Что такое ШИМ (широтно-импульсная модуляция), простым и понятным языком для новичка

Давайте представим большой вал, который может вращаться и двигатель который его вращает. При включении двигателя он начнет раскручиваться до максимально возможной скорости и продолжит так вращаться пока поступает напряжение. Если двигатель выключить, вал начнет замедляться из-за трения, но сразу он не остановится, так как действует сила инерции.

Допустим, чтобы двигателю раскрутить вал на 100% оборотов, необходимо – 6 секунд, следовательно за 3 секунды он наберет только 50% оборотов. Если выключить двигатель через 3 секунды, и затем снова включить и продолжать делать это непрерывно, можно добиться скорости вращения вала равной 50%.

Меняя интервалы включения и выключения, мы будем регулировать скорость вращения вала, ускоряя и замедляя его. Это и есть принцип работы ШИМ, только в отличии от человека, ШИМ может включать и выключать двигатель очень долго, с точно заданными интервалами.

Если мы хотим управлять не скоростью двигателя, а яркостью светодиода, в этой задаче нам также поможет ШИМ. При частоте включений 1 раз в секунду, мы будем видеть как светодиод загорается и гаснет, но если частоту увеличить в 50 раз в секунду, то человеческому глазу будет незаметно как быстро светодиод переключается и это создаст эффект свечения в половину мощности. Таким образом можно управлять яркостью светодиода, меняя интервал включения-выключения за период времени, правильно этот интервал принято называть – скважность импульсов, а величина обратная скважности называется – коэффициент заполнения.

Из этого следует запомнить – ШИМ также может выполнять операции переключения с очень большой скоростью, незаметной человеческому глазу, что широко применяется в регулировке яркости мониторов, мобильных телефонов, скорости вращения двигателей постоянного тока, напряжением на выходе импульсных блоков питания.

Широтно-импульсно модулируемый сигнал переменной скважности, но постоянной частоты. Так как физические процессы в природе зачастую имеют инерцию, то стремительные перепады напряжения от 0 к 1, сглаживаясь, будут принимать некоторое среднее значение. При установке скважности можно изменять и среднее значение на выходе ШИМ.

При скважности 100% на цифровом выходе Arduino напряжение будет равно логической 1 или 5 вольт. Если задавать скважность, равной 50% – на выходе получим половину времени логический 0, а половину – логическую 1. При этом среднее значение напряжения равно 2,5 вольт.

При программировании Arduino, скважность задается не в процентном показателе, а числами в диапазоне 0-255 если используется 8-битный микроконтроллер (например Arduino Nano, Arduino Uno). Микросхема имеет 6 пинов с функцией широтно-импульсной модуляции, 4 из которых работают на частоте 500 Гц, а 2 на частоте 1000 Гц. Период следования импульсов составляет приблизительно 2 миллисекунды. Таким образом получается, что можно сымитировать аналоговый сигнал на цифровом выходе. Один из примеров широтно-импульсной модуляции в Arduino – это управление яркостью светодиода.