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AVR PWM
[Bearbeiten] VorwortDieser Artikel ist noch nicht vollständig! Und außerdem überschneidet er sich teilweise mit dem Tutorial, weil PWM und Timer zum Verständnis praktisch dasselbe sind. Vielleicht kann ja jemand, der gerade dabei ist, sich diese Dinge anzueignen, die Beschreibung vorantreiben (erweitern/entschlacken)? Hier sollen die Möglichkeiten und die Funktionsweise der PWM mit AVRs erläutert werden, so daß Anfänger auf ihrem Weg zum Ziel unterstützt werden, ohne sich erst durch die wenig erklärenden Beiträge im Forum zu quälen. Auch wenn das Verständnis (hoffentlich) dann nicht mehr aus dem Datenblatt kommen muß, ist dieses für die spezifischen Einstellungen und Feinheiten absolut notwendig. Aber mit dieser Übersicht sollte es leichter fallen, die relevanten Informationen schneller zu finden. Ich gehe dabei von meiner Situation aus: "Gerade mit AVRs angefangen, die LED blinkt, Taster wird abgefragt, schonmal von PWM gehört und unter den AVR Pins welche mit OC.. entdeckt, das hängt damit irgendwie zusammen." Man sollte sich auch um die Prozessorfrequenz gekümmert haben, also die AVR_Fuses entsprechend gesetzt haben. Wer in Begriff steht, sein erstes Board zu ätzen, sollte sich über die verschiedenen Möglichkeiten, die die OCnx Pins bieten, informiert haben. Übrigens lässt es sich besser lesen, wenn man sein Browserfenster so schmal macht, daß der Text in eine schöne Spalte gezwungen wird. [Bearbeiten] EinführungIm AVR-GCC-Tutorial werden im Abschnitt DAC-Optionen (link) verschiedene Möglichkeiten angesprochen, analoge Spannungen zu generieren. Darunter fällt auch die Pulsweitenmodulation, bei der durch schnelles Ein- und Ausschalten eines Ausgangs (über einen Filter) eine analoge Spannung generiert werden kann. Beim Dimmen von Lichtquellen wirkt die Trägheit des Auges als Filter, wenn z. B. eine LED im Mittel die Hälfte der Zeit eingeschaltet ist, scheint es also, als würde sie nur halb so hell leuchten. Bei Motoren läßt sich PWM gut zum Dosieren des Stroms einsetzen, ohne große Verluste zu haben. Für einen Teil der Zeit wird also der volle Motorstrom eingeschaltet, d.h. das Drehmoment ist maximal. Die Rechtecksignale lassen sich mit Mikrocontrollern auf zwei Wegen erzeugen: PWM per Software
oder PWM per Hardware
Alles was mit Pulsen und Modulation zu tun hat, hat auch was mit Zeit zu tun - denn im Prinzip soll mit einer bestimmten Frequenz für eine bestimmte Dauer ein Pin eingeschaltet werden. Alles was bei Mikrocontrollern mit Zeit zu tun hat, hat wahrscheinlich auch etwas mit einem Timer bzw. Counter zu tun. [Bearbeiten] Timer / CounterUnter Timer bzw. Counter (T/C) steht noch nicht soviel, aber man sollte kurz mal reinsehen, oder mehr dazu schreiben, oder die fehlende Verknüpfung anlegen. Ein Timer ist nichts anderes als ein selbständiger Zähler (Counter), der mit einer bestimmten Frequenz einen Wert raufzählt. Und zwar in Hardware, also unabhängig vom Programm. Seine Zählfrequenz wird vom Prozessortakt abgeleitet, das erledigt der Prescaler in einstellbaren Schritten (Frequenzteiler). Der Zählerstand läßt sich sowohl in Software als auch von der Hardware selbst überwachen - und schon lassen sich damit periodisch