WM es el acrnimo de "Pulse WidthModulation", expresin que designa un modo

concreto de modulacin, la llamada "Modulacin deimpulsos en anchura". Inicialmente, esta tcnica se uti-lizaba casi exclusivamente para el control de potencia yvelocidad de motores de corriente continua, pero con eltiempo se ha ido ampliando el campo de aplicacin, porejemplo, en las fuentes de alimentacin conmutadas,onduladores c.c.-c.a., etc.; con ella se ha conseguidorealizar dispositivos mucho ms eficientes, ms com-pactos y ms ligeros. El presente artculo se destina a

describir en qu forma puede utilizarse un microcon-trolador PIC16F84 para generar una seal del tipoPWM con la que se regular la emisin luminosa de unLed y se controlar la velocidad de un pequeo motorde corriente continua: con esta base, el lector estarcapacitado para desarrollas sus propias aplicaciones.

Qu es la modulacin PWM?Qu es la modulacin PWM?

Antes de la puesta a punto de la tcnica PWM, la velo-cidad de un motor de corriente continua se regulaba

In Electronics

por Pietro Loglisci

In Electronics - n.08 1

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Se considera la forma deutilizar el microcontrola-dor Microchip PIC16F84(uno de las ms corrien-

tes y econmicos delmercado) para generarva software una sealmodulada por impulsos

(PWM) que puedeemplearse en numerosas

aplicaciones.

GenerGeneracin de sealesacin de sealesPWM con el micrPWM con el microcontrocontroo--

lador PIC16F84lador PIC16F84

2 In Electronics - n.08

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El micrEl microcontrocontrolador olador PIC16F84PIC16F84

Este es uno de los ms conocidos y ampliamente utilizados microcontroladores de 8bits del mercado. Su clsica configuracin de 18 patillas (Dual in Line 9 + 9) se repro-duce en estas pginas, junto al esquema de bloques interno. La tendin de alimenta-cin se aplica a las patillas VDD (positivo) y Vss (negativo, masa), que puede estarentre 2 y 6 V (valor tpico 5 V). La frecuencia de reloj depende de las caractersticasdel cuarzo o de la red RC conectada entre las patillas OSC1/CLKLIN y OSC2/CLKOUT;habitualmente se utiliza la frecuencia es de 4 MHz, pero el integrado puede funcionarcon una frecuencia de reloj de hasta 20 MHz (PIC16F84A). La CPU, del tipo RISC(Reduced Instruction Set Computer), puede elaborar hasta 35 instrucciones que se eje-cutan en un solo ciclo mquina (excepto las instrucciones desalto, que precisan de dos ciclos). La elevada velocidad con-seguida se debe a la tcnica especfica utilizada, denomina-da "pipeline" de dos estados, que consiste en ejecutar unainstruccin mientras en el registro de instruciones se cargala instruccin siguiente para su descodificacin. El micro-controlador dispone de 15 registros especiales, los msimportantes de los cuales son el Program Counter PC y elRegister Accumulator W. El primero aumenta automtica-mente durante la ejecucin de un programa para que puedacontener la direccin de la siguiente instruccin a ejecutar; elsegundo lo utiliza el microcontrolador para efectuar numero-sas operaciones aritmticas y de memorizacin simultneade datos. El RESET depende de la lnea MCLR (patilla 4). Elmicrocontrolador PIC16F84 dispone de 13 lneas de I/O bidi-reccionales instaladas en dos puertos, RA0RA4 yRB0RB7. Cada lnea puede conducir 25 mA como mximo.Para gestionar las interrupciones se dispone de cuatromodalidades, que pueden depender de eventos internos oexternos al microcontrolador. La lnea principal de interruptexterno se dirige a RB0/INT, mientras que el TIMER TMR0puede utilizarse como interrupt interno.

Caractersticas Tcnicas- Arquitectura RISC con 35 instruccionesi.- La mayor parte de las instrucciones se ejecuta en un ciclo mquina.- Mxima frecuencia de reloj: 20 MHz, ciclo mquina 20 nanosegundos.- 1024 localizaciones (14 bits) de memoria de programa.- 68 bytes de memoria RAM.- 64 bytes de memoria EEPROM.- Localizaciones de memoria de programa de 14 bits.- Localizaciones de memoria de datos de 8 bits.- 15 Registros Especiales.- rea de Stack de ocho niveles.- Direccionamiento inmediato, directo, indirecto.- Cuatro mtodos posibles de interrupt:

1. Interrupt externo mediante la lnea RB0/INT;2. Interrupt interno con TIMER TMR0;3. Interrupt externo sobre las lneas RB4RB7;4. Interrupt para escritura hasta localizacin de datos EEPROM.

