Arduino Nanoで作る1MHz対応 矩形波発生器 ─ PWM周波数・デューティ比可変

概要

TimerOneライブラリを活用し、Arduino NanoのD9ピンから約5Hz〜1MHzの矩形波（PWM）を出力する発生器を自作します。周波数・デューティ比ともにボタンでリアルタイム調整可能、16×2 LCDでパラメータを表示します。

必要な部品

• Arduino Nano R3 ×1
• 16×2 キャラクタLCD（白文字/青背景） ×1
• タクトスイッチ ×3個
• 10kΩ 半固定抵抗（LCDコントラスト用） ×1
• プルアップ抵抗（内部プルアップ使用可）
• Arduino IDE

回路構成

• D9：PWM出力（Timer1出力ピン）
• D6：周波数ダウンボタン
• D7：周波数アップボタン
• D13：デューティ比アップボタン
• LCD：RS=D12, E=D11, D4〜D7 = D5〜D2

動作原理

Timer1の16ビットカウンタを用い、クロック分周比を固定（1/1）としてOCR1Aで周期を、OCR1Bでデューティ比を制御します。最小ステップ1μsのため、高周波側では周波数分解能が粗くなります（1μs=1MHz, 2μs=500kHz, 3μs≈333kHz…）。

ボタン操作の加速機能

長押し時間に応じて変化量を段階的に加速：

• 0〜30ループ：±1μs
• 30〜60ループ：±10μs
• 60〜100ループ：±100μs
• 100ループ以上：±1000μs

周期範囲は1μs〜200,000μs（5Hz〜1MHz）に制限。

表示内容

行	表示項目
1行目	周期 T=xxxx μs / デューティ比 xx%
2行目	周波数 F=xxxxxx Hz

サンプルコード

#include 
#include 

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
unsigned long period = 1000;  // μs (初期 1kHz)
unsigned int duty = 512;      // 0-1023 (50%)

int btnDec = 6, btnInc = 7, btnDuty = 13;
int holdDec = 0, holdInc = 0;

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  pinMode(9, OUTPUT);
  pinMode(btnDec, INPUT_PULLUP);
  pinMode(btnInc, INPUT_PULLUP);
  pinMode(btnDuty, INPUT_PULLUP);
  Timer1.initialize(period);
  Timer1.pwm(9, duty);
}

void loop() {
  // 周波数ダウン
  if (!digitalRead(btnDec)) {
    holdDec++;
    if (holdDec < 30) period -= 1;
    else if (holdDec < 60) period -= 10;
    else if (holdDec < 100) period -= 100;
    else period -= 1000;
  } else holdDec = 0;

  // 周波数アップ
  if (!digitalRead(btnInc)) {
    holdInc++;
    if (holdInc < 30) period += 1;
    else if (holdInc < 60) period += 10;
    else if (holdInc < 100) period += 100;
    else period += 1000;
  } else holdInc = 0;

  // 範囲制限
  period = constrain(period, 1, 200000);

  // デューティ比調整（循環）
  if (!digitalRead(btnDuty)) {
    duty = (duty + 16) % 1024;  // 16/1024 ≈ 1.56% ステップ
    delay(50); // チャタリング防止
  }

  Timer1.initialize(period);
  Timer1.pwm(9, duty);

  // LCD表示
  unsigned long freq = 1000000UL / period;
  int dutyPct = duty * 100 / 1024;
  
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("T="); lcd.print(period); lcd.print(" us");
  lcd.setCursor(12, 0);
  lcd.print(dutyPct); lcd.print(" %");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("F="); lcd.print(freq); lcd.print(" Hz");
  
  delay(300);
  lcd.clear();
}

実用上の注意点

• 高周波（>100kHz）ではブレッドボードの配線容量で波形が鈍るため、短い配線・グランド強化推奨
• 1MHz付近ではTimer1.initialize(1)がギリギリ動作するが、ジッタが大きい
• より高精度・広帯域が必要なら、AD9833等のDDSチップ検討を

まとめ

少ない部品で手軽に作れる実験用・学習用矩形波発生器として優秀です。LCD表示付きでスタンドアロン動作し、電子工作のテスト信号源として活躍します。