Arduino UNOのPWM出力を(ちょっと精密に)確かめる

Arduino UNOが装備する、6つのPWM出力を確かめる
プログラムを書いてみました。
シリアルモニターでval値を入力するとその値(0～255)で
6つのPWMを出力します。


※プログラム：ダウンロード - test_analog_wr1.c
（ファイルタイプを.cとしています）

現状、このようにATmega328Pが内蔵する3つのタイマーで
6つのPWM出力が得られます。

・タイマー０　OC0AとOC0B出力

8bit高速PWM動作でイニシャルされている。
val=0でL固定、255でH固定。
1でデューティ 2/256。 2でデューティ 3/256。
127でデューティ128/256。128でデューティ129/256。
254でデューティ255/256。
　▼問題点
　　　val=1～254で欲しいデューティ値から1ずれる。

・タイマー１　OC1AとOC1B出力
・タイマー２　OC2AとOC2B出力

8bit位相基準PWM動作でイニシャルされている。
val=0でL固定、255でH固定。
1でデューティ 1/255。 2でデューティ 2/255。
127でデューティ127/255。128でデューティ128/255。
254でデューティ254/255。
　▼問題点
　　　ベースが1/255なので、127あるいは128とセット
　　　してもデューティ50%が得られない。

■確認
タイマー1のインプットキャプチャー機能を使って、
ICP1に入力されたパルスのデューティー比と周波数を
計ってみました。

プログラム：ダウンロード - duty_checker1.c
　　（ファイルタイプを.cとしています）

1秒ごとにデューティ、周波数、H区間とL区間のパルス数
(Arduino unoの16MHzクロック数)をシリアル出力します。
　　　パルスが無ければ「No pulse」。
　　　↑↓パルスが接近して割り込み処理が間に合わないと
　　　「Overlap pulse」と警告メッセージを出します。

Arduino基板を2枚用意して、PWM出力とICP1入力をつなぎ替えながら
↑の問題点を実際に見てみます。
　　（ICPクロック同期の関係で1～2発のズレが出ます）

・タイマー0
　val=1
　　　0.78%　 0.977kHz　　　 128　　16255
　val=2
　　　1.17%　 0.977kHz　　　 192　　16191
　val=127
　　 50.00%　 0.977kHz　　　8191　　 8192
　val=128
　　 50.39%　 0.977kHz　　　8255　　 8128
　val=254
　　 99.61%　 0.977kHz　　 16319　　　 64

　　　このように、val値と実値が1/256ずれています。
　　　1/2デューティのつもりで128をセットすると129/256
　　　になってしまいます。
　　　　　※もう一度言います。
　　　　　　　　0.4%の誤差が勝手に発生するのです。

・タイマー1と2
　val=1
　　　0.39%　 0.490kHz　　　 128　　32510
　val=2
　　　0.78%　 0.490kHz　　　 256　　32382
　val=127
　　 49.80%　 0.490kHz　　 16255　　16383
　val=128
　　 50.20%　 0.490kHz　　 16384　　16255
　val=254
　　 99.61%　 0.490kHz　　 32510　　　128

　　1/255が設定単位で、1周期のベースが
　　64*2*255=32640クロックです。
　　そのため1/2デューティが設定できません。
　　127でも128でも0.5/255ずれてしまいます。

●改善方法

・タイマー0
　　前記事に書きましたように「反転動作」「255-val」と
　　することで、val=0～255で正しいデューティー比が
　　得られます。
　　また、val=0の時も0判定無しで0/256=L固定が得られます。

　　その確認
　val=1
　　　0.39%　 0.977kHz　　　　64　　16319
　val=128
　　 50.00%　 0.977kHz　　　8192　　 8192
　val=255
　　 99.61%　 0.977kHz　　 16319　　　 64

　　　※プログラム例
　　　　analogWrite( 5, val); 　　　// PD5 OC0B
　　のかわりに
　　　　b = TCCR0A & 0b11001111; 　　// COM0B
　　　　TCCR0A = b | 0b00110000; 　　// 反転出力
　　　　OCR0B = 255 - val; 　　　　　　// top値255からの差で

・タイマー1、タイマー2
　　残念ながら「8bit位相基準PWM動作」を使う限り
　　改善できません。
　　タイマー0と同じように「8bit高速PWM動作」にイニシャルし
　　直しでしょう。
　　あるいは、タイマー1は「TOP値=ICR1による高速PWM動作」が
　　使えます。
　　高分解能なPWMを得ることができますので、この利用をおすす
　　めします。

※関連
・2020年8月13日：Arduino、analogWriteは捨てちゃえ。ちゃんとしたPWMを使おう
・2020年2月10日：ArduinoのanalogWrite　1/255なの？
・2020年2月 4日：Arduinoのタイマー OCRレジスタは「n」じゃなく「n - 1」の値を設定せよ