Caractersticas de los Perifricos- 13 lneas bidireccionales de I/O;- Importante corriente entregada/absorbida sobre cada lnea:

1. 25 mA mx consumidos (sink) en cada puerta;2. 25 mA mx entregados (source) por cada puerta;

- TMR0: contador temporizados de 8 bits con preescaler programable.Especificaciones tcnicas:

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mediante un potencimetro o reos-tato en serie. Este "poco fino"mtodo comportaba un gran gastode energa, con mucha generacinde calor. Cuanta ms potencia,mayor desperdicio de energa. Unbuen da alguien tuvo una ideafeliz: aplicar toda la potencia dispo-nible, pero no continuadamentesino en forma de impulsos ms omenos breves. As fue como nacie-ron los circuitos "chopper", que enun primer momento se realizaron abase de semiconductores discretos.Puede hacerse un sencillo experi-mento con una pila y una bombilli-ta de filamento, como las de las lin-ternas de bolsillo. Soldar un polo dela pila a la bombillita con un tramode hilo conductor y cerrar el circui-to aproximando a mano el otropolo, a travs de otro tramo de hilo.Al hacer un contacto intermitente,juntanto y separando rpidamenteel terminal, se observar que, gra-cuas a la inercia de la resistencia ya la persistencia del ojo humano, labombillita lucir de forma casi esta-ble, aunque con una intensidadluminosa inferior. Se est aplicandontegramente la tensin de la pila

pero slo a intervalos. Dos parme-tros tienen suma importancia: eltiempo que la bombillita permanecealimentada (Ton) y el tiempo entredos impulsos de tensin (Toff).Dentro de un cierto periodo detiempo, cuanto menor sea la sumade tiempos en que la bombillitaqueda sin alimentar, mayor es laintensidad luminosa emitida. Deaqu sale la definicin de "ciclo detrabajo" (duty cycle): es el porcen-taje que indica el tiempo durante elcual la seal permanece a nivel alto,durante un periodo dado. El ejem-plo tpico de un ciclo de trabajo del50 % es una seal perfectamentecuadrada, como las que entreganlos generadores de seal. Una ten-sin de cero voltios corresponde aun ciclo de trabajo del 0 %. En lafig. 1, Ton representa el periododurante el cual la bombillita recibela tensin mxima y Toff es el tiem-po en que no recibe tensin alguna.Modificando la duracin relativa deestos tiempos se consigue modifi-car la tensin media que llega a loscontactos de la lmpara y, por con-siguiente, se regula su luminosidad.En la prctica, se acta sobre Ton yse mantiene constante la duracindel ciclo (Ton + Toff). O sea queslo se modifica el porcentaje rela-tivo de Ton y Toff respecto al diclototal. As, la seal PWM puededefinirse como una seal de tensinrectangular en la cual se ha previstouna determinada distribucin tem-poral entre impulso alto e impulsobajo. Admitiendo que Ttot no vara,al alargar la duracin de Ton, la deToff se acorta necesariamente.Aplicando una PWM a la alimenta-cin de un motor, si Ton representael 10 % del ciclo, la tensin apare-ce en bornes del motor a intervalosmuy cortos y el ciclo de trabajo esbajo. Pero si Ton representa el 90 %del ciclo, el motor recibe tensin aintervalos proporcionalmente muylargos y el ciclo de trabajo es eleva-do.

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Qu vQu ventajas ofrentajas ofrece la moduece la modu--lacin PWM? lacin PWM?

Si para la generacin de ondasPWM se recurre a un microcontro-lador, basta con un solo bit de sali-da para comandar el paso de On aOff; resulta un circuito sumamentesencillo y muy econmico. Por otraparte, para pilotar cargas con varia-cin de potencia, la seal PWMpermite elevados rendimientosreduciendo a un nivel mnimo elcalor generado por el sistema decontrol y por la carga, mientras questa trabaja siempre en condicionesptimas: todo abierto o todo cerra-do. Pero la ventaja principal de la

modulacin PWM es poder utilizarimpulsos de ataque de frecuenciaconstante: este concepto prefigurael uso de sistemas sincronizadospor un reloj (clock), es decir, porsistemas digitales. Actualmente, lageneracin de seales PWM se rea-

4 In Electronics - n.08

;Programa experimental para generar una seal PWM

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; DIRECTIVAS

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

PROCESSOR 16F84INCLUDE "P16F84.INC"

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; DECLARACIN DE VARIABLES

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CICLO E Q U 0C ;Para memorizar el ciclo de trabajo.CONTATORE_1 E Q U 0D ;Para memorizar el multiplicador d Ton.CONTATORE_2 E Q U 0E ;Memoria necesaria para DELAY_15s.

