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TP 3 : PWM & ADC

Chapitres utiles du datasheet ATmega324P

    1. Configuration des broches - section 1.1, page 15
    1. Timer/Compteur0 8 bits avec PWM - section 16.9, page 140
    1. Timer/Compteur1 16 bits avec PWM - section 17.14, page 173
    1. Timer/Compteur2 8 bits avec PWM et fonctionnement asynchrone - section 19.11, page 202

1. Modulation de largeur d’impulsion (PWM)​

La PWM (Pulse Width Modulation) est une technique utilisée pour contrôler la tension appliquée à un dispositif électronique en le commutant rapidement entre les états ON et OFF.

Cette commutation rapide produit une tension moyenne déterminée par le temps pendant lequel le signal reste ON par rapport à la durée totale du cycle — ce rapport est appelé le rapport cyclique (duty cycle).

PWM permet un contrôle numérique de signaux analogiques, par exemple :

  • Diminuer la luminosité d’une LED
  • Modifier la couleur des LED RGB
  • Ajuster la fréquence d’un buzzer
  • Régler la vitesse d’un moteur

1.1. Principe de fonctionnement​

Le rapport cyclique est exprimé en pourcentage du temps ON par rapport à la durée totale du cycle :

D[%]=tonton+toff⋅100=largeur_impulsionpeˊriode⋅100D[\%] = \frac{t_{on}}{t_{on} + t_{off}} \cdot 100 = \frac{largeur\_impulsion}{période} \cdot 100

La tension moyenne reçue par un dispositif est :

Vˉ=D⋅Vcc\bar{V} = D \cdot V_{cc}

Les signaux PWM sont généralement générés par des circuits numériques et des microcontrôleurs. L’ATmega324 utilise un compteur qui se réinitialise périodiquement et compare sa valeur à une référence (OCRn). Lorsque le compteur dépasse cette valeur, la sortie PWM change d’état.

🛠️ PWM via logiciel ?

La PWM peut aussi être implémentée en logiciel via :

  • Bit-banging
  • Timers avec ISR

Mais pour des PWM haute fréquence (par exemple en kHz pour les moteurs), la PWM matérielle est bien plus efficace car elle évite une surcharge CPU due aux interruptions fréquentes.

2. PWM sur les microcontrôleurs AVR​

Dans le TP précédent, nous avons vu que l’ATmega324 possède trois timers :

  • Timer0 (8 bits)
  • Timer1 (16 bits)
  • Timer2 (8 bits)

Chaque timer peut être configuré via les registres TCCRnA et TCCRnB, en utilisant les bits WGMnx pour choisir le mode :

  • Normal
  • CTC (Clear Timer on Compare Match)
  • Fast PWM (utilisé aujourd’hui !)
  • Phase Correct PWM, etc.

Chaque timer possède deux canaux de comparaison : OCnA et OCnB, reliés à des broches physiques spécifiques.

Aujourd’hui, nous allons nous concentrer sur le mode Fast PWM, adapté à des applications courantes comme le contrôle de luminosité ou la vitesse d’un moteur.

Fast PWM​

En mode Fast PWM, le timer compte uniquement sur le front montant de l’horloge. Les modifications du rapport cyclique sont immédiates, mais le signal n’est pas centré — des décalages peuvent apparaître.

Modes disponibles pour Timer1 :

  • Fast PWM 8 bits : TOP = 0x00FF
  • Fast PWM 9 bits : TOP = 0x01FF
  • Fast PWM 10 bits : TOP = 0x03FF
  • Fast PWM avec TOP dans ICR
  • Fast PWM avec TOP dans OCRnA
💡

Dans ce TP, nous utiliserons uniquement le mode Fast PWM 8 bits.

Supposons que Timer1 soit configuré en Fast PWM :

  • Avec le mode 10 pour COM1A1:COM1A0, la sortie OC1A reste HIGH jusqu’au seuil, puis LOW.
  • Pour un rapport cyclique de x% : OCR1A = x * TOP / 100

Exemple : Timer1 en Fast PWM 8 bits​

/* OC1A est PD5, doit être configuré en sortie */
DDRB |= (1 << PD5);

/* Mode Fast PWM 8 bits */
TCCR1A = (1 << WGM10);
TCCR1B = (1 << WGM12);

/* Mode non-inversé */
TCCR1A |= (1 << COM1A1);

/* Prescaler 1024 */
TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10);

/* Rapport cyclique 50% */
OCR1A = 127;

Convertisseur Analogique-Numérique (ADC)

Ce TP vise à vous familiariser avec le convertisseur ADC intégré dans l’ATmega324P.

1. Mesure de signaux analogiques​

Pour mesurer des signaux analogiques dans un système numérique, il faut les convertir en valeurs numériques discrètes.

Un ADC est un circuit qui convertit une tension analogique en valeur numérique.

Une caractéristique clé est la résolution, exprimée en bits, qui indique le nombre de valeurs possibles (2^N).

Exemple :

  • ADC 10 bits → 1024 valeurs
  • Plage 0–5V → résolution ≈ 4.8 mV

Théorème de Nyquist​

Pour reproduire un signal sans perte : ➡️ fréquence d’échantillonnage ≥ 2 × fréquence maximale

Exemples :

  • Voix : 20–4000 Hz
  • Téléphone : 8000 Hz
  • CD audio : 44100 Hz

Résolution​

  • 8 bits → 256 niveaux
  • 0–5V → ≈ 0.0195 V par niveau

Fréquence d’échantillonnage​

  • Doit respecter Nyquist
  • Sinon → aliasing

2. ADC du ATmega324P​

  • ADC à approximation successive
  • Résolution jusqu’à 10 bits
  • 8 entrées analogiques (port A)
  • Gain configurable : 1x, 10x, 200x

Registres :

  • ADCSRA, ADCSRB (contrôle)
  • ADMUX (sélection entrée + référence)

Résultat sur 10 bits → stocké en 2 registres (low + high)

Formules :

ADC = V_in * 1024 / V_ref  
V_in = ADC * V_ref / 1024

Tension de référence​

  • AVCC
  • Interne (1.1V / 2.56V)
  • Externe (AREF)

Prescaler​

F_ADC = F_CPU / PRESCALER
  • Valeurs : 2 → 128
  • Plus grand = plus précis

Modes de fonctionnement​

  • Conversion simple
  • Mode continu
  • Déclenchement externe
  • Mode comparateur
  • Mode timer

Exemple​

ADMUX = 0;
ADMUX |= (1 << MUX0);
ADMUX |= (1 << REFS0);

ADCSRA = 0;
ADCSRA |= (7 << ADPS0);
ADCSRA |= (1 << ADEN);

Lecture :

ADCSRA |= (1 << ADSC);
while (ADCSRA & (1 << ADSC));

uint16_t result = ADC;

3. Exercices​

Objectif : contrôler une LED RGB via PWM. starter project ZIP

Connexions :

  • Rouge : PD5
  • Vert : PD7
  • Bleu : PB3
Rappel

LED en anode commune (actif à l’état bas)

Tâche 1​

  • Exécuter le projet
  • Observer le comportement

Tâche 2​

Allumer la LED verte via interruptions.

Tâche 3​

Implémenter analogRead() :

  • Conversion simple
  • Bloquante
  • Retour valeur

Tâche 4​

Lire capteur température (PA0)

Tâche 5 (Bonus)​

Jouer une mélodie avec Timer1

4. Liens utiles​