analogWrite() и ШИМ на Arduino: скважность, частота и плавная яркость

Что на самом деле делает analogWrite()

Аргумент analogWrite() живёт в 8 битах: 256 ступеней от 0 до 255, где 0 — это 0 % периода с высоким уровнем, а 255 — все 100 %. Это не проценты и не вольты, а счёт таймера: значение записывается в регистр сравнения, и таймер сам держит пин высоким свою долю периода. Среднее напряжение считается умножением: 5 В × 0,5 ≈ 2,5 В, при 64 ≈ 1,25 В, при 192 ≈ 3,75 В. Светодиоду, мотору и глазу хватает этой средней величины — они слишком медленные, чтобы разглядеть мелькание. Полная схема с резистором и живой яркостью — в уроке про analogWrite() и яркость.

Живое следствие восьми бит: соседние значения глаз почти не различает — 127 и 128 дают одинаковую яркость, а вот 0 и 1 разнятся заметно, потому что при 1 светодиод вспыхивает коротким мигом 490 раз в секунду. Верхняя четверть диапазона визуально «плотнее» нижней, поэтому плавность хода растягивайте на весь 0-255, а не на полдиапазона. И следите за пределом: аргумент в 8 бит, 256 действует как 0, а 1023 — как 255, поэтому analogWrite(pin, 1023) яркость не поднимет выше максимума. Честное аналоговое напряжение без мелькания выдают только платы с ЦАП — Due и часть ESP32.

Частота ШИМ по пинам: 490 Гц, 980 Гц и чужие таймеры

Частоты разбежались из-за настройки таймеров. Timer0 работает в режиме fast PWM с делителем 64: 16 МГц / 64 / 256 ≈ 976,5 Гц, в справке это округляют до 980. Timer1 и Timer2 настроены в phase-correct PWM: 16 МГц / 64 / 510 ≈ 490 Гц. Для глаза и мотора разница незаметна, но пищалке или фильтру — уже существенна; частоту поднимают до 31 кГц записью в регистры TCCR, в уроке про ШИМ 31 кГц это разобрано по битам конфигурации. Вторая ловушка — делить таймеры с библиотеками: tone() и Servo.h перехватывают Timer2 и Timer1 целиком, и ШИМ на занятых пинах молчит, пока библиотека работает. Ниже — живая лаборатория ШИМ: подвигай ручку скважности и посмотри осциллограмму и среднее напряжение.

Плавный фейдер на millis(): яркость без delay()

const int ledPin = 9;                  // ШИМ-пин (волнистая ~ у цифры)
int brightness = 0;                    // 0-255
int step = 5;                          // шаг за один тик
unsigned long prevMillis = 0;
const unsigned long tick = 30;         // тик каждые 30 мс
 
void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  if (currentMillis - prevMillis >= tick) {
    prevMillis = currentMillis;
    brightness += step;
    if (brightness >= 255 || brightness <= 0) {
      step = -step;                    // у края — разворот
    }
    brightness = constrain(brightness, 0, 255);
    analogWrite(ledPin, brightness);
  }
  // между тиками loop() свободен: кнопка, датчик, Serial — без задержек
}

Шаг 5 каждые 30 мс — это 51 тик на подъём от 0 до 255, полный цикл «вверх-вниз» занимает около трёх секунд; цифры легко перекроить под своё настроение. Разворот держится на проверке краёв и смене знака step: без неё яркость застрянет у потолка. Главное — внутри loop() ни одной задержки: фейдер можно приостановить кнопкой, подстраивать под датчик света или завести в отдельный канал планировщика. Варианты на один и несколько каналов собраны в уроке про плавный свет на ШИМ, а базовый разбор analogWrite() и ШИМ раскладывает по регистрам, что делает каждая строка.

• ШИМ-пины помечены на плате волнистой линией: у Uno и Nano их шесть — 3, 5, 6, 9, 10, 11, у Mega — пятнадцать
• Диммер и плавная подсветка: светодиод через токоограничивающий резистор 220-330 Ом прямо на пин
• RGB-светодиод с общим катодом: три ШИМ-канала смешивают 256 × 256 × 256 ≈ 16,7 млн оттенков
• Скорость мотора: ШИМ на вход ENA драйвера (L298N, DRV8833), питание мотора — от своего источника
• Подсветка-«дыхание» на ленте 12 В: полевой транзистор коммутирует ленту, затвор получает ШИМ с пина

Частые вопросы