Меняем частоту ШИМ: регистры TCCR без страха

Самодельная вытяжка для паяльного стола работала прекрасно, пока я не сел рядом слушать. На средней скорости вентилятор издавал тонкий стеклянный писк — примерно комариный по высоте, не громкий, но неотвязный; на полной громкости его перекрывал рёв, но между ними, на тех заполнениях, где я обычно и паял, пин гудел на 490 герцах. Кошка ушла из комнаты в первый же день. Я грешил на подшипник, менял вентилятор — второй пел так же. Пел не вентилятор: пела обмотка, которую щёлкали током 490 раз в секунду.

Частоты заводского ШИМ на Uno известны: пины 3, 9, 10 и 11 живут на 490 Гц, пины 5 и 6 — на 976 Гц; почему так, разобрано в уроке-обзоре таймеров. Обе частоты — прямо в середине слышимой полосы: ухо берёт примерно от 20 Гц до 16-20 кГц в зависимости от возраста, и катушка, которую тысячи раз в секунду дёргают туда-обратно, честно превращает щелчки тока в звук. Границы тона и физику звука мы трогали ещё в уроке про зуммер и tone() — мотор звучит по тем же правилам, только вместо мелодии у него одна нота.

Лечение — увод частоты выше слышимости: после 20 кГц ухо сдаётся, и мотор крутит своё молча. Команды «сделай ШИМ потише» в языке нет — analogWrite частоту не меняет. Меняет её регистр предделителя таймера: одна строка в setup(), и этот урок — про то, какие биты крутить, почему Timer0 не трогают никогда, во что высокая частота обходится драйверу и что услышало бы ухо. Саму замену частоты покажет code-блок для платы, а слышимость — модель с зуммером в симуляторе: движок регистры не исполняет, и я говорю это прямо.

Каждый таймер тикает от кварца 16 МГц через предделитель — число, на которое делится тактовая частота. Биты предделителя CS живут в регистре TCCRnB, и ядро Arduino выставляет их за вас ещё до setup(): Timer1 и Timer2 делят на 64 — отсюда и 490 Гц. Регистры таймеров нам уже знакомы: в уроке про прерывание по совпадению тем же языком мы делали свой тик на 1000 герц — здесь тот же словарь, другая цель. Запись вида TCCR1B = (TCCR1B & B11111000) | B00000001 читается так: старые три бита предделителя обнулить (маска B11111000), новые записать поверх — единицу, предделитель 1. Такты идут без деления, период 8-битного ШИМ — 510 тактов со счётом вверх-вниз, и 16 000 000 / 510 даёт 31 372 Гц. Выше порога слышимости — с запасом в полторы тысячи герц.

Та же строка с TCCR2B поднимает до 31 372 Гц пины 3 и 11, с TCCR1B — пины 9 и 10. Пины 5 и 6 принадлежат Timer0, и вот его предделитель не трогают никогда: Timer0 считает millis() и delay(). Сменили делитель — время поехало: при предделителе 1 millis() бежит в 64 раза быстрее, таймаут на минуту истекает за секунду. Я однажды час вычищал «залипший» датчик, который невиновно ждал, пока я вспомню эксперимент с регистрами за день до этого.

Мнение с границей. Для мелких моторчиков и вентиляторов ставлю предделитель 1 без раздумий: выше слуха — и всё. Для мощных моторов через L298N из урока про драйвер беру предделитель 8 (3,92 кГц): биполярные ключи моста переключаются медленно, на 31 кГц потери на каждое переключение растут, и модуль греется заметнее — можете сравнить пальцем через час работы. Ещё цена высокой частоты — минимальная скорость: импульсы короткие, индуктивность не успевает набрать ток, и мотор трогается с заполнения 40-60 вместо 20-30. Если проекту нужна ползучая скорость, это проверяйте до финальной сборки.

Проверка без осциллографа простая: соберите, покрутите заполнение — и слушайте. Ушло суетливое жужжание на средних оборотах, остался рёв крыльчатки и лёгкий низкий рокот — значит, частота встала. Рокот остаётся всегда: это уже не электрика, а механика — подшипники и небаланс крыльчатки гудят на своих 30-100 Гцах, и никакой регистр их не сместит. Кстати, светодиоды на тех же пинах при низких предделителях начинают мигать на глаз: при 30 Гц ШИМ диммер превращается в стробоскоп — наглядная проверка, что строка сработала.

И два уточнения, чтобы не было сюрпризов. Скважность не меняется: analogWrite по-прежнему принимает 0-255, меняется только то, как плотно эти импульсы идут по времени. И частота меняется сразу для всех пинов таймера: поставили Timer1 на 31 кГц — переехали и 9-й, и 10-й, хочешь ты этого или нет. Карту, кто на каком таймере сидит, я держу перед глазами всегда — она же спасает от конфликтов с библиотеками, о которых следующий урок расскажет на примере Servo.h.

Бонус, о котором редко пишут: светодиодные ленты в кадре видеокамеры на 490 Гц дают бегущие тёмные полосы — камера разворачивает кадр медленнее, чем мерцает лента. После перевода на 31 кГц полосы уходят целиком. Поэтому для подсветки, которая попадает в кадр, я гоню частоту вверх даже без всякого звука; а вот для ночника у кровати трогать ничего не стоит — на низкой частоте драйверу ленты легче, и глаз всё равно слеп.

Движок симулятора регистры не исполняет — ни TCCR1B, ни битов CS у него нет, и частоту ШИМ в симе не поменять: крыльчатка крутится одинаково на любой «частоте». Зато сам факт слышимости моделируется честно: зуммер воспроизводит ровно ту ноту, на которой пела бы обмотка. Ручка A0 листает шесть ступеней: 30, 50, 100, 490, 976 и 31 372 Гц — от низкого рокота механики через заводские 490 и 976 до ультразвуковых 31 кГц, на которых скетч вызывает noTone.

Смотрите в монитор: пары f= и slyshno= фиксируют каждую ступень. На всех ступенях ниже 16 кГц зуммер звучит — ровно так дёргает нервы мотор на заводских настройках. На последней ступени — тишина, при которой крыльчатка продолжает крутиться: это и есть итог урока в одном сравнении. Те же ступени на настоящей плате собираются предделителями из таблицы выше, а ход крыльчатки по ступеням останется тем же: частота звука и скорость мотора — независимые вещи, и путать их не стоит.