PIC-Lernbeispiel: Spannung steuert PWM

mit einer analogen Eingangsspannung von 0V ... 5V wird das Tastverhältnis einer Rechteckschwingung (0% ... 100%) gesteuert.
Die größeren PICs (PIC16F87x) besitzen einen Analog-DigitalConverter (ADC) zur Messung von Spannungnen im bereich von ca. 0V bis 5V.

Ebendso verfügen sie über zwei CCP-Module (Capture/Compare/PWM) von denen jeweils eines zur Erzeugung einer Rechteckschwingung mit einem bestimmten Pulsverhältnis eingesetzt werden kann.

Unter Nutzung des ADC und des CCP-Moduls lässt sich auf einfache Art ein Rechteckgenerator mit spannungsgesteuertem Tastverhältnis aufbauen.

Schaltung

Die Schaltung besteht lediglich aus einem PIC16F876 (oder anderer 16F87x) und einer 20-MHz Taktquelle für den PIC (z.B. Quarzgenerator). Die analoge Spannung wird an RA0 ind den PIC gespeist. Den Rechteck erzeugt der PIC an RC2. Zur Kontrolle wird der gemessene ADC-Wert 8-bittig an PortB ausgegeben (kann mit LEDs binär angezeigt werden).

++ACHTUNG++
um den PIC nicht zu beschädigen, darf die Eingangsspannung am Pin RA0 nicht kleiner als Vss-0,3V und nicht größer als Vdd+0,3V sein!! Wer das nicht garantieren kann, sollte den Eingang mit einem Vorwiderstand und zwei Shottky-Schutzdioden (nach Vss und Vdd) schützen.

Programmablauf

Spannung messen:

• die grundsätzliche Funktion, und Nutzung des ADC-Moduls ist an anderer Stelle bereits erläutert worden
• Der ADC wird eingeschaltet und sein Takt entsprechend dem PIC-Takt eingestellt.
• Als Referenzspannungen werden Vss und Vdd ausgewählt.
• Als Eingang wird RA0 selektiert.
• Der ADC wird gestartet, und in einer Warteschleife auf das Ende der Wandlung gewartet
• Das Messergebnis wird am PortB angezeigt (LEDs) und an die PWM übergeben (alles nur 8 Bit breit)
• Es wird eine Erholungspause für den ADC eingelegt, bevor die nächste Messung gestartet wird.

PWM erzeugen:

• die grundsätzliche Funktion und Nutzung des PWM-Moduls ist an anderer Stelle bereits erläutert worden.
• Die Rechteckfrequenz. von 1,2 kHz ergibt sich aus dem Takt, sowie dem Timer2-Vorteiler und PR2.
• der PWM-Mode wird eingestellt.
• Das Tastverhältnis wird mit dem Register CCPR1L eingestellt.

Dieser Wert wird vom ADC geliefert.

Programmlisting

Das Programm erzeugt eine Ausgangsrechteckschwingung von 1,22 kHz.
Das Testprogramm misst in einer Endlosschleife die Eingangsspannung am Pin RA0, und stellt am Pin RC2 das Tastverhältnis der Rechteckschwingung proportional der Eingangsspannung ein.
Eine Eingangsspannung von Vss (0V) ergibt ein Tastverhältnis von 0% (Dauer-Low) eine Spannung von Vdd (+5V) dagegen 100% (Dauer-High). Alle Spannungen dazwischen ergeben eine entsprechendes Tastverhältnis.

Obwohl eine Auflösung von 10 Bit prinzipiell möglich wäre, verwende ich der Einfachheit halber nur die oberen 8 Bit des ADC-Ergebnisses.

• Download von Assemblerlisting und HEX-File (2 kByte)

PWM
Wird eine andere Rechteckfrequenz benötigt, so kann man z.B. die PIC-Frequenz verringern. Dass dabei der ADC langsamer wird stört nicht, da mehr als eine ADC-Wandlung pro Rechteckschwingung sowieso nicht genutzt werden kann.
Durch Änderung des Timer2-Vorteilers lassen sich auch 4-fache und 16-fache dieser  Frequenz erzeugen.
 

PIC-Takt	Vorteiler 16:1	Vorteiler 4:1	Vorteiler 1:1
20 MHz	1,22 kHz	4,88 kHz	19,53 kHz
10 MHz	610 Hz	2,44 kHz	9,77 kHz
4 MHz	244 Hz	977 Hz	3,9  kHz
1 MHz	61 Hz	244 Hz	977 Hz
400 kHz	24,4 Hz	98 Hz	390 Hz
100 kHz	6,1 Hz	24,4 Hz	97,7 Hz

Wird der Wert für PR2 etwas verringert, dann erhöht sich die Frequenz etwas. Allerdings wird dadurch die Auflösung der PWM verringert. Das lässt sich kompensieren, wenn man die eigentlich 10-Bit breite Auflösung der PWM wirklich nützt.

Falls die erreichbaren 19,53 kHz nicht ausreichen, lässt sich die Frequenz noch einmal vervierfachen (bei 8-Bit Auflösung), wenn man PR2 auf 63 verringert,  nur die oberen 6 Bit des ADC-Ergebnisses in CCP1L einschreibt (rechtsbündig) und die nächsten 2 Bit in die Bits 5&4 des CCP1CON einträgt.

ADC
In geringem Maße lässt sich der Spannungsbereich des ADC durch die Wahl externer Referenzspannungen ändern. Für größere Änderungen muss man auf  vorgeschaltete Operationsverstärker zurückgreifen.

Auflösung
Sowohl ADC  wie auch PWM erlauben eine 10-bittige Auflösung. Bei Bedarf können die zusätzlichen LSB aus ADRESL (Bit 7&6) ausgelesen und in CCP1CON (Bit 5&4) eingeschrieben werden. Dann wird das Taktverhältnis mit 10-bittiger Genauigkeit von der analogen Eingangsspannung gesteuert. Das macht aber nur Sinn, wenn die Betriebspannung (bzw. die Referenzsspannungen) mit einer Genauigkeit von 0,1% stabilisiert wird.