Ereignisse auslösen. Deswegen lassen sich die T/C für viele Zwecke verwenden, wir wollen den T/C für PWM nutzen (trotzdem gleich eine Übersicht über die verschiedenen Modi). Es lohnt sich natürlich, das Prinzip der T/C verstanden zu haben. Ein Blick ins GCC-Tutorial lohnt, die Atmel Application Note 130: Setup and Use the AVR Timers schadet auch nicht. Wie schon angedeutet, gibt es - je nach AVR - einen oder mehrere T/C . Sie unterscheiden sich erwartungsgemäß durch ihre Parameter und Optionen, z. B. die Auflösung, Frequenz, Zählweise und andere Betriebsmodi. Und natürlich auch durch den Namen, der sich auch in den Registern widerspiegelt: Sie werden nämlich numeriert (im Folgenden hier und im Datenblatt mit Platzhalter n). T/C 0 ist beim tiny2313 der 'einfache' mit 8 Bit Auflösung (das Aus-An Verhältnis läßt sich in 256 Stufen einstellen), T/C 1 dagegen hat eine Auflösung von 16 Bit und bietet einige weitere Möglichkeiten. [Bearbeiten] 8 oder 16 Bit ?Außer der Tatsache, daß die Auflösung bei 16 Bit mit 65536 Stufen um einiges größer ist, gibt es noch folgende Unterschiede:
Mit dem Zähler alleine kann man noch nicht so viel anfangen. Ausgedacht wurde deswegen außerdem die [Bearbeiten] Output Compare Unitwas soviel bedeutet wie Ausgangsvergleichseinheit. Jeder Zähler hat eine oder mehrere voneinander unabhängige Output Compare Units (OC), auch wieder mit den dazugehörigen Registern. Die verschiedenen OCs und ihre Register werden mit Buchstaben ('A', 'B') benannt. (Im PWM Modus hängt das direkt mit den Pins zusammen: OC1B ist der Ausgang der OC des T/C 1. Dazu gleich mehr..) Die OC vergleicht den Zählerstand (im Register TCNTn) ständig mit ihren eigenen Registerinhalten (0CRnx). Wenn diese übereinstimmen, passiert etwas. Was passiert, wird bestimmt durch die [Bearbeiten] BetriebsmodiDer Zähler zählt. Die OC Unit vergleicht dessen Zählerstand mit einem Wert. Wenn diese übereinstimmen, kann etwas passieren. Weil es hier gleich mit den Einstellungen in den Registern losgeht, noch ein Hinweis: Die Kontrolle über das Verhalten der Zähler und OCs wird über Register vorgenommen, deren Namen nichts mit den OC Units zu tun haben! Die Einstellungen sind lediglich auf zwei Register verteilt, die Timer/Counter Control Register - TCCRnA & TCCRnB. Ein paar Notizen:
Dazu hier noch folgende Begriffe im Zusammenhang mit dem Zähler: BOTTOM: 0x00 MAX : 0xFF bei 8 Bit, 0xFFFF bei 16 Bit TOP : MAX oder OCRnx [Bearbeiten] Normal(evtl. für Software PWM) Der Zähler zählt rauf (BOTTOM->MAX), und wird nicht zurückgesetzt, sondern läuft einfach über, und setzt dabei sein Overflow-Flag. Dieser Modus wird zur PWM nicht empfohlen, weil er im Vergleich mit Hardware-PWM viel CPU-Zeit benötigt - das ist logisch: Bei jedem Nulldurchgang müsste man einen Interrupt verwenden, der dann eine Routine ausführt, die den Ausgang umschaltet. Und man müsste den Zählerstand manipulieren, um die Pulslänge zu verändern. Für die verhältnismäßig langsame (Menschenzeit) Programmsteuerung ist dieser Modus aber ideal. Während das Hauptprogramm i.A. einfach endlos durchläuft, wird die Programmzeit durch einen Timer(-Interrupt) in Time-Slots gerastert (z. B. 1/10s). Damit lassen sich bequem Wartezeiten bzw. zeitabhängige Ereignisse steuern, ohne