Что такое ШИМ (PWM) в Arduino

Справочник · Arduino · 2 минуты чтения

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, по-английски PWM — pulse width modulation) — способ получить «промежуточное» действие от цифрового вывода, который умеет только 0 и 5 В. Вывод очень быстро включается и выключается, а меняется доля времени, когда он включён. Светодиод от этого кажется тусклее, мотор крутится медленнее.

Скважность и частота

Коэффициент заполнения (duty cycle, в русских текстах часто говорят «скважность») — какую часть периода вывод включён: 0 % — всегда выключен, 50 % — половину времени, 100 % — всегда включён.
Частота — сколько раз в секунду повторяется цикл «включить — выключить». На Uno и Nano — около 490 раз в секунду (490 Гц), на выводах 5 и 6 — около 980 Гц. Глаз такого мигания не видит.

Среднее напряжение на выводе пропорционально заполнению: при 50 % — в среднем 2,5 В. Но в каждый момент на выводе либо 0, либо 5 В — это не настоящее аналоговое напряжение.

analogWrite

В Arduino ШИМ включается функцией analogWrite(вывод, значение), значение — от 0 до 255:

Значение	Заполнение	Среднее напряжение
0	0 %	0 В
64	25 %	около 1,25 В
128	около 50 %	около 2,5 В
191	около 75 %	около 3,75 В
255	100 %	5 В

Расчёт: заполнение = значение / 255. Например, 128 / 255 ≈ 0,502, то есть около 50 %, и среднее напряжение 5 × 0,502 ≈ 2,5 В. 64 / 255 ≈ 0,251 → 5 × 0,251 ≈ 1,25 В.

Arduino

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);
  analogWrite(9, 64);   // светодиод на выводе 9 — примерно на четверть
}

void loop() {
}

Вызывать pinMode перед analogWrite не обязательно, но и не вредно.

Какие выводы умеют ШИМ

Только выводы, отмеченные на плате значком ~:

Плата	Выводы с ШИМ
Uno R3, Nano	3, 5, 6, 9, 10, 11
Uno R4 Minima и WiFi	3, 5, 6, 9, 10, 11
Mega 2560	2–13, 44–46

На других выводах analogWrite с ШИМ не работает: при значении меньше 128 вывод выключен, от 128 — включён.

Тонкости

Выводы 5 и 6 на Uno и Nano дают заполнение чуть больше заданного, потому что их таймер общий с millis() и delay(). Заметно это на малых значениях, например при плавном угасании светодиода. Значения 0 и 255 analogWrite выполняет как обычное выключение и включение вывода.
Библиотека Servo на Uno и Nano отключает ШИМ на выводах 9 и 10.
Функция tone() (звук на пищалке) на Uno и Nano мешает ШИМ на выводах 3 и 11.
Яркость на глаз меняется неравномерно: от 0 до 30 разница огромная, от 200 до 255 почти не видна.

Где ШИМ подходит, а где нет

Подходит: яркость светодиода, скорость мотора постоянного тока (через драйвер или транзистор), громкость и тон простой пищалки, нагрев через транзистор.

Не подходит там, где нужно ровное напряжение: питание датчика или микросхемы, опорное напряжение. Ровное напряжение из ШИМ получают фильтром из резистора и конденсатора или берут микросхему ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).

Сервопривод управляется импульсами, но не через analogWrite: у него свои требования к длине импульса, для этого есть библиотека Servo (справка Как управлять сервоприводом).