Широтно-импульсная модуляция (PWM)

В этом разделе мы разберёмся, что такое ШИМ (PWM) и зачем он нужен.

Цифровые и аналоговые сигналы

В цифровой схеме сигналы бывают либо высокими (например, 5 В или 3,3 В), либо низкими (0 В), и промежуточных значений нет. Благодаря этим двум различным состояниям цифровые сигналы идеально подходят для компьютеров и цифровых устройств: их легко хранить, считывать и передавать без потери точности.

Аналоговые сигналы, напротив, могут плавно изменяться в пределах диапазона, принимая любое значение между низким и высоким напряжением. Такое плавное изменение важно для задач, требующих тонкой настройки, например для регулировки громкости звука или яркости света.

Устройствам вроде сервоприводов и светодиодов (для эффекта плавного изменения яркости) часто нужно постепенное и точное управление напряжением, которое аналоговые сигналы обеспечивают благодаря непрерывному диапазону.

Микроконтроллеры используют ШИМ, чтобы преодолеть этот разрыв.

Что такое ШИМ?

ШИМ (PWM — Pulse Width Modulation, широтно-импульсная модуляция) создаёт аналогоподобный сигнал, быстро переключая цифровой сигнал между включённым и выключенным состоянием. Среднее выходное напряжение можно регулировать, меняя длительность высокого уровня импульса, то есть коэффициент заполнения (duty cycle). Так можно имитировать непрерывный аналоговый уровень.

Коэффициент заполнения

Коэффициент заполнения (duty cycle) — это процент времени, в течение которого сигнал находится во включённом состоянии за один полный цикл.

Например:

• Коэффициент заполнения 100% означает, что сигнал всегда включён.
• Коэффициент заполнения 50% означает, что сигнал половину времени включён, а половину выключен.
• Коэффициент заполнения 0% означает, что сигнал всегда выключен.

Ниже показана интерактивная симуляция. С помощью ползунков измените коэффициент заполнения и частоту и посмотрите, как меняются ширина импульса и яркость светодиода. Верхняя часть квадратного сигнала означает, что сигнал в высоком состоянии (включён), нижняя часть — что он в низком состоянии (выключен).

Если менять коэффициент заполнения в симуляции от «низкого» к «высокому» и обратно, вы заметите, что светодиод словно плавно меняет яркость. Это и есть эффект диммирования.

Период и частота

Период — это общее время, за которое завершается один цикл «включено — выключено».

Частота ШИМ-сигнала — это количество циклов, которые он совершает за одну секунду, измеряется в герцах (Гц). Частота обратно пропорциональна периоду. Поэтому более высокая частота означает более короткий период и более быстрое переключение между высоким и низким уровнями.

\[ \text{Frequency (Hz)} = \frac{1}{\text{Period (s)}} \]

Если период равен 1 секунде, то частота будет 1 Гц.

\[ 1 \text{Hz} = \frac{1 \text{ cycle}}{1 \text{ second}} = \frac{1}{1 \text{ s}} \]

Например, если период равен 20 мс (0,02 с), частота будет 50 Гц.

\[ \text{Frequency} = \frac{1}{20 \text{ ms}} = \frac{1}{0.02 \text{ s}} = 50 \text{ Hz} \]

Расчёт количества циклов по частоте

Формула для расчёта количества циклов:
\[ \text{Cycle Count} = \text{Frequency (Hz)} \times \text{Total Time (seconds)} \]

Если ШИМ-сигнал имеет частоту 50 Гц, это значит, что он совершает 50 циклов за одну секунду.

В следующей главе мы подробно разберём ШИМ и таймер.