الخرج التماثلي: PWM وDAC

7.1 مبدأ تعديل عرض النبضة – עיקרון PWM (Pulse Width Modulation)

لا يستطيع الطرف الرقمي إعطاء 1.65 V. لكنه يستطيع التبديل بين 0 و3.3 V بسرعة كبيرة. إذا كان الحمل أبطأ من التبديل، كالعين أو المحرّك، فهو يشعر بالمتوسّط فقط.

7.2 المخرج board.pwm والأمر duty_u16 – פקודות PWM

ننشئ المخرج بالدالة board.pwm(pin, freq). وكما في read_u16، يأخذ duty_u16 عددا بين 0 و65535 في كل اللوحات، فيكون N = D · 65535. فدورة عمل 30% تعني N = 19661.

import board
import time

led = board.pwm(board.LED_EXT, 1000)

for percent in (0, 25, 50, 100):
    duty = percent * 65535 // 100
    led.duty_u16(duty)
    v = duty * 3.3 / 65535
    print("%3d%%  duty_u16 = %5d  Vavg = %.3f V" % (percent, duty, v))
    time.sleep(1)

  0%  duty_u16 =     0  Vavg = 0.000 V
 25%  duty_u16 = 16383  Vavg = 0.825 V
 50%  duty_u16 = 32767  Vavg = 1.650 V
100%  duty_u16 = 65535  Vavg = 3.300 V

7.3 تعتيم الضوء بمقياس الجهد – עמעום נורית בפוטנציומטר

نجمع الآن الفصلين: board.analog_in من الفصل 6 يعطي 0–65535، وduty_u16 يأخذ 0–65535، فلا حاجة إلى أي تحويل. ومقاومة التوالي تحدّد التيار. بجهد أمامي نموذجي 2 V تعطي 330 Ω تيارا قدره 3.9 mA، وهي قيمة صغيرة وآمنة للطرف.

import board
import time

pot = board.analog_in(board.POT)
led = board.pwm(board.LED_EXT, 1000)

while True:
    raw = pot.read_u16()
    led.duty_u16(raw)
    print("duty_u16 = %5d  (%3.0f%%)" % (raw, raw * 100 / 65535))
    time.sleep(1)

duty_u16 =     0  (  0%)
duty_u16 = 32776  ( 50%)
duty_u16 = 65535  (100%)
...

7.4 المحرّك المؤازر – סרבו (Servo)

المحرّك المؤازر (סרבו) لا يقرأ الجهد المتوسّط، بل عرض النبضة (רוחב פולס). نرسل نبضة كل 20 ms، أي بتردد 50 Hz. والعرض النموذجي بين 0.5 ms و2.5 ms يقابل زاوية بين 0° و180°. هذه قيم نموذجية تختلف بين الطرازات، فنراجع ورقة بيانات المحرّك.

ومنها قيمة duty_u16: N = t_pT · 65535. فلمنتصف المجال: N = 1.520 · 65535 = 4915.

نضع هذا الحساب في مكتبة نعيد استعمالها، ونعطيها كائن PWM جاهزا، فتبقى مستقلة عن اللوحة:

# servo.py - a hobby servo on any PWM output, the same on every board.
# (c) 2026 Fahed Ghanem - MIT License - fahed-lab.com

PERIOD_US = 20000


class Servo:
    def __init__(self, pwm, min_us=500, max_us=2500):
        self.pwm = pwm
        self.min_us = min_us
        self.max_us = max_us
        pwm.freq(50)

    def pulse(self, us):
        us = max(self.min_us, min(self.max_us, us))
        self.pwm.duty_u16(int(us * 65535 / PERIOD_US + 0.5))

    def angle(self, deg):
        deg = max(0, min(180, deg))
        span = self.max_us - self.min_us
        self.pulse(self.min_us + span * deg / 180)

    def off(self):
        self.pwm.duty_u16(0)

import board
import time
from servo import Servo

arm = Servo(board.pwm(board.SERVO, 50))

for deg in (0, 90, 180):
    arm.angle(deg)
    print("angle %3d  duty_u16 = %d" % (deg, arm.pwm.duty_u16()))
    time.sleep_ms(500)

angle   0  duty_u16 = 1638
angle  90  duty_u16 = 4915
angle 180  duty_u16 = 8192

7.5 الطنّان والتردد – זמזם ותדר (Buzzer)

حتى الآن غيّرنا دورة العمل وثبّتنا التردد. في الطنّان (זמזם) السلبي نفعل العكس: التردد هو النغمة، ودورة العمل 50% تكفي. ونغمات السلّم الموسيقي تتضاعف كل 12 درجة، فيعطينا f = 440 · 2^n/12 النغمة التي تبعد n درجة عن A4. أما الطنّان الفعّال فله مذبذب داخلي، ويطلق نغمة واحدة بمجرد تغذيته، فلا يفيده تغيير التردد.

import board
import time

buzzer = board.pwm(board.BUZZER, 440)

for n, name in ((0, "A4"), (3, "C5"), (7, "E5")):
    f = int(440 * 2 ** (n / 12) + 0.5)
    buzzer.freq(f)
    buzzer.duty_u16(32768)
    print(name, f, "Hz")
    time.sleep_ms(300)

buzzer.duty_u16(0)

A4 440 Hz
C5 523 Hz
E5 659 Hz

7.6 المحوّل الرقمي التماثلي – ממיר D/A, רק ב-ESP32 (DAC)

حسب التوثيق، يوجد في ESP32 على الطرفين 25 و26، ويأخذ write عددا من 8 بتّات، بين 0 و255. ولا يوجد في Pico W، ولا في Raspberry Pi 4/5. ونسخ أخرى من شرائح ESP32 تختلف في ذلك، فنراجع توثيقها.