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; VECTOR DE RESET

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

O R G 00 ;Inicio en Reset.

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; CONFIGURACIN DE LAS PUERTAS

;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

BSF STATUS,RP0 ;Paso por Pgina1.MOVLW b00000000 ;Se configura el M O V W F TRISB ;PORTB en USCITA.

BCF STATUS,RP0 ;Regreso a Pgina0.

;-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; PROGRAMA PRINCIPAL;-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

MOVLW d127 ;Se define el ciclo deM O V W F CICLO ;trabajo (para un 50 %).

INIZIO MOVF CICLO,W ;Transferencia del contenido deM O V W F CONTATORE_1 ;CICLO en CONTATORE_1 (CONTATORE_1

;contiene 127).T_ON BSF P O RTB,0 ;Se pone a 1 la salida RB0 (encendido

;del diodo LED).CALL DELAY_15s ;Se llama la temporizazin y se DECFSZ CONTATORE_1,f ;repite per el nmero de veces G O TO T_ON ;especificado en CONTATORE_1 (aqu:127).MOVLW d255 ;Se carga CONTATORE_1 con 255 (valorM O V W F CONTATORE_1 ;mximo cargable en un octeto).MOVF CICLO,w ;Transferencia de CICLO a W.SUBWF CONTATORE_1,f ;Resta de 255 y el contenido de

;CICLO (aqu: 255-127 = 128).T_OFF BCF P O RTB,0 ;Se lleva a 0 la salida RB0 (se apaga

;el diodo LED).CALL DELAY_15s ;Se llama la temporizacin y se DECFSZ CONTATORE_1,f ;repite por el nmero de veces G O TO T_OFF ;especificado en CONTATORE_1 (aqui: 128).

G O TO INIZIO;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

; TEMPORIZACIN;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

DELAY_15s MOVLW d2M O V W F CONTATORE_2

TEMPO N O PDECFSZ CONTATORE_2,fG O TO TEMPO

G O TO FINE

FINE RETURN

END

LISTA D O E N A S S E M B L E RA S S E M B L E R

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In Electronics - n.08 5

jo del 50 y del 90 %, respectiva-mente. A estas tres seales PWM(digitales) corresponden 3 valoresanalgicos diferentes de la seal desalida: suponiendo una tensin dealimentacin de 5 voltios, a un ciclode trabajo del 10 % correspondeuna tensin de salida de 0,5 voltios;al 50 % la salida seria de 2,5 V y al90 % se obtendran 4,5 voltios.Pueden aplicarse estas correspon-dencias al ejemplo de la bombillita(fig. 2); se alimenta de la pila de 9voltios a travs de un interruptor enserie. Cerrando este interruptor 50milisegundos, abrindolo 50 mili-segundos y repitiendo esta opera-cin 10 veces por segundo, la ten-sin media aplicada a la bombillitano es la que produce el mximoencendido de sta: es como si seaplicasen 4,5 voltios. El ciclo detrabajo es del 50 % y la frecuenciade modulacin es de 10 hertzios.Esta frecuencia basta para un sen-cillo ejemplito como ste, pero esclaramente insuficiente para unaaplicacin prctica. En los alimen-tadores conmutados se utilizan fre-cuencias comprendidas entre 1 y200 kHz. Hay varias razones paraello: en el ejemplo de la fig. 2, si secierra el interruptor 10 segundos yse abre otros 10 segundos, aunqueel ciclo de trabajo siga siendo del50 %, la bombillita no luce como sise alimentase con 4,5 voltios, sino

que aparece 10 segundos apagada y10 segundos encendida. Asi, paraobtener una iluminacin homog-nea equivalente a la obtenida conuna pila de 4,5 voltios debe aumen-tarse la frecuencia hasta que la iner-cia resistiva de la bombillita y,sobre todo, la de la visin humana,hagan "desaparecer" los periodosde apagado.

CrCreando un preando un primer primer prooggrramaamaparpara el PICa el PIC

Aquellos lectores que tienen algnconocimiento previo sobre modula-cin PWM, y los que ya conocenlos rudimentos de la programacinde microcontroladores PIC, segura-mente ya saben utilizar esta tcnicapara encender y apagar un diodo, opara hacerlo parpadear. Ahora setrata de encenderlo hasta un ciertonivel de luminosidad. Ms adelantese ver cmo hacerlo progresiva ylentamente, creando el llamado"efecto crepuscular". El sencilloprograma descrito en el diagramade flujo de la fig. 3 es capaz deencender un Led a una intensidadinferior a la mxima. La configura-cin del PortB no merece demasia-dos comentarios: es el que se ocupade encender y apagar el Led. Loselementos que s deben considerar-se a fondo son:

a) la definicin del ciclo (para el clculo de Ton);

b) el clculo de Toff, y c) la temporizacin.

