить на новую (скачанную) папку.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы рассмотрим его наиболее важные фрагменты. Перед компиляцией программы не забудьте добавить в библиотеки Arduino указанную библиотеку Arduino PWM Frequency Library, иначе компиляция программы будет выдавать вам ошибку.
Нам необходимо формировать ШИМ сигнал с изменяемой частотой на контакте 9 платы Arduino. Эта частота будет устанавливаться с помощью углового кодера, а ее значение будет отображаться на экране ЖК дисплея. А когда ШИМ сигнал будет формироваться на контакте 9 он также будет создавать прерывание на контакте 2 поскольку мы соединили оба этих контакта. Используя это прерывание мы можем управлять частотой SPWM сигнала, который будет формироваться на контакте 5.
Как обычно вначале программы мы должны подключить используемые библиотеки. Библиотека для работы с ЖК дисплеем встроена в Arduino IDE, а библиотеку для изменения частоты ШИМ сигнала мы только что скачали.
Генерирование и чтение сигналов
Начнём с самого простого: генерация импульса заданной длины, такое часто бывает нужно. Проще всего сделать это на delay() и delayMicroseconds() :
Нужно помнить, что digitalWrite() сам по себе выполняется в районе 3.6 мкс (58 тактов процессора). Для ускорения можно использовать например библиотеку directIO или прямую работу с регистрами портов.
Генерирование квадратного сигнала
Программное
Квадратный сигнал может быть использован для тактирования и управления, а также для генерации звука через усилитель. Самый базовый пример, Blink, по сути тоже является генератором квадратного сигнала:
Если заменить 1000 например на 10 , то получится квадратный сигнал с частотой 50 Гц. Этот способ называется программной генерацией сигнала, то есть микроконтроллер своими силами считает время и сам вручную дёргает ногой. Это как мешает работе остального кода, так и остальной код может сбивать частоту. Такую генерацию можно сделать более мене асинхронной на миллисе:
На практике такой способ используется редко, потому что на высокой частоте остальной код программы будет мешать генерации и частота будет плавать.
Функция tone()
В ядре Arduino есть встроенная функция для полуаппаратной генерации квадратного сигнала – tone(pin, frequency, duration) :
- pin – цифровой пин, с которого будет генерироваться сигнал.
- frequency – частота в Герцах. Диапазон 31.. 65’535 Гц
- duration – продолжительность сигнала в миллисекундах. Опциональный параметр, если не указывать – сигнал будет генерироваться без остановки.
Для ручной остановки генерации сигнала можно вызвать noTone() . Также у генерации при помощи tone() есть особенности:
- Генерация является полуаппаратной: пин дёргается МК “вручную” по прерыванию таймера, что на высокой частоте может чуть тормозить код.
- Генерация использует Timer 2, перенастройка или использование его для других целей (включая ШИМ на пинах D3 и D11 у Nano) отключит активную генерацию или изменит её частоту.
- При вызове tone() таймер перенастраивается на генерацию, то есть можно использовать таймер в своих целях между вызовами tone() .
ШИМ сигнал
Аппаратный таймер позволяет генерировать квадратный сигнал аппаратно и полностью асинхронно работе остального кода, не тратя ни такта процессорного времени: время считается самим таймером, и сам же таймер управляет состоянием ноги МК. Для генерации ШИМ сигнала в среде Arduino есть функция analogWrite(pin, duty) , подробнее мы говорили в ней в уроке про ШИМ. Чтобы сделать ШИМ квадратным, нужно запустить его с duty , равной 128 . Что касается частоты полученного сигнала, то Ардуино настраивает таймеры так, что частота в зависимости от таймера может быть 490 или 980 Гц. Частоту можно изменить с довольно большим шагом, об этом мы говорили в уроке про увеличение частоты ШИМ.
Аппаратный таймер
Можно вручную настроить аппаратный таймер на генерацию квадратного сигнала. Тонкости настройки регистров таймера мы в рамках этих уроков не разбираем, но это можно сделать и при помощи библиотеки, например GyverTimers. Работу библиотеки мы разбирали в уроке о прерываниях таймера. Данная библиотека позволяет настроить генерацию квадратного сигнала с максимально возможной точностью и частотой, а также поднять на одном таймере генерацию двух или трёх (Arduino MEGA) меандров со смещением по фазе. Пример:
ШИМ сигнал
Аппаратный
Для генерации ШИМ сигнала с заданным заполнением есть стандартная функция analogWrite(pin, duty) , подробнее обсуждали в уроке про ШИМ сигнал, а частоту можно изменить перенастройкой таймера, как в уроке об увеличении частоты ШИМ. На самом деле таймеры позволяют настроить ШИМ сигнал с более точной или более высокой частотой и другими диапазонами заполнения (до 10 бит), но в ядре Arduino это не предусмотрено. Если такое будет нужно, можно воспользоваться библиотекой GyverPWM. Пример:
Программный ШИМ
Программная генерация ШИМ сигнала может пригодиться, если не хватает лишнего таймера или частота ШИМ низкая и не повлияет на остальной код, а он на неё. ШИМ сигнал на “миллисе” можно организовать вот таким образом, переключая выход по двум периодам:
Функцию PWMgen(заполнение) в данной реализации нужно вызывать как можно чаще в основном цикле программы:
Здесь мы на каждом вызове считаем новый период переключения, тратя на это какое-то время. Можно считать период в отдельной функции, а сам ШИМ генерировать отдельно. Реализацию можно посмотреть в библиотеке PWMrelay.
