جلسه هفتم

مقدمه

در ادامه مباحث جلسه قبل، در این جلسه با حالت‌های پیشرفته‌تر واحد زمان‌سنج/شمارنده میکروکنترلر آشنا می‌شویم. این حالت‌ها امکان اندازه‌گیری دقیق زمان، تولید امواج کنترلی و پیاده‌سازی سیستم‌های صنعتی و دقیق را فراهم می‌کنند.

دو قابلیت مهمی که بررسی می‌کنیم عبارت‌اند از:

• حالت Capture Input برای اندازه‌گیری دقیق زمان بین رویدادهای ورودی


• حالت PWM برای تولید سیگنال‌های پالسی با عرض قابل‌تنظیم

۱) مقدمه‌ای بر حالت‌های پیشرفته تایمر

تایمرها فقط برای تأخیر و شمارش ساده استفاده نمی‌شوند. در بسیاری از کاربردهای واقعی مانند اندازه‌گیری فرکانس، کنترل سرعت موتورهای DC، کنترل شدت نور LED و تولید سیگنال‌های دوره‌ای دقیق، لازم است از حالت‌های پیشرفته‌تر تایمر استفاده شود.

دو حالت مهم و کاربردی عبارت‌اند از:

• Input Capture


• PWM (Pulse Width Modulation)

این دو حالت تقریباً در تمام کاربردهای حرفه‌ای الکترونیک دیجیتال دیده می‌شوند.

۲) حالت Capture Input چیست؟

حالت Capture برای اندازه‌گیری دقیق زمان وقوع یک رویداد استفاده می‌شود.

به عبارت دیگر، میکروکنترلر با دیدن یک لبه مشخص در ورودی، مقدار فعلی شمارنده تایمر را «ثبت» می‌کند.

کاربردهای معمول:

• اندازه‌گیری دوره زمانی یک سیگنال


• اندازه‌گیری فرکانس ورودی


• سنجش فاصله بین دو رویداد (Timing)


• استفاده در سنسورهایی که خروجی پالس دارند

۳) نحوه عملکرد Input Capture

مکانیزم عملکرد به‌صورت خلاصه:

1. تایمر در حال شمارش است و مقدار آن دائم در حال افزایش.


2. یک پایه ورودی به حالت Capture اختصاص داده می‌شود.


3. با مشاهده رویداد (مثلاً لبه بالا رونده سیگنال)، مقدار شمارنده در یک ثبات ویژه ذخیره می‌شود.


4. پردازنده بدون نیاز به بررسی مداوم ورودی، مقدار ثبت‌شده را می‌خواند.

این سازوکار باعث می‌شود:

• زمان‌سنجی بسیار دقیق انجام شود


• خطاهای ناشی از تأخیر پردازنده از بین برود


• نیاز به Polling حذف شود

۴) مثال مفهومی از Input Capture

فرض کنید سیگنالی ورودی دارید که می‌خواهید فرکانس آن را اندازه بگیرید.

با Capture:

• لبه اول → مقدار تایمر ثبت می‌شود


• لبه دوم → مقدار تایمر دوباره ثبت می‌شود


• اختلاف این دو مقدار = دوره زمانی سیگنال


• فرکانس = عکس دوره زمانی

این روش در ابزارهای اندازه‌گیری و کنترل سرعت بسیار کاربرد دارد.

۵) آشنایی با PWM (Pulse Width Modulation)

PWM روشی برای تولید سیگنال مربعی با دوره ثابت و عرض پالس قابل‌تنظیم است.

در این روش:

• فرکانس ثابت است


• نسبت زمان روشن بودن به دوره کل تغییر می‌کند

این نسبت را Duty Cycle می‌نامند.

۶) کاربردهای PWM

PWM از پرکاربردترین قابلیت‌های تایمر است. برخی استفاده‌های رایج:

• کنترل سرعت موتورهای DC


• کم‌/زیاد کردن نور LED


• تولید سیگنال‌های با توان متوسط قابل تنظیم


• کنترل سرووموتورها


• تولید تن صدا در برنامه‌های صوتی ساده

در بسیاری از پروژه‌ها، بدون PWM امکان کنترل دقیق وجود ندارد.

۷) نحوه تولید PWM توسط تایمر

فرآیند کلی:

1. 
   

   تعیین فرکانس

   
   
   
   
   • بر اساس مقدار دوره تایمر و Prescaler تنظیم می‌شود.
   
   
   
   


2. 
   

   تعیین Duty Cycle

   
   
   
   
   • با مقایسه مقدار شمارنده با یک مقدار مرجع، عرض پالس تنظیم می‌شود.
   
   
   
   


3. 
   

   خروجی روی پایه مخصوص PWM

   
   
   
   
   • تایمر به‌صورت خودکار پالس را تولید کرده و روی پایه خروجی می‌دهد.
   
   
   
   

مزیت مهم:

سیگنال PWM بدون درگیری پردازنده و کاملاً سخت‌افزاری تولید می‌شود.

۸) انواع حالت‌های PWM

در میکروکنترلرها معمولاً چند حالت مختلف وجود دارد:

• Fast PWM
  
  
  
  • تولید سریع پالس با فرکانس بالا
  
  
  
  


• Phase Correct PWM
  
  
  
  • مناسب برای کنترل دقیق‌تر موتور
  
  
  
  


• Phase and Frequency Correct PWM
  
  
  
  • مناسب برای کاربردهایی که پایداری فرکانس مهم است
  
  
  
  

هر حالت بسته به نیاز پروژه انتخاب می‌شود.

۹) ارتباط Capture و PWM در یک سیستم واقعی

بسیاری از سیستم‌ها از هر دو قابلیت استفاده می‌کنند:

• Capture برای اندازه‌گیری ورودی


• PWM برای تولید خروجی کنترلی

مثلاً:

• سرعت یک موتور اندازه‌گیری می‌شود (با Capture)


• و سرعت موتور تنظیم می‌شود (با PWM)

این ترکیب اساس کنترل حلقه بسته در سیستم‌های موتور، رباتیک و تجهیزات صنعتی است.

جمع‌بندی جلسه

در این جلسه با حالت‌های پیشرفته تایمر آشنا شدیم:

• Input Capture برای اندازه‌گیری دقیق زمان و فرکانس


• PWM برای تولید سیگنال پالس با عرض قابل تنظیم

این دو قابلیت از مهم‌ترین ابزارهای مهندسی در پروژه‌های عملی هستند و پایه بسیاری از سیستم‌های کنترل، اندازه‌گیری و تولید سیگنال را تشکیل می‌دهند.