Arduino PWM Sound Output – Part 2

Arduino PWM サウンド出力 – パート 2

前回の記事では、Arduino で PWM を使う理論をすべて解説し、Timer 1 を使ってピン 9 で PWM 出力を生成する例を示しました。

今回の記事では、Timer 2 を使ってピン 3 でオーディオ信号を生成できる、別の PWM ルーチン一式を提供します。

本プロジェクトで使う主要な Arduino チュートリアル：

Arduino Foundations PWM

Sparkfun “What is Pulse-width Modulation”

Secrets of Arduino PWM

PWM DAC

Working with Atmel AVR Microcontroller Basic Pulse Width Modulation (PWM) Peripheral

Arduino を初めて使う方は、「Getting Started」ページをご覧ください。

部品リスト

Arduino Uno

10 kΩ ポテンショメータ

220 Ω 抵抗 ×1 と 8 Ω スピーカー、または古いヘッドフォンのスピーカーユニット

ブレッドボードとジャンパーワイヤ

（オプション）出力を観測するためのオシロスコープ

https://gyazo.com/53afd03688e390f22255ffb476326c7a

これは前回と同じ回路ですが、音声出力がピン 3 から行われる点が異なります。そのため、ピン 3 を出力機器（スピーカー＋抵抗、または出力回路）に接続し、リターン（GND）を Arduino の GND に接続してください。

今回も Arduino PWM 出力フィルター回路を使い、小型のポータブルアンプとスピーカーに接続しています。

コード

この例では、Timer 1 の設定を Timer 2 に再現しようと試みましたが、問題があります。Timer 2 は 8 ビットタイマーなのでカウンタ値は最大 255 までしか扱えません。つまり、以前と同じようにカウンタ値 487 を使った FastPWM モードを利用できません。そこで次の二択になります：

PWM 周波数を 65 536 Hz に倍増し、カウンタ値を 243 にする

PWM Phase Correct モードを使う（このモードはカウントが一度上がってから戻るので、カウンタ値 244 で 32 768 Hz の PWM 周波数になる）

最初は Phase Correct モードを試しましたが、波形の途中に奇妙な“無音”区間が出てしまいました。アキュムレータは正常にカウントし、ウェーブテーブルからも正しい値を取り出しているように見えるのですが、なぜかその区間だけ音が出ません。

Phase Correct モードでは割り込みがサイクルの下端（0 カウント）で発生するため、FastPWM の上端（TOP カウント）で起きる場合と違いがあるのかもしれません。OC2A 比較マッチで割り込みをかけるようにも試しましたが、挙動は変わりませんでした。

また、サンプリングレートと PWM 周波数が同じ場合、位相ずれのような何かが起きているのではないかという疑問もありました。

最終的に私は、PWM モードを FastPWM（65 536 Hz）に戻し、サンプルレートはそのまま、割り込みが来るたびではなく「隔回」でサンプル出力する方式にしました。こうすれば、たとえ位相ずれがあっても、サンプル１回に対し少なくとも PWM サイクルが１回は挟まるはずです。

現在使用している設定は以下のとおりです：

サンプル周波数：32 768 Hz

PWM 周波数：65 536 Hz

Timer 2 を FastPWM モード、プリスケーラなし、OCR2A を TOP 値として 243 に設定

Timer 2 オーバーフロー割り込みでサンプル出力ルーチンを実行

OCR2B を比較マッチ出力先に設定し、OC2B（Uno のピン 3）が PWM 出力になるように使用

setup() 内で先に計算しておいた長さ 256 のウェーブテーブルを使用

A0 に接続したポテンショメータで、読み値 0 ～ 1023 を周波数 220Hz ～ 1243Hz にマッピング

この設定によるオーディオ特性は：

サンプルレート：32 768 Hz

PWM 振幅（ピーク・ツー・ピーク）：0 ～ 244

DC オフセット（バイアス）：122

ウェーブテーブル値：0 ～ 255

この方式で問題なく動作しています。

下の写真は、まずテスト用の 25% デューティー比 PWM 波（65 536 Hz）を表示し、その後フィルターを通した 220Hz の正弦波を捉えたものです。

コードが更新され、Timer 2 を使用してピン 3 から出力するビルドオプションが追加されました。

締めくくりの考察

いずれ「対応可能なすべてのピンでオーディオ PWM を扱える」ようなライブラリを作れたら素敵だと思います。そういったライブラリがすでに存在するのかは分かりませんが、これまでの調査では見かけていません。

上記や前回の記事で誤りや誤解があれば、ぜひお知らせください。また、Uno 上での PWM オーディオ向け汎用コードなど、ご存知でしたらご教示いただけると嬉しいです！

— Kevin