什么是PWM：脉冲宽度调制的基本原理

逆变器、转换器、SMPS 电路和速度控制器......在所有这些电路中常见的一件事是它内部包含许多电子开关。这些开关不过是 MOSFET、IGBT、TRIAC等电力电子设备。为了控制这些电力电子开关，我们通常使用称为 PWM 信号（脉冲宽度调制）的东西。除此之外，PWM 信号还用于驱动伺服电机以及其他简单的任务，例如控制 LED 的亮度。

在之前已经介绍过ADC，而 ADC 用于通过微控制器等数字设备读取模拟信号。PWM 可以被认为与它完全相反，PWM 用于从微控制器等数字设备产生模拟信号。在本文中，我们将了解什么是 PWM、 PWM 信号以及与之相关的一些参数，以便我们有信心在设计中使用它们。

什么是 PWM（脉冲宽度调制）？

PWM代表脉冲宽度调制，目前将 PWM 理解为一种可以由数字 IC（如微控制器或555 定时器）产生的信号。这样产生的信号将具有一串脉冲，并且这些脉冲将是方波的形式。也就是说，在任何给定的时间点，波浪要么是高的，要么是低的。为了便于理解，让我们考虑一个 5V PWM 信号，在这种情况下，PWM 信号将是 5V（高）或接地电平 0V（低）。信号保持高电平的持续时间称为“开启时间”，信号保持低电平的持续时间称为“关闭时间”。

对于 PWM 信号，我们需要查看与其相关的两个重要参数，一个是 PWM 占空比，另一个是 PWM 频率。

PWM 的占空比

如前所述，PWM 信号会在特定时间内保持打开状态，然后在剩余时间段内保持关闭状态。使这个 PWM 信号特别和更有用的是，我们可以通过控制 PWM 信号的占空比来设置它应该保持多长时间。

PWM 信号保持高电平（开启时间）的时间百分比称为占空比。如果信号始终打开，则占空比为 100%，如果始终关闭，则占空比为 0%。计算占空比的公式如下所示。

占空比=开启时间/（开启时间+关闭时间）

下图表示占空比为 50% 的 PWM 信号。如您所见，考虑到整个时间段（开启时间 + 关闭时间），PWM 信号仅在 50% 的时间段内保持开启。

通过控制占空比从 0% 到 100%，我们可以控制 PWM 信号的“开启时间”，从而控制信号的宽度。由于我们可以调制脉冲的宽度，所以它的标志性名称是“脉冲宽度调制”。

PWM 的频率

PWM 信号的频率决定了 PWM 完成一个周期的速度。如上图所示，一个周期是 PWM 信号的完整 ON 和 OFF 时间。计算频率的公式如下

频率 = 1/时间段

时间段 = 开启时间 + 关闭时间

通常由微控制器产生的 PWM 信号约为 500 Hz，这样的高频将用于高速开关设备，如逆变器或转换器。但并非所有应用都需要高频。例如，要控制伺服电机，我们需要产生频率为 50Hz 的 PWM 信号，因此 PWM 信号的频率也可以由所有微控制器的程序控制。

关于 PWM 的一些常见问题

PWM信号的占空比和频率有什么区别？

PWM 信号的占空比和频率经常被混淆。众所周知，PWM 信号是具有特定开启时间和关闭时间的方波。这个开启时间和关闭时间的总和称为一个时间段。一个时间周期的倒数称为频率。而 PWM 信号在一个时间段内应保持开启的时间量由 PWM 的占空比决定。

简单来说，PWM信号开启和关闭的速度取决于PWM信号的频率，而在这个速度下，PWM信号应该保持开启多长时间取决于PWM信号的占空比。

如何将 PWM 信号转换为模拟电压？

对于简单的应用，例如控制直流电机的速度或调整 LED 的亮度，我们需要将 PWM 信号转换为模拟电压。这可以通过使用RC 滤波器轻松完成，并且通常用于需要 DAC 功能的地方。相同的电路如下所示

在上图中，黄色的是 PWM 信号，蓝色的是输出模拟电压。电阻 R1 和电容 C1 的值可以根据 PWM 信号的频率来计算，但通常使用 5.7K 或 10K 的电阻和 0.1u 或 1u 的电容。

如何计算PWM信号的输出电压？

PWM 信号转换为模拟信号后的输出电压将是占空比的百分比。例如，如果工作电压为 5V，那么 PWM 信号在高电平时也会有 5V。在这种情况下，对于 100% 占空比，输出电压将为 5V，对于 50% 占空比，它将为 2.5V。

输出电压 = 占空比 (%) * 5

例子：

在多项目中都使用了 PWM 和各种微控制器：

• 使用 ATmega32 进行脉宽调制
• 带有 Arduino Uno 的 PWM
• 使用 PIC 微控制器生成 PWM
• 树莓派 PWM 教程
• 使用 Raspberry Pi 进行伺服电机控制
• 使用 MSP430G2 进行脉宽调制 (PWM)
• STM32F103C8 中的脉宽调制 (PWM)
• 使用 Raspberry Pi 进行伺服电机控制
• 使用 Raspberry Pi 进行直流电机控制
• 1 瓦 LED 调光器
• 使用 PWM 的基于 Arduino 的 LED 调光器

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