Полуаппаратный ШИМ
Можно снизить нагрузку на процессор, отдав счёт времени аппаратному таймеру. Примеры на базе GyverTimers (для ATmega328, 2560):
Как известно, digitalWrite() является очень тяжёлой и долгой функцией, и для генерации софт ШИМ рекомендуется заменить её чем-то более быстрым, например прямым обращением к регистру или вот такой конструкцией (для ATmega328p):
Если не хватает количества стандартных ШИМ-выходов, можно поднять полуаппаратный ШИМ на таймере на несколько пинов сразу:
Этот алгоритм является не самым оптимальным, более интересный можно посмотреть в GyverHacks.
Примечание: во всех трёх алгоритмах используется проверка совпадения со счётчиком counter == pwm_duty . Это сильно снижает использование процессорного времени в прерывании, но при резком уменьшении заполнения может приводить к одиночным “вспышкам” заполнения до максимума, так как условие не выполнится. Для более плавной работы можно сделать counter >= pwm_duty , тогда условие будет каждый раз “подстраиваться” под новое значение заполнения, но установка пина будет осуществляться на каждом тике!
Можно ввести буферизацию заполнения ШИМ и брать новое значение только при нулевом значении счётчика, это решит проблему:
Можно применить буферизацию и к остальным алгоритмам.
Библиотека Servo
Как известно, RC сервоприводы управляются при помощи ШИМ сигнала с частотой
50 Гц и длительностью импульса от
2500 микросекунд. В стандартной библиотеке Servo.h реализована генерация полуаппаратного ШИМ сигнала, причём количество пинов можно менять во время работы. Библиотеку можно использовать как генерацию ШИМ, если его параметры подходят для использования.
Чтение сигналов
Чтение цифрового сигнала сводится к измерению времени между его импульсами, то есть изменениями состояния HIGH-LOW: так можно измерить период и частоту квадратного сигнала, заполнение и частоту ШИМ и вообще любой другой сигнал.
Функция pulseIn()
В ядре Ардуино есть готовые функции для измерения импульсов:
-
pulseIn(pin, value, timeout) – для импульсов от 10 мкс до
Измеренная мной точность на коротких импульсах: 0.5 мкс
Обе функции возвращают длину импульса в микросекундах. Возвращают 0, если импульса не было и был достигнут тайм-аут. Обе функции блокирующие, то есть останавливают выполнение кода, пока не поймают импульс или не завершатся по тайм-ауту. Аргументы:
- pin – цифровой пин (GPIO), на котором ожидается импульс.
- value – направление импульса, HIGH или LOW .
- timeout – тайм-аут ожидания импульса в микросекундах. Необязательный параметр, по умолчанию равен 1’000’000 мкс (1 секунда).
Как это работает: пусть мы настроили импульс на HIGH , функция будет ожидать изменение значения с LOW на HIGH . Если скачок с LOW на HIGH не произошёл за время, установленное тайм-аутом, функция завершит выполнение и вернёт 0.
Для превращения длины импульса (мкс) в частоту (Гц) достаточно поделить на него секунду (точнее, 1’000’000 мкс).
Измеряем сигналы вручную
Квадратный сигнал можно “измерить” вот таким образом:
Таким образом можно сделать измеритель частоты или тахометр, но лучше не выводить в сериал каждый фронт (нагружает процессор и тормозит), а считать импульсы и иногда измерять частоту (см. следующий пример).
Считаем импульсы и иногда делаем расчёт:
Также рассмотрим измерение параметров ШИМ сигнала, например на прерываниях и micros() :
Библиотека тахометра
Также предлагаю использовать класс тахометра, оформленный в виде библиотеки. Скачать можно с гитхаб. Также прикладываю здесь:
“Запоминаем” сигнал
Также можно очень просто запомнить цифровой сигнал в Arduino для дальнейшего воспроизведения и исследования. Вот пример, который будет работать на любом пине (используется digitalRead() и micros()):
Измерение начнётся по изменению сигнала и продлится до тех пор, пока не переполнится буфер или работа не завершится по таймауту (в примере выше 1 секунда с последнего импульса). После этого в монитор порта будет выведен начальный уровень сигнала fval и тайминги каждого следующего фронта/спада (изменения). Для примера я подключил ИК приёмник и нажал кнопку на пульте:
Точность измерения должна быть около 5 мкс на AVR, так как используется тяжёлое чтение пина и микрос. Лучше переписать на прерывания по CHANGE и завести отдельный таймер, тогда точность можно повысить в сотни раз. Код не привожу, так как для разных платформ он будет разный.
Полученные данные можно использовать для анализа интерфейсов и протоколов, а также можно “воспроизвести” запись. В примере ниже я делаю это отдельным скетчем, вставив тайминги и начальное значение сигнала из лога предыдущего примера.
Для визуализации подключил дешёвый китайский логический анализатор (ссылка на али, ещё одна) на указанный пин:
Отлично! Прекрасно виден NEC протокол, его 4-х байтный пакет и код повтора.
Можно реализовать чтение пакета и его вывод в одной программе, запись дампа в EEPROM/SD для воспроизведения по кнопке и прочих сценариев работы, получив дубликатор цифрового сигнала.