Proteus ：一起来了解PWM信号！

介绍

脉宽调制（简称PWM）是一个简单的概念，有很多应用，让我们先来看一下方波。

波形具有一定的频率。波形的频率和周期是彼此的倒数，即频率 = 1/周期和周期 = 1/频率。周期为 1s 表示频率为 1Hz。周期 0.1s 表示频率为 10Hz，周期 10s 表示频率为 0.1Hz。请注意，该信号完全是数字信号，因为它要么是开/高，要么是关/低。这与正弦波不同，正弦波是模拟的，在整个波段内平滑过渡（请参阅我们关于模拟和数字信号的文章）。

还要注意的是，对于方波来说，信号有一半的时间是开启的，有一半的时间是关闭的。

波形的开启部分被称为占空比，它是信号提供功率/做功/值班的时间比例。对于方波来说，这是50%的时间，意味着信号有50%的占空比；也就是说，如果周期是1s（频率是1Hz），那么信号将在0.5s内开启，0.5s内关闭。

波形的正极或开启部分也可以被认为是能量脉冲。通过修改脉冲的宽度（占空比），我们可以改变波形中能量的比例。

由此产生了术语脉冲宽度调制（修改脉冲的宽度）。

PWM的主要用途

脉宽调制（以下简称PWM）是数字系统生成模拟输出的一种方式（通过将PWM信号通过一些附加电路和/或机械系统）。PWM的一些应用示例包括：

（1）PWM信号可用于通过将信号通过低通滤波器来产生模拟电压。

（2）PWM可用于按比例控制直流电机的速度。

（3）PWM用于设置某些类型的伺服电机的位置。

（4）PWM可用于控制加热元件产生的热量。

（5）PWM用于降压和升压转换器，将输入电压降至较低电压或升至较高电压（请参阅我们的降压和升压转换器文章）。

（6）PWM可以用来控制灯泡或LED的（表面）亮度。

在某些情况下，输出是一个电压或电流，在其他情况下，它是一个物理量，如力/位置/热/亮度，但在所有情况下，通过使用PWM，输出可以在完全开启的最大值和完全关闭的最小值之间平滑地缩放。

PWM 转模拟信号

让我们看一下将PWM信号转换为模拟电压的情况。为此，我们需要一个低通滤波器（请参阅我们关于滤波器的文章）。

5V数字PWM转换为2.5V模拟输出（5V *50%= 2.5V）。

较小的R（电阻）或C（电容）值将导致对输入变化的响应更快，但输出抖动更多（反之亦然）。

改变占空比将改变输出电压。例如，20%的占空比将导致1V的输出（5V*20%=1V）：

反之，80%的占空比将导致4V的输出（5V*80%=4V）：

增加PWM的频率也会减少输出的抖动：

请注意，这反过来意味着可以使用相对较低的电阻或电容值，因此对输入变化的响应相对较快。这是PWM的一般规则：PWM频率越高，输出越平滑，响应越灵敏。

然而，关于响应性，请记住，为了提高响应性，系统中的平滑元件（上述例子中的电阻电容低通滤波器）必须变小。或者，输入功率水平（上述例子中的输入波形电压）应该增加。在一个机械系统中，系统的平滑元件可能是系统的惯性（质量）后面会有更多介绍。

PWM频率的高低总是有上限的--这可能受限于生成PWM的数字系统的时钟频率，或者受限于输出系统中的开关元件的反应速度--例如，一个继电器可能需要几毫秒的时间来切换，或者一个阀门可能需要一些时间来打开/关闭。

正如我们的无源滤波器文章中所述，也可以使用电感-电阻低通滤波器：

然而，由于所需的频率较低/元件尺寸较小，电阻器-电容器滤波器通常是这种特殊应用的首选。

嵌入式PWM

大多数现代微控制器有内置的PWM外设，可以在一定的频率和分辨率范围内产生PWM输出。如果需要的频率低于PWM外设所能产生的频率，那么可以通过使用定时器中断和手动设置引脚的高低来实现。

在Arduino中，analogWrite()函数直接生成一个PWM输出：

带机械元件的PWM

对于机械系统，系统的平滑元素通常是系统的惯性--意味着系统对输入变化的反应速度。这在我们的降压和升压转换器文章中使用了飞轮/旋转木马的概念。

想象一下，我们在旋转木马上增加了一个喷水装置，而且我们可以用一个电磁阀打开和关闭该喷水装置。如果我们打开阀门，那么旋转木马的速度就会加快，如果我们关闭阀门，那么由于空气和轴承的阻力，旋转木马的速度自然会再次减慢。

根据牛顿第二运动定律，加速度=力/质量。如果我们假设力是恒定的（对于PWM，通常假设力是恒定的，因为波形的电压是恒定的--我们现在不会比这更复杂，我们假设水压是恒定的），那么我们可以看到，加速度完全取决于质量（惯性）。

旋转木马旋转的速度将由以下公式给出：速度=加速度x时间。从这些公式中我们可以看出，速度与力成正比，如果只在50%的时间内受力（50%的占空比），那么速度也将是持续受力的50%。10%的占空比意味着10%的速度，90%的占空比意味着90%的速度，以此类推。由此我们可以看出，通过改变占空比，我们可以从数字输入（控制水射流完全开启或完全关闭）产生模拟输出（速度）。

有一些方面我们还没有详细研究，例如与水射流方向相反的阻力的具体情况，以及水射流与中心的距离将如何影响，但我们所研究的足以涵盖PWM原理。我们可以注意到，PWM的最大频率将受到控制喷水器的螺线管打开和关闭速度的限制，而且系统中的抖动（对于一个给定的频率）将取决于旋转木马的质量，这是因为旋转木马总是在加速（喷水器打开）或减速（空气/轴承阻力），但质量越大，由于这些力量造成的加速度（速度变化）就越小（抖动越小）。

同样的原理适用于由磁场（而不是由喷水）驱动的直流电动机、水箱中的加热元件、直流电灯泡，等等。通过PWM使LED明显变暗是由于我们眼睛的光学帧速率（视觉的持久性），这是我们另一篇文章要讲的主题。

小结

总的来说，PWM的原理非常简单，将数字输入转换为模拟输出。系统中的变量是力（电压）、频率、占空比和平滑元件的惯性；而这些的调谐限制因应用而异。

*本文章版权归英国LABCENTER公司所有，由广州风标电子提供翻译，原文链接如下：*https://www.labcenter.com/blog/sim-pwm-signals/