Programowany generator PWM (ATmega48)

---

Jest to prosty generator PWM (Pulse-Width Modulation) czyli modulator szerokości impulsu, zasilany
stabilizowanym napięciem Vcc=4.75-5.25V. Na jego wyjściu uzyskuje się sygnał prostokątny o stałej
częstotliwości 1 Hz, ale o wypełnieniu regulowanym w zakresie 0-100% z krokiem co 1%, w zależności
od stopnia wypełnienia ustawionego zworkami J1-J7. Na pewno przyda się w pracowni każdego elek-
tronika-amatora, np. podczas testowania różnych prototypowych układów cyfrowych.
Sercem generatora jest popularny mikrokontroler ATmega48. Zamiast niego można użyć modeli
ATmega88/168/328, które różnią się jedynie większą ilością pamięci. Program sterujący napisałem
w asemblerze i jest on identyczny dla każdego z wymienionych mikrokontrolerów (zajmuje 2446 bajtów
pamięci FLASH).
Po włączeniu zasilania lub resecie mikrokontrolera przyciskiem S1, program sterujący konfiguruje pin
PB0 (nr 14) jako wyjście z niskim stanem logicznym (LOW), a wszystkie pozostałe piny jako wejścia
z wysokim stanem logicznym (pull-up - włączone wewnętrzne rezystory podciągające). Następnie mikro-
kontroler odczytuje stan zworek J1-J7, które są podłączone do pinów PD0-PD6. Jeśli wszystkie zworki
są rozwarte (OFF), to program przechodzi do wykonywania pętli generującej sygnał o wypełnieniu 0%
(tryb 0). Wtedy na wyjściu generatora (złącze CON1) ciągle panuje niski stan logiczny (LOW). Nato-
miast, jeśli na zworkach jest ustawiona jakaś wartość binarna X=1-99 (J1 - bit najmłodszy), to program
skacze do odpowiadającej jej pętli (tryb X), która jest wykonywana bez przerwy. W każdej takiej pętli
znajdują się dwie instrukcje zmieniające stan wyjścia PB0 na przeciwny, a pomiędzy nimi są instrukcje/
pętle decydujące, po jakim czasie (liczba cykli) następują te zmiany. Czasy pomiędzy jedną i drugą zmia-
ną są różne (oprócz wypełnienia 50%), ale zawsze ich suma wynosi 1 sekundę. Dzięki temu na wyjściu
generatora uzyskuje się sygnał prostokątny o różnym wypełnieniu, ale zawsze o częstotliwości 1 Hz.
Jeśli na zworkach jest ustawiona jakaś wartość binarna X>99, to program przechodzi do wykonywania
pętli generującej sygnał o wypełnieniu 100% (tryb 100). Wtedy na wyjściu generatora ciągle panuje
wysoki stan logiczny (HIGH).
Do prawidłowego działania generatora, konieczne jest użycie rezonatora kwarcowego X1 o częstotli-
wości nominalnej 4 MHz, ponieważ pętle opóźniające w programie sterującym, są napisane właśnie dla
takiej szybkości pracy mikrokontrolera. Przy tej częstotliwości mikrokontroler jest taktowany ok. 4000000
razy (cykli zegarowych CLK) na sekundę (1 CLK = 1s / 4000000 = 250 ns), w zależności od dokładności
samego rezonatora.
Przykład obliczania czasów opóźnień pomiędzy zmianami stanu pinu PB0 dla pętli generującej wypeł-
nienie 1%: 4000000 CLK = 1s = 100%; 1% z 1s wynosi: 4000000 CLK / 100 = 40000 CLK = 0.01s;
99% z 1s wynosi: 4000000 CLK - 40000 CLK = 3960000 CLK = 0.99s.
Po ustawieniu wysokiego stanu (HIGH) na pinie PB0 instrukcją "out PORTB,R17", pętla generuje opóź-
nienie równe 39999 CLK i wykonuje instrukcję "out PORTB,R18", która po upływie 1 CLK zmienia stan
pinu PB0 na niski (LOW). Stan wysoki utrzymuje się więc przez 40000 CLK (0.01s). Później pętla gene-
ruje opóźnienie równe 3959997 CLK, wykonuje instrukcję "rjmp Mode1", która po upływie 2 CLK powo-
duje skok na początek pętli, a następnie ponownie wykonuje instrukcję "out PORTB,R17", która po upły-
wie 1 CLK znowu zmienia stan pinu PB0 na wysoki (HIGH). Stan niski utrzymuje się więc przez 3960000
CLK (0.99s). Suma czasów opóźnień pomiędzy zmianami stanu pinu PB0 wynosi dokładnie 4000000
CLK (1s).
Rezystor R2 i kondensator C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy, tłumiący zakłócenia oraz niebezpieczne
dla pinu PC6 mikrokontrolera szpilki napięcia, które powstają podczas drgań styków przy włączaniu
przycisku S1. Jednocześnie rezystor R2 zabezpiecza styki samego przełącznika S1, które są narażone
na przepływ prądu podczas zwierania kondensatora C1 do masy. Tranzystory T1 i T2 połączone rów-
nolegle pracują jako bufor wyjściowy, o wydajności do 100 mA.
Wszystkie możliwe do ustawienia kombinacje zworek J1-J7 i odpowiadające im stopnie wypełnienia
sygnału, znajdują się w poniższej tabeli.
Po wlutowaniu wszystkich elementów w typowej kolejności (najpierw zworki) i upewnieniu się o braku
zwarć, wkładamy mikrokontroler w podstawkę. Następnie włączamy zasilanie i programujemy go wsa-
dem przez złącze CON3, przy użyciu dowolnego programatora ISP (In-System Programming). Złącze
CON3 zawiera sygnały rozmieszczone w standardowy sposób zalecany przez firmę Atmel, a pokazany
na schemacie ideowym. Konieczne jest również ustawienie odpowiednich wartości fuse i lock bitów:
FL (Fuse Low): $F7, FH (Fuse High): $DF ($D9 dla ATmega328), FE (Fuse Extended): $F9 ($FF dla
ATmega48/328), LB (Lock Bits): $FF. Takie ustawienia powodują, że mikrokontroler korzysta z zew-
nętrznego rezonatora kwarcowego (bity CKSEL3-0=0111); wyłączony jest dzielnik częstotliwości przez
8, co powoduje taktowanie mikrokontrolera pełną częstotliwością rezonatora (CKDIV8=1); wydłużony
jest czas jego startu do ok. 65ms po włączeniu napięcia zasilania (SUT1-0=11); wyłączone jest genero-
wanie częstotliwości taktującej mikrokontroler na pinie PB0 (CKOUT=1); włączona jest możliwość jego
resetowania przez pin PC6 (RSTDISBL=1) oraz programowania przez interfejs szeregowy (SPIEN=0).
Należy bardzo uważać, aby nie dokonać zmian w fuse/lock bitach, które uniemożliwią dalsze progra-
mowanie mikrokontrolera.
Po prawidłowym zaprogramowaniu mikrokontrolera, odłączamy programator od generatora. Następnie
na zworkach J1-J7 ustawiamy kombinację, odpowiadającą wybranemu stopniowi wypełnienia sygnału
i naciskamy przycisk S1. Na wyjściu generatora powinien pojawić się sygnał prostokątny, o częstotli-
wości 1 Hz i określonym wypełnieniu.
Generator zmontowałem na płytce jednostronnej o wymiarach 50x50 mm (2 zworki). W rogach płytki
znajdują się otwory montażowe o średnicy 3 mm, które mogą służyć do jej przykręcenia do obudowy lub
zamocowania w nich specjalnych nóżek, na których płytka będzie stała. Jako małą ciekawostkę dodam,
że płytkę prototypową wykonałem bez trawienia (mini wiertarką z małym frezem).
Ten generator ma identyczną płytkę drukowaną, jak Programowany generator częstotliwości. Oba pro-
jekty różnią się jedynie częstotliwością rezonatora kwarcowego X1, która w tym wypadku musi wynosić
4 MHz oraz programem sterującym.

