Arduino: PWM e analogWrite()

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In laboratorio è possibile fare misure sullo spettro di un segnale digitale utilizzando un oscilloscopio digitale dotato della funzione DFT (Discrete Fourier Transform).

In questa pagina è descritto come utilizzare a questo scopo:

Un qualunque hardware gestito da Arduino IDE; le immagini mostrate sono relative ad Arduino 101, ma qualunque microcontrollore capace di generare un segnale PWM è adeguato allo scopo.
Picoscope 2205A MSO (software versione 7.1.2 per Linux, l'ultima stabile nel momento della stesura di questa pagina), prodotto da Pico Technology. Prove analoghe possono essere effettuate con qualunque oscilloscopio digitale moderno.

Attività 1: PWM con DC=50%

Praticamente tutte le versioni di Arduino possono generare segnali "analogici" su uno o più pin attraverso analogWrite(). Per esempio il codice seguente genera sul pin 3 un segnale con DC = 127 / 255 = 49.8% (praticamente un'onda quadra)

const int PWMpin = 3;
void setup() {
int DC = 127;
pinMode(PWMpin, OUTPUT);
analogWrite(PWMpin, DC);
}

void loop() {
}

Il segnale osservato nel dominio del tempo è il seguente:

AnalogOut() nel dominio del tempo

La frequenza è pari, nell'esempio, a 490 Hz. Non è facilmente modificabile e dipende sia dal modello di Arduino che dal pin scelto: In questa pagina una tabella di riferimento
La tensione massima è poco più di 3 V (con Arduino UNO è invece di circa 5 V)
Il Duty Cycle misurato è praticamente pari al 50%. Si tratta quindi di un'onda quadra, o quasi

Analizziamo lo spettro, come descritto alla pagina Laboratorio: spettro di un segnale.

Per poter meglio apprezzare lo spettro è utile applicare, in questo caso, le seguenti impostazioni, tutte modificabile con qualche attenzione:

Spectrum → Range: 100 kHz. Questo valore indica la massima frequenza calcolata e indirettamente la frequenza di campionamento
Spectrum → Range: Stop = 10 kHz. Questo valore indica la massima frequenza visualizzata nel grafico
Spectrum → Bins → Number of Bins: 32768. Questo è il numero di linee spettrali calcolate e 32768 è il massimo permesso da Picoscope 2205A
Spectrum → Bins → Flat-top, se siamo interessati all'accuratezza dell'ampiezza delle linee spettrali. Se invece siamo interessati alla risoluzione in frequenza meglio Hamming (nota 2)
Spectrum → Axis → Y-axis scale: Linear
Spectrum → Axis → Y-axis display mode: Average. Utile solo se il segnale non è stabile in ampiezza
Channel A → Vertical: ±5V (oppure Auto)
Channel A → Display → Scale: x2. Questo valore può essere modificato in relazione al successivo
Channel A → Display → Offset: 50%. Questo valore può essere modificato in relazione al precedente

PWM: spettro

Misurare l'ampiezza e la frequenza delle varie linee spettrali, con i cursori e/o le misure automatiche (nota 1):

	Prima linea spettrale	Seconda linea spettrale	Terza linea spettrale	Quarta linea spettrale	...
Ampiezza di picco teorica
Ampiezza RMS teoria
Ampiezza RMS misurata
Frequenza teorica	490 Hz
Frequenza misurata

Attività 2: PWM con DC = 20%

Modificare il codice per generare un segnale con DC% pari al 20% (int DC = 51;); visualizzarne il segnale nel dominio del tempo e della frequenza:

Segnale con DC=20%

Misurare l'ampiezza e la frequenza delle varie linee spettrali (nota 1):

	Prima linea spettrale	Seconda linea spettrale	Terza linea spettrale	Quarta linea spettrale	...
Ampiezza RMS misurata
Frequenza teorica	490 Hz
Frequenza misurata

Attività 3: PWM con DC minimo

Impostare il minor Duty Cycle possibile, circa DC% = 0,4% (int DC = 1;), e visualizzare il segnale nel dominio del tempo e della frequenza:

PWM con DC=0,4% nel dominio del tempo

PWM con DC=0,4% nel dominio della frequenza

Analizzare quanto mostrato nelle immagini precedenti.

Note

Lo strumento non misura il valor medio
Le funzioni di window sono un argomento piuttosto avanzato dell'analisi spettrale.

Data di creazione di questa pagina: aprile 2024
Ultima modifica: 9 aprile 2024