詳解PWM原理、頻率與占空比

什么是PWM

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

pwm的頻率：

是指1秒鐘內(nèi)信號從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)(一個周期)；

也就是說一秒鐘PWM有多少個周期。

單位：Hz

表示方式：50Hz 100Hz

pwm的周期：

T=1/f 周期=1/頻率

50Hz =20ms一個周期

如果頻率為50Hz ，也就是說一個周期是20ms 那么一秒鐘就有 50次PWM周期。

占空比：

是一個脈沖周期內(nèi)，高電平的時間與整個周期時間的比例。

單位：%(0%-100%)

表示方式：20%

周期：一個脈沖信號的時間

1s內(nèi)測周期次數(shù)等于頻率

脈寬時間：高電平時間

上圖中脈寬時間占總周期時間的比例，就是占空比

比方說周期的時間是10ms，脈寬時間是8ms 那么低電平時間就是2ms 總的占空比 8/8+2= 80%，這就是占空比為80%的脈沖信號。

而我們知道PWM就是脈沖寬度調(diào)制通過調(diào)節(jié)占空比，就可以調(diào)節(jié)脈沖寬度(脈寬時間) 而頻率，就是單位時間內(nèi)脈沖信號的次數(shù)，頻率越大；

以20Hz 占空比為80% 舉例 就是1秒鐘之內(nèi)輸出了20次脈沖信號 每次的高電平時間為40ms。

我們換更詳細(xì)點的圖

上圖中，周期為T，T1為高電平時間，T2 為低電平時間，假設(shè)周期T為 1s 那么頻率就是 1Hz 那么高電平時間0.5s ，低電平時間0.5s 總的占空比就是 0.5 /1 =50%。

PWM原理

以單片機(jī)為例，我們知道，單片機(jī)的IO口輸出的是數(shù)字信號，IO口只能輸出高電平和低電平，假設(shè)高電平為5V 低電平則為0V 那么我們要輸出不同的模擬電壓，就要用到PWM，通過改變IO口輸出的方波的占空比從而獲得使用數(shù)字信號模擬成的模擬電壓信號。

我們知道，電壓是以一種連接1或斷開0的重復(fù)脈沖序列被夾到模擬負(fù)載上去的（例如LED燈，直流電機(jī)等），連接即是直流供電輸出，斷開即是直流供電斷開。通過對連接和斷開時間的控制，理論上來講，可以輸出任意不大于最大電壓值（即0~5V之間任意大小）的模擬電壓。

比方說 占空比為50% 那就是高電平時間一半，低電平時間一半，在一定的頻率下，就可以得到模擬的2.5V輸出電壓 那么75%的占空比 得到的電壓就是3.75V。

pwm的調(diào)節(jié)作用來源于對“占周期”的寬度控制，“占周期”變寬，輸出的能量就會提高，通過阻容變換電路所得到的平均電壓值也會上升，“占周期”變窄，輸出的電壓信號的電壓平均值就會降低，通過阻容變換電路所得到的平均電壓值也會下降。

也就是，在一定的頻率下，通過不同的占空比 即可得到不同的輸出模擬電壓。

pwm就是通過這種原理實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的。

總結(jié)：PWM就是在合適的信號頻率下，通過一個周期里改變占空比的方式來改變輸出的有效電壓。

PWM頻率越大，相應(yīng)越快，PWM輸出呼吸燈，那么，PWM信號的實際作用是什么呢？我們以經(jīng)常使用的呼吸燈舉例：一般人眼睛對于80Hz 以上刷新頻率則完全沒有閃爍感。

頻率太小的話看起來就會閃爍，那么我們平時見到的LED燈，當(dāng)它的頻率大于50Hz的時候，人眼就會產(chǎn)生視覺暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是一個常亮的LED燈，你在1秒內(nèi)，高電平0.5秒，低電平0.5秒，(頻率1Hz)如此反復(fù)，那么你看到的電燈就會閃爍，但是如果是10毫秒內(nèi)，5毫秒打開，5毫秒關(guān)閉，(頻率100Hz) 這時候燈光的亮滅速度趕不上開關(guān)速度(LED燈還沒完全亮就又熄滅了)，由于視覺暫留作用，人眼不感覺電燈在閃爍，而是感覺燈的亮度少了，因為高電平時間(占空比)為50%，亮度也就為之前的50% ，頻率很高時，看不到閃爍，占空比越大，LED越亮；頻率很低時，可看到閃爍，占空比越大，LED越亮。

所以，在頻率一定下，可以用不同占空比改變LED燈的亮度。使其達(dá)到一個呼吸燈的效果。

PWM對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

占空比可以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，我們知道，占空比是高電平在一個周期之中的比值，高電平的所占的比值越大，占空比就越大，對于直流電機(jī)來講，電機(jī)輸出端引腳是高電平電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動，當(dāng)輸出端高電平時，電機(jī)會轉(zhuǎn)動，但是是一點一點的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時，電機(jī)由于電感有防止電流突變的作用是不會停止的，會保持這原有的轉(zhuǎn)速。

以此往復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是周期內(nèi)輸出的平均電壓值，所以實質(zhì)上我們調(diào)速是將電機(jī)處于一種，似停非停，似全速轉(zhuǎn)動又非全速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，那么在一個周期的平均速度就是我們占空比調(diào)出來的速度了，在電機(jī)控制中，電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，而通過PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機(jī)達(dá)到不同的輸出轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然，在電機(jī)控制中，不同的電機(jī)都有其適應(yīng)的頻率 頻率太低會導(dǎo)致運(yùn)動不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽覺范圍，有時還會聽到呼嘯聲。頻率太高的電機(jī)可能反應(yīng)不過來。

正常的電機(jī)頻率在 6-16kHZ之間為好。

PWM對舵機(jī)的控制

舵機(jī)的控制就是通過一個固定的頻率，給其不同的占空比的，來控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角，舵機(jī)的頻率一般為頻率為50HZ，也就是一個20ms左右的時基脈沖，而脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍。來控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角，500-2500us的PWM高電平部分對應(yīng)控制180度舵機(jī)的0-180度，以180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms--------------0度；

1.0ms------------45度；

1.5ms------------90度；

2.0ms-----------135度；

2.5ms-----------180度；

審核編輯：湯梓紅