UWAGA! Generator nie jest w żaden sposób zabezpieczony przed odwrotnym podłączeniem napięcia
zasilania Vcc. Pomylenie polaryzacji tego napięcia spowoduje uszkodzenie mikrokontrolera.

Wszystkie możliwe kombinacje zworek J1-J7 i odpowiadające im stopnie wypełnienia sygnału:

J7...J1 DUTY [%] 0000000 0 0000001 1 0000010 2 0000011 3 0000100 4 0000101 5 0000110 6 0000111 7 0001000 8 0001001 9 0001010 10 0001011 11 0001100 12 0001101 13 0001110 14 0001111 15 0010000 16 0010001 17 0010010 18 0010011 19 0010100 20 0010101 21 0010110 22 0010111 23 0011000 24 0011001 25 0011010 26 0011011 27 0011100 28 0011101 29 0011110 30 0011111 31

J7...J1 DUTY [%] 0100000 32 0100001 33 0100010 34 0100011 35 0100100 36 0100101 37 0100110 38 0100111 39 0101000 40 0101001 41 0101010 42 0101011 43 0101100 44 0101101 45 0101110 46 0101111 47 0110000 48 0110001 49 0110010 50 0110011 51 0110100 52 0110101 53 0110110 54 0110111 55 0111000 56 0111001 57 0111010 58 0111011 59 0111100 60 0111101 61 0111110 62 0111111 63

J7...J1 DUTY [%] 1000000 64 1000001 65 1000010 66 1000011 67 1000100 68 1000101 69 1000110 70 1000111 71 1001000 72 1001001 73 1001010 74 1001011 75 1001100 76 1001101 77 1001110 78 1001111 79 1010000 80 1010001 81 1010010 82 1010011 83 1010100 84 1010101 85 1010110 86 1010111 87 1011000 88 1011001 89 1011010 90 1011011 91 1011100 92 1011101 93 1011110 94 1011111 95

J7...J1 DUTY [%] 1100000 96 1100001 97 1100010 98 1100011 99 1100100 100 1100101 1100110 1100111 1101000 1101001 1101010 1101011 1101100 1101101 1101110 1101111 1110000 1110001 1110010 1110011 1110100 1110101 1110110 1110111 1111000 1111001 1111010 1111011 1111100 1111101 1111110 1111111

  0 - zworka rozwarta (OFF), 1 - zworka zwarta (ON).

---

SPIS ELEMENTÓW:

Rezystory: R1 - 10k R2 - 470 Kondensatory: C1, C2 - 100n C3 - 100u/10V C4, C5 - 22p

Tranzystory: T1 - BC547 (lub inny NPN) T2 - BC557 (lub inny PNP) Układy scalone: U1 - ATmega48/88/168/328

Rezonatory: X1 - kwarcowy 4 MHz Przełączniki: S1 - mikroprzełącznik Złącza: CON1, CON2 - goldpin 2x1 (męskie) CON3 - goldpin 3x2 (męskie)

Inne:
U1 - podstawka DIP28 zwykła
J1-J7 - zworka 2x1