das Programm anzuhalten. [Bearbeiten] Clear Timer on Compare (CTC)(eingeschränkte PWM) Der Zähler zählt hoch, bis er mit OCRnx übereinstimmt (BOTTOM->OCRnx: Match!) und wird dann auf Null gesetzt. Der maximale Wert lässt sich also über das Register OCRnx komfortabel bestimmen. Konkret bedeutet das, dass die in diesem Modus vom Prescaler erzeugte Basisfrequenz nochmals durch den Wert von OCRnx geteilt wird. Für PWM: Wenn eingestellt ist, dass der OC-Ausgang bei jedem Match umschaltet (toggle), entspricht der eingestellt Wert dem Pulsweitenverhältnis. Bei OCRnx=128 des 8 Bit T/C wäre also etwa die Hälfte der Zeit der Pin eingeschaltet. Allerdings kann das beim T/C 0 des tiny2313 nur der Ausgang A (OC0A). Also ins Datenblatt gucken! [Bearbeiten] Fast PWMEiner von den zwei eigentlichen PWM-Betriebsarten der Counter. Zählt von BOTTOM bis TOP, wobei TOP entweder 0xFF oder OCRnx sein kann. Bei einem Match wird im a) nicht-invertierenden Modus der Zähler gelöscht, und bei BOTTOM gesetzt b) invertierenden Modus der Zähler gesetzt, und bei BOTTOM gelöscht. Klingt theoretisch kompliziert, praktisch invertiert es nur den Ausgang. Aber der Vergleichswert muss anscheinend ständig aktualisiert werden!? Dieser Modus hat eine asymmetrische Ausgangsform, weil der Ausgang periodisch umgeschaltet wird (also immer nach der gleichen Zeit) und dann nach Ablauf der variablen Pulslänge wieder invertiert wird. Und es gibt noch einen Toggle-Modus, der allerdings nur für den Ausgang OC0A zur Verfügung steht. [Bearbeiten] Phase Correct PWMIst nur halb so schnell wie Fast PWM, dafür aber mit symmetrischer Wellenform. Erreicht wird das, indem von BOTTOM->TOP gezählt wird, und dann wieder runter: TOP-BOTTOM. TOP kann entweder 0xFF oder OCRnx sein. Auch hier gibt es wieder den nicht-invertierenden, den invertierenden, und den toggle-Modus (nicht an OC0B). Der symmetrische PWM-Modus wird gerne für Motorsteuerungen verwendet, wenn man den Strom in den Motorwindungen messen möchte. Da man nicht während der Schaltzeitpunkte der H-Brückentransistoren messen möchte (noise), braucht man einen Messzeitpunkt der maximal weit von diesen Schaltzeitpunkten entfernt ist. Die BOTTOM und TOP Werte des Counters bieten genau dies, da sie in der Mitte des High- bzw. Lowpegels liegen. [Bearbeiten] Praktisches Vorgehen
[Bearbeiten] Programmbeispiele[Bearbeiten] PWM per Software[Bearbeiten] Pseudocode//Initialisierung pwm_phase = 0 // von 0 bis 100(99) ergibt ein moduliertes Signal pwm_soll = 30 // Tastverhältnis in Prozent (Werte von 0..100) //alle s Sekunden tue: wenn pwm_soll = pwm_phase dann ausgang = LOW wenn pwm_phase++ = 100 dann pwm_phase = 0 ausgang = HIGH Das Tastverhältnis ist Die Frequenz ist [Bearbeiten] ASMDer Code ist nicht von mir, ich hab den John Honniball auch nicht um Erlaubnis gefragt, den Code hier zu posten. Trozdem finde ich das Ganze recht nützlich und hab' es mir trozdem erlaubt:
[Bearbeiten] CIch wollte das hier mal ergänzen. Ich bin zwar noch ein Newbee aber es funktioniert. Man darf es aber gerne verbessern und oder löschen... Lg Fabi
(Ich habe es als Dimmbare LED entworfen. Deswegen die Beschreibung.) [Bearbeiten] BASCOM' [Bearbeiten] PWM per Hardware[Bearbeiten] Programmbeispiele[Bearbeiten] ASMFür AtMega8.