Un microcontrolador PIC con suoscilador interno controlado por uncristal de cuarzo de 4 MHz entregaimpulsos de 1 s, correspondientesa una frecuencia de 1 MHz. Estafrecuencia es demasiado elevadapara generar seales PWM, si seacepta como normativa la gamaentre 1 y 200 kHz. Por tanto, debereducirse mediante un ciclo de tem-porizacin: se enciende el Led, se

liza con circuitos basados en puer-tas lgicas (dispositivos TTL yCMOS) y microprocesadores omicrocontroladores programables(por ejemplo, el PIC16F84) queintegran circuitos capaces de gene-rar de forma autnoma sealesmoduladas con la tcnica PWM,con la ayuda de muy pocos compo-nentes perifricos especficos.

FFrrecuencia de modulacin ecuencia de modulacin

Aunque el porcentaje relativo entreTon y Toff pueda variar, y que, encierto sentido, este valor pueda con-siderarse un dato analgico, laseal PWM es una seal digitaldado que la tensin de salida slopuede asumir uno de los dos valoresdigitales posibles: o mximo onulo. Y eso, independientementedel instante considerado. Tensin ocorriente se entregan a la carga enforma de impulsos repetitivos.Como el ancho de banda es consi-derable, la tcnica PWM permiteobtener a la salida cualquier valorde tensin comprendido entre cerovoltios y la tensin de alimentacin.En la fig. 1, el caso a muestra unasalida PWM con un ciclo de traba-jo del 10 %, es decir, que la seal esmxima durante un 10 % del perio-do y baja durante el 90 % restante.Los casos b y c representan unasalida PWM con un ciclo de traba-

>Fig. 4

6 In Electronics - n.08

temporiza, se apaga el Led, se tem-poriza y se reinicia el ciclo. En rea-lidad, la duracin de Ton y Toff esel resultado de un clculo: Ton es elproducto de una constante definidapreviamente (CICLO) y guardadaen una memoria (CONTATORE_1)y la duracin de una temporizacin(de algunos microsegundos) cuyoobjetivo es reducir la frecuencia demodulacin hasta que quede com-prendida entre 1 y 100 kHz. Toff esla diferencia entre la duracin totalde CICLO (Ttot) y la duracin deTon: se dejar al propio PIC el tra-bajo de calcularlo. Como el micro-controlador trabaja con bytes de 8bits cuyo valor mximo puede lle-gar a 255 (decimal), se le da al PICla orden de calcular la diferencia255-Ton. El resultado, multiplicadopor el valor de la temporizacin,proporciona la duracin del tiempode apagado del Led (Toff).

La tabla de la fig. 4 ilustra sobre elfuncionamiento descrito.

En estas pginas se reproduce elprograma en Assembler que rigetoda esta actividad. Como puedeobservarse, se ha implantado unatemporizacin de 15 microsegun-dos (aunque podra ser ms larga)en funcin de la carga y del efectoque se desa obtener. La oscilacinde encendido del Led no es fcil deapreciar visualmente: s podrdetectarse midiendo la tensin desalida del PIC con un polmetro(tester) situado en la posicin delectura de tensiones continuas(CC); tambin pueden instalarsedos Leds idnticos, uno junto alotro, conectando uno de ellos alpuerto PORTB0 y el otro alPORTB1. El primero experimenta-r las variaciones de alimentacinderivadas de la modulacin PWM,mientras que el otro, que quedaralimentado de forma permanente,sirve de referencia. Pueden hacersems pruebas modificando solamen-

te el valor memorizado en CICLO.Si, por ejemplo, en lugar de 127 seintroduce 5, el microcontroladorcalcular automticamente un Tonde 75 s (5 x 15) y un Toff 3.750 s(250 x 15). Al comparar la ilumina-cin que emiten el Led pilotado porla onda PWM y el permanentemen-te encendido, la diferencia se obser-va a simple vista, mejor cuantomenores son los niveles de ilumina-cin, ya que el ojo humano distin-gue mejor las diferencias de luz aniveles bajos que a niveles altos.Sustituyendo el Led por un motorde corriente continua precedido deuna etapa buffer puede obtenerse elmismo efecto, si bien en este casoel resultado se manifestar por dife-rentes velocidades del motor (fig.5). El tipo de semiconductores y losvalores de las resistencias de basedependen del tipo de motor, msexactamente, de la tensin de ali-mentacin de ste y de la corriente

necesaria para su funcionamiento.

