介紹

脈寬調制（簡稱PWM）是一個簡單的概念，有很多應用，讓我們先來看一下方波。

波形具有一定的頻率。波形的頻率和周期是彼此的倒數，即頻率 = 1/周期和周期 = 1/頻率。周期為 1s 表示頻率為 1Hz。周期 0.1s 表示頻率為 10Hz，周期 10s 表示頻率為 0.1Hz。請注意，該信號完全是數字信號，因為它要么是開/高，要么是關/低。這與正弦波不同，正弦波是模擬的，在整個波段內平滑過渡（請參閱我們關于模擬和數字信號的文章）。

還要注意的是，對于方波來說，信號有一半的時間是開啟的，有一半的時間是關閉的。

波形的開啟部分被稱為占空比，它是信號提供功率/做功/值班的時間比例。對于方波來說，這是50%的時間，意味著信號有50%的占空比；也就是說，如果周期是1s（頻率是1Hz），那么信號將在0.5s內開啟，0.5s內關閉。

波形的正極或開啟部分也可以被認為是能量脈沖。通過修改脈沖的寬度（占空比），我們可以改變波形中能量的比例。

由此產生了術語脈沖寬度調制（修改脈沖的寬度）。

PWM的主要用途

脈寬調制（以下簡稱PWM）是數字系統生成模擬輸出的一種方式（通過將PWM信號通過一些附加電路和/或機械系統）。PWM的一些應用示例包括：

（1）PWM信號可用于通過將信號通過低通濾波器來產生模擬電壓。

（2）PWM可用于按比例控制直流電機的速度。

（3）PWM用于設置某些類型的伺服電機的位置。

（4）PWM可用于控制加熱元件產生的熱量。

（5）PWM用于降壓和升壓轉換器，將輸入電壓降至較低電壓或升至較高電壓（請參閱我們的降壓和升壓轉換器文章）。

（6）PWM可以用來控制燈泡或LED的（表面）亮度。

在某些情況下，輸出是一個電壓或電流，在其他情況下，它是一個物理量，如力/位置/熱/亮度，但在所有情況下，通過使用PWM，輸出可以在完全開啟的最大值和完全關閉的最小值之間平滑地縮放。

PWM 轉模擬信號

讓我們看一下將PWM信號轉換為模擬電壓的情況。為此，我們需要一個低通濾波器（請參閱我們關于濾波器的文章）。

5V數字PWM轉換為2.5V模擬輸出（5V *50%= 2.5V）。

較小的R（電阻）或C（電容）值將導致對輸入變化的響應更快，但輸出抖動更多（反之亦然）。

改變占空比將改變輸出電壓。例如，20%的占空比將導致1V的輸出（5V*20%=1V）：

反之，80%的占空比將導致4V的輸出（5V*80%=4V）：

增加PWM的頻率也會減少輸出的抖動：

請注意，這反過來意味著可以使用相對較低的電阻或電容值，因此對輸入變化的響應相對較快。這是PWM的一般規則：PWM頻率越高，輸出越平滑，響應越靈敏。

然而，關于響應性，請記住，為了提高響應性，系統中的平滑元件（上述例子中的電阻電容低通濾波器）必須變小。或者，輸入功率水平（上述例子中的輸入波形電壓）應該增加。在一個機械系統中，系統的平滑元件可能是系統的慣性（質量）后面會有更多介紹。

PWM頻率的高低總是有上限的--這可能受限于生成PWM的數字系統的時鐘頻率，或者受限于輸出系統中的開關元件的反應速度--例如，一個繼電器可能需要幾毫秒的時間來切換，或者一個閥門可能需要一些時間來打開/關閉。

正如我們的無源濾波器文章中所述，也可以使用電感-電阻低通濾波器：

然而，由于所需的頻率較低/元件尺寸較小，電阻器-電容器濾波器通常是這種特殊應用的首選。

嵌入式PWM

大多數現代微控制器有內置的PWM外設，可以在一定的頻率和分辨率范圍內產生PWM輸出。如果需要的頻率低于PWM外設所能產生的頻率，那么可以通過使用定時器中斷和手動設置引腳的高低來實現。

在Arduino中，analogWrite()函數直接生成一個PWM輸出：

帶機械元件的PWM

對于機械系統，系統的平滑元素通常是系統的慣性--意味著系統對輸入變化的反應速度。這在我們的降壓和升壓轉換器文章中使用了飛輪/旋轉木馬的概念。

想象一下，我們在旋轉木馬上增加了一個噴水裝置，而且我們可以用一個電磁閥打開和關閉該噴水裝置。如果我們打開閥門，那么旋轉木馬的速度就會加快，如果我們關閉閥門，那么由于空氣和軸承的阻力，旋轉木馬的速度自然會再次減慢。

根據牛頓第二運動定律，加速度=力/質量。如果我們假設力是恒定的（對于PWM，通常假設力是恒定的，因為波形的電壓是恒定的--我們現在不會比這更復雜，我們假設水壓是恒定的），那么我們可以看到，加速度完全取決于質量（慣性）。

旋轉木馬旋轉的速度將由以下公式給出：速度=加速度x時間。從這些公式中我們可以看出，速度與力成正比，如果只在50%的時間內受力（50%的占空比），那么速度也將是持續受力的50%。10%的占空比意味著10%的速度，90%的占空比意味著90%的速度，以此類推。由此我們可以看出，通過改變占空比，我們可以從數字輸入（控制水射流完全開啟或完全關閉）產生模擬輸出（速度）。

有一些方面我們還沒有詳細研究，例如與水射流方向相反的阻力的具體情況，以及水射流與中心的距離將如何影響，但我們所研究的足以涵蓋PWM原理。我們可以注意到，PWM的最大頻率將受到控制噴水器的螺線管打開和關閉速度的限制，而且系統中的抖動（對于一個給定的頻率）將取決于旋轉木馬的質量，這是因為旋轉木馬總是在加速（噴水器打開）或減速（空氣/軸承阻力），但質量越大，由于這些力量造成的加速度（速度變化）就越小（抖動越小）。

同樣的原理適用于由磁場（而不是由噴水）驅動的直流電動機、水箱中的加熱元件、直流電燈泡，等等。通過PWM使LED明顯變暗是由于我們眼睛的光學幀速率（視覺的持久性），這是我們另一篇文章要講的主題。

小結

總的來說，PWM的原理非常簡單，將數字輸入轉換為模擬輸出。系統中的變量是力（電壓）、頻率、占空比和平滑元件的慣性；而這些的調諧限制因應用而異。

*本文章版權歸英國LABCENTER公司所有，由廣州風標電子提供翻譯，原文鏈接如下：*https://www.labcenter.com/blog/sim-pwm-signals/