はじめに

色々調べた結果の自分用メモ。
人が見てもわかりやすいようにする。

使えるピン

Pin	Timer	CMPn
D9	A0	0
D10	A0	1
D5	A0	2
D6	B0	-
D3	B1	-

Timerの特徴

Timer A
- 周波数を変更すると、Delay、Millis、Microsが狂う
  - 厳密には上記はTCB3で制御されているが、TCA0を参照しているため影響を受ける
Timer B
- 周波数に柔軟性がない
- Aとは制御の仕方がちょっと違う

ざっくりとした使い方

決められた択から周波数を選ぶ形でよい場合
- 周波数だけ高速化して、analogWriteで動かす
同上、だがMillisとかが狂うと困る場合
- 周波数の択は狭まるが、Timer B でやる
周波数を自分で作りたい
- 細かいところまで調整する
- ただしanalogWriteだとDuty比の設定範囲に制限がでてしまうので、違う動かし方を使う
  - 入れたいDuty比が制限範囲内に収まるならanalogWriteも可

Timer A (TCA0)

Split Modeという分割モード（16bitの枠を8bit x2にするモード）もあるが、デフォルトのNormal Modeの話で進める。

周波数の計算式は以下のとおり。

fPWM_SS [Hz] = fCLK_PER / N(PER+1)

全部デフォルトだと下記のとおり。

fCLK_PER = クロック = 16MHz
N = TCAプリスケーラー = 64
PER = カウンター分解能 = 255

クロックジェネレータの選択

特別な事情がなければ変更不要。後の計算で使うので把握しておくだけ。

CLKCTRL.MCLKCTRLA
- CPUクロック（デフォルト）
  - 弄ってなければ 16MHz。弄ったら20MHz
- 内蔵水晶発振子
  - 32 KHz
- 外部水晶発振子
  - 32.768 KHz

TCA 周波数選択（プリスケーラー選択）

択から周波数を選ぶだけでよいなら、これだけ変更すればOK

TCA0_SINGLE_CTRLA
- 0b1011（デフォルト）
  - DIV64, enable
  - = 16,000,000 / (64 * (255 + 1)
  - = 976 Hz
- 一番速いDIV1の場合で 62,500 Hz
- 最下位ビットは有効フラグなので1にしておく
- 以後のビットからの数値
- 詳細はデータシートの 20.5.1 Control A を参照

TCA 周波数カスタマイズ（カウンター分解能調整）

択からの選択では物足りない場合に使用する。
analogWriteにも反映される。

TCA0.SINGLE.PER
- 255（デフォルト）
- 16bitなので、上限は 65535
- 例えば 25000 Hz を作りたい場合は、DIV4の31250Hzをベースに以下の計算で作成する
  - 倍率 = 元になる周波数 / 作りたい周波数
  - 31250 / 25000 = 1.25
  - 255 * 1.25 = 318.75
  - ≓ 319

TCA Duty比の制限範囲を考える

analogWriteで入力できる値は255まで
- 分解能調整でPERを255を超える値にした場合でも、変わらず255まで
  - 255を超えた分のDuty比を指定できなくなる
- 例えば25000Hzを作るために 319 に変更した場合、analogWriteで設定できるDuty比の上限は以下のとおり
  - 255 / 319 ≓ 80%
- この枠内を超えるDuty比を入れたい場合は次の項目に進む

TCA analogWriteとは違う形でDuty比設定＆出力

Duty比設定
- TCA0.SINGLE.CMPnBUF
  - CMP n BUF のnの部分は冒頭の表を参照
  - TCA0.SINGLE.PERを上限とした数値で指定する
  - 倍率指定で入れてOK。50%を指定するならこんな感じ
    - TCA0.SINGLE.CMP0BUF = TCA0.SINGLE.PER * 0.5;
    - loop内で随時変更可
pin出力開始
- TCA0.SINGLE.CTRLB
  - 下位8bitで波形モード選択
    - PWMを作るならデフォルトの0x3をそのまま使用する
  - 上位8bitのうちの下位3bitでピンの有効化を行う
    - 0x40 D5
    - 0x20 D10
    - 0x10 D9
  - 厳密には有効化というよりはピン操作のオーバーライド
  - 詳細はデータシートの20.5.2 Control B - Normal Mode を参照
- pinMode(pin, OUTPUT/INPUT)
  - CTRLBでピン有効化した場合は、この時点でPWM出力が始まる

