概要
Arduinoで正弦波を作ります。UNOでは本当のアナログ出力（DAC）はできないのでPWM出力とSIN関数を使用して疑似正弦波を出力してみます。
PWM出力（青）のデューティ比を変化させて正弦波/SIN（赤）となるように疑似的に出力電圧を制御します。縦波か横波かの違い、PWM出力で縦波（疎密波）を作り出すイメージ？？
順にプログラムしながら確認していこうと思います。
SIN関数のグラフ化
まずは単純にArduinoのSIN関数で正弦グラフを作ってみます。
//sin関数
//2025/04/21 imo Lab.
//https://garchiving.com
int16_t deg;
void setup() {
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
Serial.println(sin(deg * PI / 180.0));
deg == 360 ? deg = 0 : deg += 1;
delay(10);
}
SIN関数をグラフ化しているだけのプログラムです。1度ごと0度～360度までのSIN計算の繰り返しをシリアル送信してます。delayで少し遅くしています。
IDEのシリアルプロッタで確認。問題無く正弦波が計算されてます。ただこのままでは値が -1～1 で少し扱いづらいので、0～1の範囲になるように全振幅を半分にしてオフセットします。
0.5 + 0.5 * sin(deg * PI / 180.0)
0～1の範囲の正弦グラフです。次にこの値をそのままPWM出力のデューティ比に入れてみます。
疑似正弦波
先ほどの０～1のSIN関数値からPWM出力を使って疑似正弦波を出力してみます。
void loop() {
val = 0.5 + 0.5 * sin(deg * PI / 180.0);
deg == 360 ? deg = 0 : deg += 1;
analogWrite(3, (int16_t)255.0 * val);
delay(20);
}
まずは単純にPWM出力のデューティ比にSIN関数を入れてみます。3ピンから疑似正弦波が出力されます。実際にこのスケッチを書き込んで実測してみます。20msインターバルの360分割なので正弦波の周期はおよそ7.2sです。
3ピンの実測結果。上が出力そのままを計測。下がCRフィルターを通したものです。およそ7.2s周期で出力されてます。割と簡単に疑似正弦波の出力ができました。PWM周波数が490Hzなのとフィルター定数が合ってないのか平滑化しきれてません。
PWM周波数を変更
PWM周波数を高くしてみます。analogWriteでは周波数変更できないのでPwmOutクラスを使用。
//疑似正弦波 Arduino UNO R4
//2025/04/21 imo Lab.
//https://garchiving.com
#include "pwm.h"
PwmOut pwm3(3);
int16_t deg;
float val;
void setup() {
Serial.begin(115200);
pwm3.begin();
pwm3.period_us(100); //10kHz
}
void loop() {
val = 0.5 + 0.5 * sin(deg * PI / 180.0);
deg == 360 ? deg = 0 : deg += 1;
pwm3.pulse_perc(val * 100);
delay(20);
}
analogWrite()をPwmOut()に変更しているだけです。PWM周波数は10kHz。
PWM周波数変更した効果？なのかわかりませんが正弦波はだいぶ平滑化して測定できてます。次に正弦波の周期も変更してみます。
正弦波の周期を変更
もう少し周期を早くしてみます
void loop() {
currentTime = micros();
if (currentTime - loopTimer > 100) { //0.1ms
loopTimer = micros();
val = 0.5 + 0.5 * sin(deg * PI / 180.0);
deg == 360 ? deg = 0 : deg += 12;
pwm3.pulse_perc(val * 100);
}
}
delayでそのままループ周期を早くしてもよかったのですが、割り込みもどきで周期を調整。SIN関数の分解能も30まで下げて、0.1ms×30で周期3ms(333Hz)程の正弦波にしてます。
先ほどのソースで実測してみました。あまり正確ではないですがおおむね狙った周波数は出ています。
ブラシレスモーターを制御する目的で今回はArduinoで疑似正弦波を作成してみました。そのうちきちんとしたオシロが欲しいです。
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