Arduino I/O 之模拟输出

模拟输出，即用于输出的 pin （管脚，也叫 GPIO）能输出“连续”的电压值，不像数字输出只能输出 0V 和 5V

模拟输出对应的函数是：

analogWrite(pin，value)

value 取值 0 ~ 255，值越小输出电压越低。可以看作把 5V 电压“均分”成 256 份，value 值看作取多少份

用于模拟输出的 pin，在大多数 Arduino 板子上（用 ATMEGA168 和 ATMEGA328）只能是 pin 3, 5, 6, 9, 10, 11。在 Arduino Mega 上为 2 ~ 13

把一个普通 LED 发光二极管，正极接在 pin 3 上，负极接地，如下程序可以实现 LED 由暗变亮的过程（LED 的亮度对电压敏感）：

uint8_t brightness = 0;
uint8_t led_pin = 3;

void setup()
{
  pinMode(led_pin, OUTPUT);
}

void loop()
{
  analogWrite(led_pin, brightness++);
  delay(1000);
  analogWrite(led_pin, 0);
  if(brightness >= 12) brightness = 0;
}

深入模拟输出

对于只有 '0' 和 '1' 的数字电路，要产生类似模拟信号的连续输出，用的是 PWM (Pulse Width Modulation) 技术。

PWM (Pulse Width Modulation)，即：脉冲宽度调制，是一种使用数字方法获得模拟结果（连续）的技术。数字电路产生方波（一种在开/关之间跳变的信号），比较容易

如下一段程序使用 Arduino 的数字输出 pin 4，产生一段方波（其周期为 1ms）：

uint8_t pin = 4;
uint16_t cycle = 1000;    // 周期是 1000 微秒
uint16_t duty = 500;      // 高电平持续时间是 500 微秒

void setup()
{
  pinMode(pin, OUTPUT);
  digitalWrite(pin, LOW);
}

void loop()
{
  digitalWrite(pin, HIGH);
  delayMicroseconds(duty);
  digitalWrite(pin, LOW);
  delayMicroseconds(cycle - duty);
}

示波器的波形是这样的：

下面这个程序：

uint8_t pin = 4;
uint16_t cycle = 1000;    // 周期是 1000 微秒
uint16_t duty = 800;      // 高电平持续时间是 800 微秒

void setup()
{
  pinMode(pin, OUTPUT);
  digitalWrite(pin, LOW);
}

void loop()
{
  digitalWrite(pin, HIGH);
  delayMicroseconds(duty);
  digitalWrite(pin, LOW);
  delayMicroseconds(cycle - duty);
}

也生成方波，周期也是 1ms，不同的是，一个周期内高电平的持续时间占整个周期的80%，更方便地，常把这个 80% 称为占空比

示波器的波形：

PWM 是使用数字输出，通过控制高电平和低电平所占的时间，就能模拟出介于高电平（5V）和低电平（0V）之间的电压。高电平的持续时间称为脉冲宽度。要获得不同的模拟值，你只需要改变（调制）脉冲的宽度。如果这个高-低组合的变化速度足够快，在LED示例中的结果看起来就象是一个稳定在0－5V之间的电压在控制LED的亮度

对于下面的程序：

void setup()
{
  pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
}

void loop()
{
  analogWrite(3, 127);
  analogWrite(5, 204);
}

在 Arduino Leonardo 上，pin 3 的输出波形为：

在 Arduino Leonardo 上，pin 5 的输出波形为：

可以看出，在 Arduino Leonardo 上，analogWrite() 使用的方波周期为 1ms；127 时，占空比为 50%；204 时，占空比为 80

使用万用表的直流电压挡，测得 pin 3 的电压为 2.5V (5V x 50%)，pin 5 的电压为 4V (5V x 80%)