TCA サンプルコード（pin9）

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  delay(100);

  ////TCAプリスケーラーを64(0b1011)から2(0b11)に ⇒ fPWM_SS 16000000 / (2 * 256) = 31250 Hz
  TCA0.SINGLE.CTRLA = 0b011; 

  //目標値の25000 Hz にするためには、分解能（TOP）を調整する
  // 31250 / 25000 = 1.25
  // 255 * 1.25 = 318.75 ≓ 319
  TCA0.SINGLE.PER = 319;

  //Duty初期値設定（50%）
  TCA0.SINGLE.CMP0BUF = 158;

  //PWM出力設定（これて常時WriteされるためloopでのWriteは不要）
  //処理中にDutyを変更したい場合はCMPnBUFを 0～PER の範囲で変更する
  TCA0.SINGLE.CTRLB = 0x13; //Bit4 = CMP0 = pin9
  pinMode(9, OUTPUT);
}

void loop() {
}

Timer B (TCB0 / TCB1)

TCAとの違い

周波数指定の範囲が狭い
- クロック分解能（CLK_PER）の選択肢が以下の3つのみ
  - DIV1
  - DIV2
  - TCA0と同じ値
- ピンの指定の仕方が異なる
  - TCAではTCA0のCMPnBUFの数値だったが、TCBではTCB0かTCB1かで指定
  - 続くレジスタ名はTCB0で記載する
- bitモード選択がない
  - 元々使ってないからいいとして、レジスタの指定の仕方が異なる
  - TCBではSINGLE/SPLITがいらないので名前が短い
- 生成できる波形の種類が少ない
  - 代わりに他の機能が設けられている
  - いずれにしても、PWMが欲しい場合には気にする必要なし
- カウンター分解能が低い
  - TCAの16bit（65535）に対し、こちらは8bit（255）
    - カウンター分解能調整による周波数調整の仕方が

TCB 周波数選択（周波数の取得元選択）

択から周波数を選ぶだけでよいなら、これだけ変更すればOK。

TCB0_CTRLA
- 先述のとおり以下の三択
  - DIV1
  - DIV2
  - TCA0_SINGLE_CTRLA で指定したのと同じ値
- 最下位ビットは有効フラグなので1にしておく
- 詳細はデータシートの 21.5.1 Control A を参照

TCB 周波数カスタマイズ（カウンター分解能調整）

択からの選択では物足りない場合に使用する。
analogWriteには反映されない。

TCB0.CCMPL
- 255（デフォルト）
- 8bitなので、上限は 255
  - 倍率 = 元になる周波数 / 作りたい周波数
  - デフォルトが上限値なので、倍率調整は下げる方（周波数が速くなるほう）しかできない

TCB analogWriteとは違う形でDuty比設定＆出力

Duty比設定
- TCB0.CCMPH
  - TCB0.CCMPLを上限とした数値で指定する
pin出力開始
- TCB0.CTRLB
  - 下位4bitで波形モード選択
    - PWMを作るならデフォルトの0x3（0b111）をそのまま使用する
  - 上位4bitのうちの下位1bitでピンの有効化を行う
    - TCB0.CTRLB = 0b10111;
  - 厳密には有効化というよりはピン操作のオーバーライド
  - 詳細はデータシートの21.5.2 Control B を参照
  - CTRLBでピン有効化した場合は、この時点でPWM出力が始まる
    - pinModeはいらない

TCB サンプルコード（pin6）

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  delay(100);

  //TCB0周波数を CLK_PER/2（31250Hz） に
  TCB0.CTRLA = 0b11; 

  //目標値を40000 Hzとして、分解能（TOP）を調整する
  // 31250 / 40000 = 0.78125
  // 255 * 0.78 = 199
  TCB0.CCMPL = 199;

  //Duty初期値設定（50%）
  TCB0.CCMPH = 100;

  //PWM出力設定（これて常時WriteされるためloopでのWriteは不要）
  //処理中にDutyを変更したい場合はCMPnBUFを 0～PER の範囲で変更する
  TCB0.CTRLB = 0b10111;
  //pinModeはいらない
}

void loop() {
}

参考文献