概要

ATmega PWMレジスタを直接使用する

ATmega168P/328P チップには 3 つの PWM タイマーがあり、6 つの PWM 出力を制御します。 (5番と6番,   9番と10番,  3番と11番ピン)。
チップのタイマー レジスタを直接操作することで、analogWrite関数が提供する以上の制御を得ることができます。
AVR ATmega328P データシートにはPWM タイマの詳細な説明が記載されていますが、タイマにはさまざまな制御および出力モードがあるため、データシートを理解するのが難しい場合があります。以下では、タイマーの使用法を明確にします。

ATmega328Pには、タイマ0、タイマ1、およびタイマ2として知られる3つのタイマがあります。各タイマには、タイマの2つの出力のPWM幅を制御する2つの出力比較レジスタがあります。タイマが比較レジスタ値に達すると、対応する出力がトグルされます。各タイマーの 2 つの出力は通常同じ周波数を持ちますが、それぞれの出力比較レジスタに応じて異なるデューティ サイクルを持つことができます 。

デフォルトの周波数は、
タイマー0の5番, 6番Pinは977Hz,  タイマー1の9番,10番Pinは490Hz,  タイマー2の3番,11番Pinも490Hzです.

各タイマーには、システム クロックを 1、8、64、256、または 1024 などのプリスケール係数で分周してタイマー クロックを生成するプリスケーラーがあります。Arduino のシステム クロックは 16MHz で、タイマー クロック周波数はシステムクロック周波数をプリスケール係数で割った値。タイマー 2 には他のタイマーとは異なるプリスケール値のセットがあることに注意してください。

タイマーはいくつかの異なるモードによって複雑になっています。主な PWM モードは、以下に説明する「高速 PWM」と「位相補正 PWM」です。タイマーは 0 ～ 255 の範囲で実行することも、0 ～ 固定値の範囲で実行することもできます。(16 ビット タイマ 1 には、最大 16 ビットのタイマ値をサポートする追加モードがあります。) 各出力は反転することもできます。

※タイマーは16ビットであるが Arduino Uno では８ビットで使用している。

• 「高速PWMモード(FAST PWM)」:

  • PWM波形を出力する際に使用。
  • ただしタイマー波形はノコギリ波ベースとなる

• 「位相基準PWMモード(Phase Correct PWM)」:

  • こちらもPWM波形を出力する際に使用。
  • ただしタイマー波形は三角波ベースとなる

分周比（プリスケーラ）は
6ピン5ピンがTCCR0B、
9ピン10ピンがTCCR1B、
3ピン11ピンがTCCR2B

で設定されています。

TCCR0BとTCCR1Bでは下位3ビットが001なら分周比1、010なら分周比8、011なら分周比64となります。
TCCR2Bでは下位3ビットが001なら分周比1、010なら分周比8、011なら分周比32、100なら分周比64となります。

タイマー0の高速PWMの実効周波数
$$\begin{gather} f_0=\frac{16[MHz]}{分周比 \times (TOP+1)} \tag1 \\ \text{ここにおいて、} TOP=255 \notag \end{gather}$$

タイマー1/2の8bit位相標準PWMの実効周波数

$$\begin{gather} f_0=\frac{16[MHz]}{分周比 \times TOP \times 2} \tag2 \\ \text{ここにおいて、} TOP=255 \notag \end{gather}$$

# 本文

PWMの動作原理

引用：PWM制御の仕組みと構成

Arduino Uno には PWM出力に使われる タイマ/カウンタ が 0,1,2 の三個 あります。

1. タイマ カウンタ コントロールによって、各レジスタの条件を設定する。

2. 比較値のレジスタにデューティ比の値を入力する。

3. 比較値の値とタイマカウンタの値を比較してパルス波形を生成する。

波形の生成は、４種類の波形生成モード中から選択できる。

１）　Fast PWM

最も単純なPWMモードでは、タイマーは0から255まで繰り返しカウントします。OCRnAとOCRnBの2つの特定の値の出力を示しています。両方の出力の周波数は同じで、完全なタイマーサイクルの周波数と一致している

２） Phase-Correct

PWMタイマーは0から255までカウントし、その後カウントダウンしながら0に戻ります。二つの出力パルスは対称で、デューティ比が変化してもその中心は一致します。即ち波形の位相はズレません。出力周波数はFast PWMモードの値の約半分になります。

波形生成モードは、WGM02などの3つのビットの組み合わせで意味が変わります。下記はタイマー0と2の場合です。タイマー1はもう少し複雑です。参照

Timer0 (D6, D5) Fast PWM モードの場合

このモードでの出力周波数は下記の数式で算出できます。

出力周波数 = システムクロック / (分周比 * (255+1)) = 16MHz / (64 * 256) ≒ 977Hz

デフォルトでは分周比 64 ですが、これを小さくすると周波数を高くすることができます。分周比を大きくして周波数を低くすることもできます。

分周比はTCCR0Bの下位3ビットを使って指定します。

分周比 64(デフォルト)
//fast pwm setting
TCCR2B &= B11111000;
TCCR2B |= B00000011;

分周比 1(上表参照)
//fast pwm setting
TCCR2B &= B11111000;
TCCR2B |= B00000001;

分周比 1のとき,
出力周波数 = システムクロック / (分周比 * 256) = 16MHz / (1 * 256) ≒ 62.5kHz

// TIMER0はPD5(ArduinoのD5),PD6(ArduinoのD6)に対応
// OC0BがPD5,OC0AがPD6

void setup(){
    pinMode(5, OUTPUT);
    pinMode(6, OUTPUT);

  TCCR0A = _BV(COM0A1)|_BV(COM0B1)|_BV(WGM01)|_BV(WGM00); // TCCR0A = B10100011;
  TCCR0B = _BV(CS00); // TCCR0B = B00000001;
  // D5,D6 を比較出力モードに設定
  // fast PWM mode
  // 動作クロックは16MHz
  // PWMキャリア波の周波数は分周比1なので、16MHz/(1x (1+255))=62.5kHz(T=16us)
}

void loop(){
  OCR0A = 127;// Duty=127/255=0.5 127までカウントアップするとLOWになる
  OCR0B = 180;// Duty=180/255=0.7　180までカウントアップするとLOWになる
  // OCR0AのCompare Match値を127にセット
  // PD6ピンからvalue=127に対応するアナログ電圧(Unoでは5*127/255=2.49V)が出力される
  // 同様に、OCR0Bを180にセット 3.5V出力
}

引用：Arduinoプログラムの高速化　を少し改変

Timer1 (D9, D10) Phase Correct PWM モードの場合

  #include 

#define PWMPin 10

unsigned int frq = 440; // 周波数
float duty = 0.5; // 指定したいデューティ比

void setup() {
  pinMode(PWMPin, OUTPUT);
}

void loop() {

  // モード指定
  TCCR1A = 0b00100001;
  TCCR1B = 0b00010010;

  // TOP値指定
  OCR1A = (unsigned int)(1000000 / frq);

  // Duty比指定
  OCR1B = (unsigned int)(1000000 / frq * duty);
}

引用元：Arduino Uno ? PWM周波数を”自由に”変更する

なぜか、TinkerCADでのシミュレーションが実行されない。（計算が始まらない）

Timer1 (D9, D10) Fastt PWM モードの場合

void setup () {
// Pin 9(OC1A),10(OC1B) is output
pinMode(9, OUTPUT);
pinMode(10, OUTPUT);
// Load 101 to generate 7.81KHz fast PWM
OCR1A= 127;
OCR1B= 101;
// inverted fast PWM on OC1A and OC1B with prescalar of 8
TCCR1A = (1<1