mBlock & Arduino（4）PWM 模拟类比信号

搬运工

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在〈mBlock & Arduino（2）点亮外接 LED〉中谈过，Arduino 中的 D0 到 D13 可以做为数位输出／输入脚位，如果我们想输出类比讯号呢？例如，想要 2V、2.5V、3.5V 之类的的电压输出，而不是只有高电位的 5V 与低电位的 0V 选择。
在 Arduino 上的 A0 到 A5 脚位，似乎有 ANALOG 字样，不过仔细看是 ANALOG IN，也就是 A0 到 A5 脚位，是用来接收类比讯号之用，不是用来输出类比讯号。
如果想要在 Arduino 上输出类比讯号，也是用数位脚位来做，不过，数位脚位不是只有高电位与低电位吗？怎么做出类比讯号的效果？

认识 PWM

PWM 全名 Pulse Width Modulation，可译为脉冲宽度调变，所谓调变，基本上是指将想传送的讯号编码至一个载体（Carrier），举例来说，我们的 AM（Amplitude modulation） 广播，就广播站台将音乐（讯号）编码在指定的频率（也就是载体）之中。
PWM 是使用高、低电压时间周期来为讯号编码，以模拟类比讯号为例，基本原理是若在一个时间周期中，50% 的时间输出高电位 5V，而 50% 输出的时间输出低电位 0V，那么就整个时间周期来说，平均电压可视为 2.5V，类似地，如果 90% 的时间输出高电位 5V，那么就整个时间周期来说，平均电压可视为 4.5V，若 10% 的时间输出高电位 5V，那么就整个时间周期来说，平均电压可视为 0.5V。
输出高电位时间的百分比，称之为 Duty cycle，许多 Arduino 的介绍中若谈到 PWM，都会引用Arduino – PWM的这张图，以便了解 Duty cycle，以及analyWrite之意义：

稍后我们再来谈analogWrite。若想使用 PWM 模拟类比讯号输出，单只是知道 Duty cycle 还不够，如果你频率不够快，例如像〈mBlock & Arduino（2）点亮外接 LED〉一秒高电位、一秒低电位的，那么，你也只会看到 LED 一亮一暗的，也就是说，PWM 最基本的两个参数是 Duty cycle 与时脉周期（Clock cycle），后面会有个范例，使用 Arduino 的 PWM 脚位并调整 Duty cycle（时脉周期由 Arduino 控制），你的 LED 就可以由暗渐亮，就像调整可变电阻一样。

程式实作的 PWM

了解了 PWM 的基本原理，那么先来使用程式实作 PWM（Bit-banging PWM），在 mBlock 中，最基本的方式，是使用等待方块来实作 Duty cycle 与时脉周期，例如：

这样就实作出 Duty cycle 为 90%，而频率为 2 Hz 的 PWM，实际测量结果，电压约是在 4V 左右跳动，如果你将两个输出的 0、1 对调，那实际测量结果，电压约是在 1V 左右跳动，实际接上 LED 的话，因为频率不大，LED 还是一闪一闪，看不太出类比模拟的效果。
这是因为 mBlock 的等待方块可设定的等待值没办法太小（如果使用 Arduino 官方语言，可以使用delayMicroseconds这个可达微秒的函式），只能稍微模拟出这样的效果，实际上使用等待方块，还有无法多工的缺点，我们另外使用 mBlock 可至毫秒的计数器来实作一个，首先，我们先在“资料和指令”中“新增积木指令”：

这个积木指令主要是用来设置一些变数，而这些变数，会用来计算指定的脚位之输出：

dutyCycle在这边是使用百分比指定的，程式会依据dutyCycle的设定，决定指定的数位脚位何时高电位、何时低电位，从这两张图来看，频率被我设定为 20 Hz。
只要绿旗一被点下，这个模拟 PWM 的回圈就会一直进行，为了能看出亮度变化效果，我另外设置了一个回圈：

这个回圈就只是不断改变 Duty cycle，如果接下 LED，这时能看到 LED 会有亮度的差别。
当然，频率还不够快，因此还是会看出 LED 闪烁，不过大致可看出 Duty cycle 设置为不同的值，LED 亮度有所差别。

Arduino 的 PWM 脚位

在 Arduino 的数位脚位旁，如果标示有 ~ 符号，表示那个脚位可用为 PWM 输出脚位，分别是 D3、D5、D6、D9、D10、D11 脚位，可以使用analogWrite函式来设置 Duty cycle 的值，这个函式可用来控制 Arduino 板子上的硬体 PWM，可设置的值为 0 ~ 255，如方才所看到的 PMW 说明图片，0 为 0% 的 Duty cycle，64 为 25%，127 为 50%，依此类推，在 mBlock 中，则是使用“设置 PWM …”这个方块：

这个程式设置 D6 脚位使用 PWM 输出，你可以实际接上 LED，看看亮度的变化情况。
Arduino 板子上的 PWM，实际上有三个计时器，分别控制着两个 PWM 脚位，如果你想做更多的控制，像是不只能设置 0 ~ 255 的 Duty cycle，不过 mBlock 没有直接的指令可以控制，如果你有兴趣，可以使用 Arduino 的官方语言，并参考Secrets of Arduino PWM这篇文章。
阅读 mBlock & Arduino（5）可变电阻、ADC 与节拍器
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