脈寬調(diào)制（或簡稱PWM）是一個簡單的概念，有許多應(yīng)用。我們來看一個方波。

　　　波形有一定的頻率。波形的頻率和周期彼此相反，即頻率= 1/周期，周期= 1/頻率。1s的周期意味著1Hz的頻率。0.1s的周期表示10Hz的頻率，10s的周期表示0.1Hz的頻率

　　請注意，該信號完全是數(shù)字信號，要么為開/高電平，要么為關(guān)/低電平。例如，這不同于正弦波，正弦波是模擬的，在整個波形中平滑過渡（參見我們關(guān)于模擬和數(shù)字信號的文章）。

　　還要注意的是，對于方波，信號在一半時間內(nèi)是開啟的，在一半時間內(nèi)是關(guān)閉的。

　　波形的on部分稱為占空比——它是信號供電/做功/工作的時間比例。對于方波，這是50%的時間，意味著信號有50%的占空比；即，如果周期為1s（頻率為1Hz），則信號將開啟0.5s，關(guān)閉0.5s

　　波形的正部分也可以被認(rèn)為是一個能量脈沖。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。

　　　由此而來的術(shù)語脈寬調(diào)制（修改脈沖的寬度）。

　　PWM的主要用途

　　脈寬調(diào)制（以下簡稱為PWM）是數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生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(jī)械系統(tǒng)）。PWM的一些應(yīng)用示例如下：

　　PWM信號可用于通過低通濾波器產(chǎn)生模擬電壓。

　　PWM可用于按比例控制DC電機(jī)的速度。

　　PWM用于設(shè)置某些類型的伺服電機(jī)的位置。

　　PWM可用于控制加熱元件產(chǎn)生的熱量。

　　PWM用于降壓和升壓轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓向下轉(zhuǎn)換為較低電壓或向上轉(zhuǎn)換為較高電壓（參見我們的巴克和升壓轉(zhuǎn)換器文章）。

　　PWM可用于控制燈泡或LED的［表觀］亮度。

　　。。.還有很多很多。

　　在某些情況下，輸出是電壓或電流，在其他情況下，它是物理量，如力/位置/熱量/亮度，但在所有情況下，通過使用PWM，輸出可以在完全打開的最大值和完全關(guān)閉的最小值之間平滑縮放。

　　PWM到模擬信號

　　讓我們看看將PWM信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓的情況。為此，我們需要一個低通濾波器（參見我們的過濾文章）。

　　5V數(shù)字PWM轉(zhuǎn)換為2.5V模擬輸出（5V的50% = 2.5V）。

　　R（電阻）或C（電容）值越小，對輸入變化的響應(yīng)越快，但輸出抖動越大（反之亦然）。

　　改變占空比會改變輸出電壓。例如，20%的占空比將產(chǎn)生1V的輸出（5V的5V = 1V）：

　　相反，80%的占空比將產(chǎn)生4V的輸出（80%的5V = 4V）：

　　提高PWM的頻率也會降低輸出的抖動：

　　請注意，這反過來意味著可以使用相對較低的電阻和/或電容值，因此對輸入變化的響應(yīng)相對較快。這是PWM的一般規(guī)則：PWM頻率越高，輸出越平滑，響應(yīng)越快。

　　然而，關(guān)于響應(yīng)度，請記住，為了提高響應(yīng)度，系統(tǒng)中的平滑元件（上例中的電阻電容低通濾波器）必須做得更小?；蛘撸瑧?yīng)該增加輸入功率電平（上面例子中的輸入波形電壓）。在一個機(jī)械系統(tǒng)中，系統(tǒng)的平滑元素可能是系統(tǒng)的慣性（質(zhì)量）——后面會詳細(xì)介紹。

　　PWM頻率的上限總是存在的——這可能受到產(chǎn)生PWM的數(shù)字系統(tǒng)的時鐘頻率的限制，或者受到輸出系統(tǒng)中開關(guān)元件響應(yīng)速度的限制——例如，一個繼電器可能需要幾毫秒來切換，或者一個閥門可能需要一些時間來打開/關(guān)閉。

　　正如我們的無源濾波器文章中，也可以使用電感-電阻低通濾波器：

　　然而，由于所需的頻率/元件尺寸較低，阻容濾波器通常更適合這種特殊應(yīng)用。

　　嵌入式PWM

　　大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都內(nèi)置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，那么可以使用定時器中斷并手動將引腳設(shè)置為高電平和低電平。

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

　　帶機(jī)械元件的PWM

　　對于機(jī)械系統(tǒng)，系統(tǒng)的平滑元素通常是系統(tǒng)的慣性，即系統(tǒng)對輸入變化的反應(yīng)速度。這包括在我們的巴克和升壓轉(zhuǎn)換器使用飛輪/旋轉(zhuǎn)木馬概念的文章。

　　想象一下，我們在旋轉(zhuǎn)木馬上加了一個噴水器，我們可以用一個電磁閥打開和關(guān)閉這個噴水器。

　　如果我們打開閥門，那么旋轉(zhuǎn)木馬會轉(zhuǎn)得更快，如果我們關(guān)閉閥門，那么旋轉(zhuǎn)木馬會由于空氣和軸承的阻力而自然地慢下來。

　　根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，加速度=力/質(zhì)量。如果我們假設(shè)力是恒定的（對于PWM，力通常被假設(shè)為恒定的，因?yàn)椴ㄐ蔚碾妷菏呛愣ǖ摹覀儸F(xiàn)在不會變得比這更復(fù)雜，我們將假設(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)的速度將由公式速度=加速度x時間給出。從這些公式中我們可以看出，速度與力成正比，如果力只施加了50%的時間（50%的占空比），那么速度也將是持續(xù)施加力時的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。由此可見，我們可以通過改變占空比，從數(shù)字輸入（控制水射流完全打開或完全關(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，例如作用在水射流相反方向的阻力的細(xì)節(jié)，以及水射流與中心的距離將如何影響事物，但是我們已經(jīng)研究的內(nèi)容足以涵蓋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，并且系統(tǒng)中的抖動（對于給定的頻率）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），但是質(zhì)量越高，這些力產(chǎn)生的加速度（速度變化）越?。ǘ秳釉叫。?。

　　同樣的原理也適用于由磁場驅(qū)動的DC發(fā)動機(jī)（而不是噴水器）、水箱中的加熱元件、DC燈泡等等。PWM導(dǎo)致的LED明顯變暗是由于我們眼睛的光學(xué)幀率（視覺暫留），但這是另一篇文章的主題！

　　總體而言，PWM的原理非常簡單——將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為模擬輸出。系統(tǒng)中的變量是平滑元件的力（電壓）、頻率、占空比和慣性；并且這些的調(diào)諧限制因應(yīng)用而異。

　　審核編輯：黃飛