[Arduino_AVR] 06-Timer1_Fast_PWM

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Pulse Width Modulation, PWM 是微處理器中常用的功能，可以模擬類比量用來控制馬達轉速或燈光亮度等。而 PWM是正是由 TIMER 產生，本篇文章將會介紹 Fast PWM 模式的原理與控制。

使用工具/材料

1. Arduino UNO *1
2. 220 歐姆電阻 *2
3. LED 燈*2

Fast PWM 是什麼 ?

PWM 可以由多種方式產生而 Fast PWM 是其中一種。藉由設定特定數值當計數器數到該數值時輸出訊號會轉態，這時繼續計數到最大值後輸出訊號再度轉態並且歸零重新計數，如此反覆循環我們可以在輸出腳位得到頻率相同工作週期不同的 PWM 訊號。

當 TCNT1等於 OCR1A 或 OCR1B 時觸發服務中斷常式ISR(TIMER1_COMPn_vect) 後繼續計數至最大值並觸發計數溢位中斷服務常式 ISR(TIMER1_OVF_vect)。

Timer 1 的 Fast PWM

Atmega328P 16-bit 的 Timer 1 計數範圍為 0 ~ 65535 ，特別的地方是可以設定計數時間長度為 8-bit 、9-bit 與 10-bit ，可以依需求彈性調整。

頻率與工作週期

Fast PWM 模式的頻率計算為： 系統頻率 / ( 除頻 * 計數最大值 ) [Hz]

工作週期為：( 1+OCR1n ) / 計數最大值 % [n: A or B]

其中的系統頻率是指微處理機的運作頻率，以 UNO 開發板而言是 16 MHz。

計數最大值若設定 16-bit 則是 65535，若設定 8-bit 則是 255，若設定 9 bit 則是 511，若設定 10-bit 則是 1023。這樣可以讓使用者依需求做彈性選擇。

輸出波形

Fast PWM 可以設定 2 種輸出波形模式，當計數到 OCR1n 時訊號設為高電位或是低電位，計數到最大值時再轉態。這兩種波形會互補對於工作週期有截然不同的結果，在設計上需要注意。

Fast PWM 輸出波形

暫存器設定

對於 Fast PWM 模式而言要設定 「Clear/non-inverting」與 「Set/inverting」兩種模式。

Timer 1 的 Fast PWM 模式設定有多種選擇，差別在於計數上限不同。

除頻，依需求做調整來得到想要的頻率。

TCNT1 是儲存計數值的暫存器。時脈踢 ( tick ) 一下，TCNT 1 就會加 1。

OCR1A 與 OCR1B 設定輸出訊號轉態時機，此設定會影響工作週期 ( duty cycle )。

TIMSK1 中斷致能，依需求設定是否觸發中斷服務常式。

實驗

利用 Timer 1 的 Fast PWM 模式輸出頻率相同而工作週期不同的訊號來點亮LED 燈，可以觀察到 LED 燈亮度會有不同。此次實驗調整 Fast PWM 解析度為 8-bit 此時就像使用 8-bit 計數器一樣，原因在於若直接使用 16-bit 解析度就算在不除頻情況下輸出頻率為 16 MHz / 65536 = 244.14 Hz 有點低，在筆者的老骨頭示波器上瞧不出所以然 ( 看它心情，老是不想顯示像樣的波形)，實驗相關設定如下：

1. 設定 Timer 1 Fast PWM 解析度為 8-bit 。
2. 設定除頻 64 。
3. 輸出波形模式為 「Clear/non-inverting」。
4. OCR1A 設定 127 ，OCR1B 設定 64。

程式碼

1. timer1_fast_pwm () 副程式中，TCCR1A、TCCR1B與 TCNT1 先清除為零。之後TCCR1A與TCCR1B 再設定波形輸出模式為 「Clear/non-inverting」，Fast PWM 解析度為 8-bit，除頻為 64 。OCR1A 設為 127，OCR1B 設為 64。
2. pin_setup () 副程式中，設定 OCR1A / OCR1B 對應的 I/O 腳位為輸出模式，並預先設為低電位輸出。
3. int main () 主程式中分別呼叫上述副程式進行設定後，發呆空轉。

實驗結果

依照設定期望得到的輸出訊號頻率為 16 MHz / ( 64 * 256 ) = 976.56 Hz，

OCR1A 對應的腳位 PORTB1 輸出訊號工作週期為 ( 1 + 127 ) / 256 = 50 %

OCR1B對應的腳位 PORTB2 輸出訊號工作週期為 ( 1 + 64 ) / 256 = 25.4 %

輸出波形

輸出波形

總結

本篇文章介紹了 Atmega328P 的 Timer 1 Fast PWM 運作方式與操作，最後整理如下：

1. Timer 1 Fast PWM 有 16-bit、10-bit、9-bit 與 8-bit 可以選擇。
2. 輸出訊號有 「Clear/non-inverting」與 「Set/inverting」可以選擇。
3. 頻率的計算為：系統頻率 / ( 除頻 * 計數最大值 )。
4. 輸出訊號工作週期為： ( 1 + OCR1n ) / 計數最大值 % 。

程式碼下載

06-Timer1-Fast-PWM

參考出處

1. Atmega328P Datasheet.
2. Secrets of Arduino PWM.

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