PWMとArduinoでのアナログ出力

ArduinoではPWMによるアナログ出力（０～５V）をサポートしています。

すなわち，デジタル信号としてHIGH（５V，Arduinoを駆動している電圧）とLOW（０V）だけではなく，２Vなどの中間の値も出力できます。

これによって，例えばLEDの明るさを少しづつ変えたりできます。

PWMとは？
ArduinoのPWM出力
ＰＷＭ出力の計測
Arduinoのアナログ入力
まとめ

PWMとは？

PWM（Pulse Width Modulation）は，電圧を制御する方法の一つです。出力のONとOFFのスイッチを行うことで，パルス幅に比例した電圧を得ることができます。

例えば次の例では波の1周期の間で，25％の時間だけONになっています。

100％の時間ONになっていれば５Vを意味します。したがって，左の図の場合は　　　　
　　　5[V]*25[%]/100[%]=1.25[V]
の電圧を得ることができます。

なお，ONである時間の割合をデューティー比といいます。これがすなわち，最大電圧に対する出力電圧の割合になります。

ArduinoのPWM出力

Arduino Unoではデジタル信号の3，5，6，9，10，11の6個のピンがPWMに利用できます。ピン番号の前に～記号が付記されており，PWMが利用可能であることがわかります。

analogWriteの使い方

ArduinoではPWM出力にはanalogWrite関数を利用します。analogWrite関数は第一引数にピン番号，第二引数にデューティー比を受け取ります。

第二引数は，％の値ではなく，0（0％）～255（100％）の値になります。したがって，出力したい電圧をｖ，デューティー比をｄ，analogWrite関数の第二引数をｘとしたら，
　　　v=5.0[V]*d=5.0[V]*x/255　したがって，x=v*255/5=v*51
となります。ただし，ｘは整数値ですので，丸めた値を用います。

なお，analogWriteを呼ぶためにpinModeを事前に宣言する必要はありません。

ＰＷＭ出力の計測

では実際に，次の方法でanalogWriteによるＰＷＭ出力の状態を確認してみましょう。Arduinoスケッチは次のとおりです。3番ピンで２Vを出力しています。

1行目：アナログ出力ピンとして3番を用いる
2行目：２Vを出力する
5行目：２Vを上述の式で整数値に変換する
6行目：3番ピンに２Vを出力する

このプログラムを実行して，マルチメータで計測すると下の写真のようになります。確かに，およそ２Vになっています。

また，オシロスコープを用いて出力波を確認すると次のようになります。

縦軸の１目盛りは2.0V、横軸の1目盛りは500μsecです。したがって、周波数は1/2msec=500Hz（厳密には490Hzだそうです），デューティー比は800μsec/2000μsec=40％であることがわかります。

参考URL
　　　https://iot.keicode.com/arduino/arduino-analogwrite-pwm.php

Arduinoのアナログ入力

早速ですが、アナログ入力を利用した回路を考えます。

Arduino UnoのA0～A5ピンがアナログ入力ピンになります。CdSと抵抗10kΩで5Vを分圧しています。この電圧をA0に入力します。

次のスケッチは、A0ピンに入力された電圧をシリアルモニターで読み取るものです。

2行目：シリアル通信のボーレートを9600bpsに設定します。
6行目：A0に入力された値を格納する変数。0～1023の整数になります。
7行目：analog_dataから求められた電圧を格納する変数。こちらは、実数型です。
9行目：A0に入力された値をanalog_dataに代入します。
11行目：analog_dataから電圧を算出しvoltageに代入します。analog_data=0が0.0V、analog_data＝1023が5.0Vになります。
12～14行目：シリアルモニターに出力します。