وجهد المخرج V = N255 · V_ref، حيث N العدد المكتوب وV_ref نحو 3.3 V.

لنتأكد، نوصل الطرف 25 بالطرف 34 بسلك، ونقرأ ما كتبناه بالمحوّل الذي نعرفه:

import board
import time
from machine import DAC, Pin

dac = DAC(Pin(board.DAC_OUT))
adc = board.analog_in(board.POT)

for n in (0, 128, 255):
    dac.write(n)
    time.sleep_ms(10)
    v = adc.read_u16() * 3.3 / 65535
    print("write %3d  read back %.3f V" % (n, v))

write   0  read back 0.000 V
write 128  read back 1.657 V
write 255  read back 3.300 V

7.7 على Pico W: مرشّح RC – PWM עם מסנן RC

ما دام Pico W بلا محوّل رقمي تماثلي، نمرّر موجة PWM في مرشّح (מסנן) من مقاومة ومكثّف. المكثّف يشحن ويفرغ قليلا في كل دورة، فيبقى الجهد عليه قرب المتوسّط مع تموّج (אדווה) صغير.

import board

out = board.pwm(board.LED_EXT, 20000)

for v in (0.5, 1.0, 1.65, 2.5):
    out.duty_u16(int(v / 3.3 * 65535 + 0.5))
    print("%.2f V  duty_u16 = %5d" % (v, out.duty_u16()))

0.50 V  duty_u16 =  9930
1.00 V  duty_u16 = 19859
1.65 V  duty_u16 = 32768
2.50 V  duty_u16 = 49648

7.8 محرّك التيار المستمر – מנוע DC (DC Motor)

المحرّك يحتاج إلى تيار أكبر بكثير مما يعطيه طرف المتحكّم، ولا نوصله بالطرف أبدا. الطرف يتحكّم في مفتاح فقط، وهو ترانزستور (טרנזיסטור)، وتيار المحرّك يأتي من تغذية منفصلة. وعندما ينفتح المفتاح يحاول ملف المحرّك إبقاء تياره، فيولّد جهدا عاليا قد يتلف الترانزستور. لذلك نضع بالتوازي مع المحرّك ثنائي الدوران الحرّ (דיודת חופש)، فيجد التيار طريقا يتلاشى فيه.

الترانزستور يدير المحرّك في اتجاه واحد. ولعكس الاتجاه نحتاج إلى جسر H (גשר H): أربعة مفاتيح، إغلاق S1 وS4 يمرّر التيار في اتجاه، وإغلاق S3 وS2 يعكسه. ولا يجوز إغلاق مفتاحين في جهة واحدة معا، لأن ذلك قصر مباشر على التغذية. في الشرائح الجاهزة نرسل PWM إلى أحد مدخلي الشريحة و0 إلى الآخر.

import board
import time

in1 = board.pwm(board.LED_EXT, 1000)
in2 = board.pwm(board.BUZZER, 1000)

def drive(percent):
    duty = abs(percent) * 65535 // 100
    a = duty if percent > 0 else 0
    b = duty if percent < 0 else 0
    in1.duty_u16(a)
    in2.duty_u16(b)
    print("speed %4d%%  in1 = %5d  in2 = %5d" % (percent, a, b))

for speed in (60, 100, 0, -50, 0):
    drive(speed)
    time.sleep_ms(500)

speed   60%  in1 = 39321  in2 =     0
speed  100%  in1 = 65535  in2 =     0
speed    0%  in1 =     0  in2 =     0
speed  -50%  in1 =     0  in2 = 32767
speed    0%  in1 =     0  in2 =     0

7.9 على Raspberry Pi 4/5

لا توجد machine، ولا مخرج تماثلي. المكتبة gpiozero تعطي الصنف PWMLED، وخاصيته value بين 0 و1، وتردده الافتراضي 100 Hz حسب توثيقها. وللقراءة من مقياس جهد نعود إلى ADS1115 في الفصل 6. لم يُشغَّل هذا القطع عند بناء الكتاب.

from gpiozero import PWMLED
from signal import pause

led = PWMLED(18)
led.value = 0.25
pause()

أهمّ أفكار الفصل:

• الطرف الرقمي لا يعطي إلا مستويين، وPWM يعتمد على حمل أبطأ من التبديل.
• duty_u16 يأخذ 0–65535 مثل read_u16، فيتصل مقياس الجهد بالضوء مباشرة.
• المحرّك المؤازر يقرأ عرض النبضة، والطنّان يقرأ التردد.
• DAC جهد حقيقي من 8 بتّات على ESP32 وحده، وعلى Pico W نستعمل PWM مع مرشّح RC.
• لا تيار حمل من طرف المتحكّم: ترانزستور أو جسر H، مع ثنائي الدوران الحرّ.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: