[Arduino] 脈衝寬度調變 (PWM) 與 Arduino – Pulse Width Modulation

看過 Arduino 基本 Pin 介紹 (這篇)，後我們知道有 Arduino 有 digital pin 及 analog pin，digital pin 可以在 pin mode 設定 output/input 來決定 digital pin 是輸出數位訊號，還是接收數位訊。

But！analog pin (A0~A5) 只能接收類比訊號，通常我們的 sensor 都是利用 analog pin 接收外界訊息 (TMP 系列就是接在 analog pin 上的)，那我們要怎麼輸出類比訊號？！

靠的就是，Pulse Width Modulation (PWM)，脈衝寬度調變。

甚麼是 PWM？簡單的說，他是一種利用數位訊號模擬類比訊號的方式。通常我們可以用來調整燈光的亮度、馬達的轉速、RGB LED 的配色、螢幕亮度控制、喇叭的大小聲/聲音頻率等…。

PWM 的原理是甚麼？想像我們用點亮一盞燈，用肉眼快到不能察覺的速度，開關開關開關開關開關開關開關~~~~

當快到不行的時候，我們其實就會看到燈光較暗，而看不到一閃一閃光；當我們微調開與關的長度比例變成，開--關開--關開--關開--關開--關開--關開--關開--關~

我們就會看到燈光稍微的變亮了。這就是 PWM 的原理，藉由數位訊號高頻率的切換，調整開關的比例，我們可以模擬出我們需要的類比訊號。

藉由上面的例子，介紹幾個專有名詞：

• 切換週期 T，通常我們會用頻率 f (Hz) 來表達，在 Arduino pin 上基本的切換頻率大約是 490Hz，部分的 pin 是 980 Hz (Arduino Uno pin 5&6)。
• Duty Cycle = Ton/Toff (%)，為 ON 的時間與 OFF相除的百分比
• 模擬出的電壓 V = Von x duty cycle (%)，可以知道 duty cycle 越高模擬出的電壓越高，當完全沒有 OFF 的時候，duty cycle = 100%，V = Von 為最大可輸出的電壓，這時候電燈會最亮

注意看一下 Arduino 的 digital pin 會發現，有些編號旁有 "~" 符號，這些 pin 就是可以使用 PWM pin。

Arduino PWM 的使用方式其實超簡單的，IDE code 為 analogWrite ()。

格式：analogWrite(pin, value)

參數：
pin：輸出 PWM 的 pin ，上面的例子可以是 pin 3/5/6/9/10/11
value：duty cycle，介於0~255。0 = 0%，127 = 50%，255 = 100%

analog(3,127)，就是代表由 pin 3 輸出 duty cycle 50% 的訊號。

附上一個簡單的 sketch：

int ledPin = 3; // 把 LED 接上 PWM pin3
void setup()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT); // 設定 pin 3 為輸出
}
// 下面這個 loop 會讓 LED 燈由暗變為一半亮度，最後變成最大亮度
void loop()
{
analogWrite(ledPin, 0);  // LED 不亮
delay (1000);
analogWrite(ledPin, 127);  // LED 一半亮度
delay (1000);
analogWrite(ledPin, 255);  // LED 最大亮度
delay (1000);
}

後續會再介紹 Starter Kit 中的 RGB LED ，比上面這個有趣的多～





參考資料：
Arduino – analogWrite()
Wiki – Pulse Width Modulation (這篇有講解到怎麼轉換類比訊號為 PWM 訊號，有興趣可以參考看看)