介紹

脈寬調(diào)制（簡(jiǎn)稱PWM）是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，有很多應(yīng)用，讓我們先來(lái)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(shù)，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(qǐng)注意，該信號(hào)完全是數(shù)字信號(hào)，因?yàn)樗词情_/高，要么是關(guān)/低。這與正弦波不同，正弦波是模擬的，在整個(gè)波段內(nèi)平滑過(guò)渡（請(qǐng)參閱我們關(guān)于模擬和數(shù)字信號(hào)的文章）。

還要注意的是，對(duì)于方波來(lái)說(shuō)，信號(hào)有一半的時(shí)間是開啟的，有一半的時(shí)間是關(guān)閉的。

波形的開啟部分被稱為占空比，它是信號(hào)提供功率/做功/值班的時(shí)間比例。對(duì)于方波來(lái)說(shuō)，這是50%的時(shí)間，意味著信號(hào)有50%的占空比；也就是說(shuō)，如果周期是1s（頻率是1Hz），那么信號(hào)將在0.5s內(nèi)開啟，0.5s內(nèi)關(guān)閉。

波形的正極或開啟部分也可以被認(rèn)為是能量脈沖。通過(guò)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(chǎn)生了術(shù)語(yǔ)脈沖寬度調(diào)制（修改脈沖的寬度）。

PWM的主要用途

脈寬調(diào)制（以下簡(jiǎn)稱PWM）是數(shù)字系統(tǒng)生成模擬輸出的一種方式（通過(guò)將PWM信號(hào)通過(guò)一些附加電路和/或機(jī)械系統(tǒng)）。PWM的一些應(yīng)用示例包括：

（1）PWM信號(hào)可用于通過(guò)將信號(hào)通過(guò)低通濾波器來(lái)產(chǎn)生模擬電壓。

（2）PWM可用于按比例控制直流電機(jī)的速度。

（3）PWM用于設(shè)置某些類型的伺服電機(jī)的位置。

（4）PWM可用于控制加熱元件產(chǎn)生的熱量。

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

（6）PWM可以用來(lái)控制燈泡或LED的（表面）亮度。

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

PWM 轉(zhuǎn)模擬信號(hào)

讓我們看一下將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓的情況。為此，我們需要一個(gè)低通濾波器（請(qǐng)參閱我們關(guān)于濾波器的文章）。

5V數(shù)字PWM轉(zhuǎn)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(dǎo)致對(duì)輸入變化的響應(yīng)更快，但輸出抖動(dòng)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(dǎo)致1V的輸出（5V*20%=1V）：

反之，80%的占空比將導(dǎo)致4V的輸出（5V*80%=4V）：

增加PWM的頻率也會(huì)減少輸出的抖動(dòng)：

請(qǐng)注意，這反過(guò)來(lái)意味著可以使用相對(duì)較低的電阻或電容值，因此對(duì)輸入變化的響應(yīng)相對(duì)較快。這是PWM的一般規(guī)則：PWM頻率越高，輸出越平滑，響應(yīng)越靈敏。

然而，關(guān)于響應(yīng)性，請(qǐng)記住，為了提高響應(yīng)性，系統(tǒng)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(yīng)該增加。在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，系統(tǒng)的平滑元件可能是系統(tǒng)的慣性（質(zhì)量）后面會(huì)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(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，或者受限于輸出系統(tǒng)中的開關(guān)元件的反應(yīng)速度--例如，一個(gè)繼電器可能需要幾毫秒的時(shí)間來(lái)切換，或者一個(gè)閥門可能需要一些時(shí)間來(lái)打開/關(guān)閉。

正如我們的無(wú)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(yīng)用的首選。

嵌入式PWM

大多數(shù)現(xiàn)代微控制器有內(nèi)置的PWM外設(shè)，可以在一定的頻率和分辨率范圍內(nèi)產(chǎn)生PWM輸出。如果需要的頻率低于PWM外設(shè)所能產(chǎn)生的頻率，那么可以通過(guò)使用定時(shí)器中斷和手動(dòng)設(shè)置引腳的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在Arduino中，analogWrite()函數(shù)直接生成一個(gè)PWM輸出：

帶機(jī)械元件的PWM

對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，系統(tǒng)的平滑元素通常是系統(tǒng)的慣性--意味著系統(tǒng)對(duì)輸入變化的反應(yīng)速度。這在我們的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器文章中使用了飛輪/旋轉(zhuǎn)木馬的概念。

想象一下，我們?cè)谛D(zhuǎn)木馬上增加了一個(gè)噴水裝置，而且我們可以用一個(gè)電磁閥打開和關(guān)閉該噴水裝置。如果我們打開閥門，那么旋轉(zhuǎn)木馬的速度就會(huì)加快，如果我們關(guān)閉閥門，那么由于空氣和軸承的阻力，旋轉(zhuǎn)木馬的速度自然會(huì)再次減慢。

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，加速度=力/質(zhì)量。如果我們假設(shè)力是恒定的（對(duì)于PWM，通常假設(shè)力是恒定的，因?yàn)椴ㄐ蔚碾妷菏呛愣ǖ?-我們現(xiàn)在不會(huì)比這更復(fù)雜，我們假設(shè)水壓是恒定的），那么我們可以看到，加速度完全取決于質(zhì)量（慣性）。

旋轉(zhuǎn)木馬旋轉(zhuǎn)的速度將由以下公式給出：速度=加速度x時(shí)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(shí)間內(nèi)受力（50%的占空比），那么速度也將是持續(xù)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(guò)改變占空比，我們可以從數(shù)字輸入（控制水射流完全開啟或完全關(guān)閉）產(chǎn)生模擬輸出（速度）。

有一些方面我們還沒有詳細(xì)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(guān)閉速度的限制，而且系統(tǒng)中的抖動(dòng)（對(duì)于一個(gè)給定的頻率）將取決于旋轉(zhuǎn)木馬的質(zhì)量，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)木馬總是在加速（噴水器打開）或減速（空氣/軸承阻力），但質(zhì)量越大，由于這些力量造成的加速度（速度變化）就越小（抖動(dòng)越小）。

同樣的原理適用于由磁場(chǎng)（而不是由噴水）驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)、水箱中的加熱元件、直流電燈泡，等等。通過(guò)PWM使LED明顯變暗是由于我們眼睛的光學(xué)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(jié)

總的來(lái)說(shuō)，PWM的原理非常簡(jiǎn)單，將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為模擬輸出。系統(tǒng)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(diào)諧限制因應(yīng)用而異。

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