EfEfecto crecto creepuscularpuscular

El truco consiste en confiar al PICel clculo de la Toff, evitando aserrores en la distribucin de lasduraciones entre impulso alto eimpulso bajo en cada ciclo concre-to, lo que equivale a automatizar lasoperaciones de paso a un programacapaz de generar una seal PWMque se incremente por s sola,creando un efecto crepuscular. Coneste sistema es suficiente memori-zaar un cero (0) en la zona CICLOde la memoria y aadir al programauna sola instruccin (INCFCICLO) para que el Led se encien-da de forma progresiva. Vase elprograma modificado que se inclu-ye en estas pginas: con l se pro-duce el encendido del Led con efec-to alba. Para obtener el efecto inver-so (crepsculo, al apagarse gradual-

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Fig. 5

In Electronics - n.08 7

mente el Led) basta con interveniren la primera instruccin que apare-ce inmediatamente tras las etiquetasT_On y T_Off: para que se arran-que T_On con la instruccin BSFPORTB,0 habr que escribir BCFPORTB,0, y en lugar de iniciarT_Off con la instruccin BCFPORTB,0, basta con escribir BSFPORT,0. Para actuar sobre la pen-diente de las rampas o para modifi-car la duracin del efecto crepuscu-lar (es decir, para ralentizarlo o ace-lerarlo) deber intervenirse sobre laduracin de la subrutina de tempo-rizacin.

;Programa para generar una seal PWM con efecto crepuscular (alba) ;--------------------------------------------------------------------------

; DIRECTIVAS;--------------------------------------------------------------------------

PROCESSOR 16F84INCLUDE "P16F84.INC"

;--------------------------------------------------------------------------

; DECLARACIN DE VARIABLES;--------------------------------------------------------------------------

CICLO E Q U 0C ;Para memorizar el ciclo de trabajo.CONTATORE_1 E Q U 0D ;Para memorizar el multiplicador deTon.CONTATORE_2 E Q U 0E ;Memoria necesaria para DELAY_15s.;--------------------------------------------------------------------------

; VECTOR DE RESET;--------------------------------------------------------------------------

O R G 00 ;Inicio en Reset.

;--------------------------------------------------------------------------

; CONFIGURACIN DE LAS PUERTAS;--------------------------------------------------------------------------

BSF STATUS,RP0 ;Paso por Pgina1.MOVLW b00000000 ;Se configura el M O V W F TRISB ;PORTB en SALIDA.BCF STATUS,RP0 ;Retorno a Pgina0.

;-------------------------------------------------------------------------- PROGRAMA PRINCIPAL;--------------------------------------------------------------------------

BSF P O RTB,1 ;Encendido de un LED en modo;continuo;para verificar la;diferencia de luminosidad.

MOVLW d0 ;Se define el valor de inicioM O V W F CICLO ;de la rampa.

INIZIO INCF CICLO,f ;Se empieza a incrementar.MOVF CICLO,W ;Transferencia del contenido deM O V W F CONTATORE_1 ;CICLO en CONTADOR_1.

T_ON BSF P O RTB,0 ;Se lleva a 1 la salida RB0;(encendido del diodo LED).

CALL DELAY_15s ;Se llama la temporizacin;e la si

DECFSZ CONTATORE_1,f ;Repite el nmero de veces G O TO T_ON ;especificado en CONTADORE_1.MOVLW d255 ;Se carga CONTATORE_1 con 255

;(valorM O V W F CONTATORE_1 ;mximo cargable en un

;octeto).MOVF CICLO,w ;Transferencia de CICLO a W.SUBWF CONTATORE_1,f ;Resta de 255 y el

;contenido de CICLO.T_OFF BCF P O RTB,0 ;Se lleva a 0 la salida RB0

;(apagado ;del diodo LED).

CALL DELAY_15s ;Se llama la temporizacin;y se la repite

DECFSZ CONTATORE_1,f ;el nmero de veces G O TO T_OFF ;especificado en CONTATORE_1.

G O TO INIZIO;-------------------------------------------------------------------------

; TEMPORIZZAZIONE;-------------------------------------------------------------------------

DELAY_15s MOVLW d2M O V W F CONTATORE_2

TEMPO N O PDECFSZ CONTATORE_2,fG O TO TEMPOG O TO FINE

FINE RETURNEND

E F F E C TO C R E P U S C U L A RC R E P U S C U L A R