[Bearbeiten] CHier wird mit dem 16-Bit-Counter 1 im 8-Bit-Mode eine LED gedimmt. Die Frequenz ist
[Bearbeiten] Tiefpassfilter-BerechnungDie PWM-Frequenz muß meistens mit einem Tiefpassfilter entfernt werden, da sie nachfolgende Verstärkerstufen übersteuert oder den Hörgenuß trübt. Ein einfacher RC-Tiefpass kann für Motorsteuerungen ausreichen, für Audioanwendungen ist der Abstand zwischen höchster Niederfrequenz und PWM-Frequenz zu klein. Ein aktives Filter mit Operationsverstärker kann die Lösung sein, oder ein passiver LC-Tiefpass. Dessen Berechnung mittels AADE Filter Designer soll hier an einem Fallbeispiel erläutert werden. Ein ATmega48 mit 20 MHz Quarz soll mittels 10 Bit "fast PWM" des 16 Bit- Timers 1 ein Stereosignal am Pin OC1A und OC1B ausgeben. Die PWM-Frequenz beträgt somit knapp 20 kHz, nach dem Abtasttheorem sind maximal 10 kHz Nutzsignal möglich. Mit der Faustregel "6dB pro Bit" erreichen wir einen Dynamikumfang oder Störabstand von 60 dB. Etwa dieselbe Unterdrückung sollte auch das Tiefpassfilter erreichen.  Zunächst brauchen wir noch eine Abschätzung der zulässigen Ausgangsbelastung. Laut Datenblatt beträgt der maximal zulässige Strom pro Pin 40 mA, entsprechend einem 125 Ohm Widerstand von 5V nach Masse. Mit 10 bis 20 mA entsprechend 500 bis 250 Ohm als Maximalwert dürfte also nichts passieren. Der zeitliche Mittelwert liegt für Audioanwendungen bei 2,5V, also dem halben Maximalstrom. Ein hochohmiger Kopfhörer, z. B. 600 Ohm, läßt sich so noch ohne weitere Verstärker anschließen. Die größte Filtersteilheit erreicht das Cauer- oder Elliptic Filter, auf Kosten von größeren Phasenänderungen/ Gruppenlaufzeit gegenüber anderen Filtertypen. Wir starten also das Filterberechnungsprogramm mit den Vorgaben "lowpass", "Cauer/Elliptic", "3.Ordnung", was eine Schaltung mit einer Induktivität und drei Kapazitäten berechnet. Den Ein- und Ausgangswiderstand geben wir erst mal irgendwo in dem genannten Bereich vor, die Durchlasswelligkeit kann auf 1 dB bleiben, Durchlassfrequenz wie gesagt 10000 Hz, die Sperrfrequenz etwas unterhalb der PWM-Frequenz, ca. 17500Hz, da der Dämpfungspol dann etwa auf 20 kHz fällt. Mit "analyze voltage insertion gain" berechnen wir eine Durchlasskurve und kontrollieren die korrekte Lage des Dämpfungspols. Jetzt variieren wir die beiden Widerstände, bis die Induktivität etwa einem leicht erhältlichen Normwert entspricht. Die drei Kondensatoren werden am Schluß ebenfalls mit dem nächsten Normwert bestückt. Sicherheitshalber kann man diese endgültige Schaltung noch mit einem Schaltungssimulationsprogramm überprüfen und die Bauteilwerte leicht korrigieren. Als Induktivität kommen eher die größeren Bauformen infrage, die "Garnrollen"-Form oder die axiale Bauform 77A von Fastron. Hier gilt: je größer desto höhere Güte, wie man aus den Katalogangaben zum Gleichstromwiderstand schließen kann. Von magnetischen Wechselfeldern wie etwa Schaltregler-Trafos sollte man ein paar Zentimeter Abstand halten. Im Bild sind zwei Schaltungen für die genannten Frequenzen mit einer 3,3mH-Drossel und einer 10mH-Drossel gezeigt. Die Kurven sind noch mit verlustlosen Bauteilen und den berechneten krummen Bauteilwerten gezeichnet. Der Widerstand am Ausgang kann auch durch die Last wie der genannte Kopfhörer gebildet werden. Ein größerer Wert hat hier wenig Einfluß auf die Filterkurve, während der Widerstand am Eingang genau den vorgegebenen Wert haben sollte. [Bearbeiten] Siehe auch
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