基本原理

PWM的全稱是脈沖寬度調(diào)制（Pulse-width modulation），是通過將有效的電信號(hào)分散成離散形式從而來(lái)降低電信號(hào)所傳遞的平均功率的一種方式；

所以根據(jù)面積等效法則，可以通過對(duì)改變脈沖的時(shí)間寬度，來(lái)等效的獲得所需要合成的相應(yīng)幅值和頻率的波形；

具體如下圖所示；

由上圖可知，脈沖寬度調(diào)制使用一個(gè)脈沖寬度會(huì)被調(diào)制的方波，并且波型的平均值會(huì)有所變化。

如果我們考慮一個(gè)周期為??的脈沖波??，低值?，高值為??，跟占空比(duty cycle)，此波的平均值為：

當(dāng)??是一個(gè)脈沖波，它的值在??是??而在?是

上式的描述可以變?yōu)椋?/p>

以上公式可以在很多狀況下被簡(jiǎn)化，當(dāng)??及?。

從這里可以看出，波型的平均值非常明顯地直接與占空比??有關(guān)。

占空比：

圖中存在三種占空比狀態(tài)，25%，50%和75%占空比狀態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)，假設(shè)占空比為D，則滿足：

其中是PWM的周期，通常和載波的周期相同；

PWM是如何實(shí)現(xiàn)？

PWM實(shí)現(xiàn)的原理是通過鋸齒波/三角波（載波）所需要合成的波形（調(diào)制波）進(jìn)行比較，然后確定PWM所需要輸出的極性，通常是ON或者是OFF，因?yàn)橐话愣际亲饔玫介_關(guān)元器件上；如下圖所示；

振蕩器和比較器

振蕩器輸出的鋸齒波和參考值??進(jìn)行比較，然后就可以輸出PWM波形了；

在matlab的simulink中搭建了一下仿真，具體如下圖所示；

simulink

最終輸出波形如下：

50%占空比

這里簡(jiǎn)單說明一下：

鋸齒波（圖中橙色波形）最大為10，然后我希望輸出平均為5的波形（圖1中紅色的水平直線）；

那么通過比較，當(dāng)鋸齒波小于5時(shí)；PWM輸出低電平，即為OFF；

當(dāng)鋸齒波大于5時(shí)，PWM輸出高電平，即為ON；

所以再換一個(gè)思路，如果我希望輸出一個(gè)電壓逐漸升高的波形呢，該如何設(shè)計(jì)呢？

其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要把需要調(diào)制的波形設(shè)置為斜坡輸出的波形就可以了，具體如下圖所示；

占空比逐漸增大

可以看到，最終占空比逐漸從0%增大到100%；

然后我們繼續(xù)想，能不能調(diào)制出其他的波形，比如調(diào)制一個(gè)正弦波sin wave，那也就是我們常說的SPWM，其實(shí)是可以的，具體如下圖所示；

SPWM

分類

參考STM32中PWM的配置，根據(jù)載波波形的形狀，假設(shè)三角波最大值是10，那么它的變化過程可能存在以下兩種情況：

完整周期包括兩個(gè)過程，先遞增，再遞減：增加增加減少減少，這種也叫中央對(duì)齊PWM；

完整周期只有遞增過程：增加增加；

中央對(duì)齊PWM

脈沖波的中心將會(huì)被固定在時(shí)間窗格的中心，同時(shí)脈沖波的兩邊可以移動(dòng)，使得波的寬度被延伸或壓縮，具體如下圖所示；

中央對(duì)齊PWM

另一種類型的PWM脈沖波形如下圖所示；

程序?qū)崿F(xiàn)

現(xiàn)在的MCU大部分都自帶硬件PWM發(fā)生器，即配置好相應(yīng)的寄存器，就能直接產(chǎn)生PWM，下面的例子基于NUCLEO-F767ZI，通過cubemx配置了三路PWM輸出，然后實(shí)現(xiàn)了呼吸燈的效果；

?

?

int?main(void)
{

?HAL_Init();

?MX_GPIO_Init();
?MX_TIM4_Init();
?MX_TIM3_Init();
?MX_TIM12_Init();

?int32_t?time_stamp?=?0;
?int32_t?time_stamp_old?=?0;
?int32_t?ccr_val?=?0;
?uint8_t?add_flag?=?1;
?HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,?TIM_CHANNEL_2);
?HAL_TIM_PWM_Start(&htim12,?TIM_CHANNEL_1);
?HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,?TIM_CHANNEL_3);?
?while?(1)
?{
???time_stamp?=?HAL_GetTick();
?? if(time_stamp?-?time_stamp_old?>?5){
??   time_stamp_old?=?time_stamp;
??   if(add_flag){
???    ccr_val+=25;
???    if(ccr_val?>=?0xFFFF){
???      ccr_val?=?0xFFFF;
???      add_flag?=?0;
??     }
??   }else{
???    ccr_val-=25;
???    if(ccr_val?<=?0){
????     add_flag?=?1;
????     ccr_val?=?0;
???    }
??   }
??   TIM4->CCR2?=?ccr_val;
??   TIM12->CCR1?=?ccr_val;
??   TIM3->CCR3?=?ccr_val;
?? }
?}
}

?

?

整體效果如下：

呼吸燈

通過示波器看其中的一路PWM輸出的占空比也是隨時(shí)間變化；

PWM變化情況

總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了PWM的原理，以及如何產(chǎn)生PWM，可以通過鋸齒波作為載波和調(diào)制波經(jīng)過比較強(qiáng)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM輸出波形，最后結(jié)合STM32實(shí)現(xiàn)了一個(gè)呼吸燈的簡(jiǎn)單程序。

編輯：黃飛

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