[硬件基础]-快速了解PWM

在本文中，将介绍脉宽调制。脉冲宽度调制也称为 PWM。脉冲宽度调制在数字通信、电力电子、路灯的自动强度控制、直流电机的速度控制和可变 pwm 中有许多应用，以从数字信号、数模转换器生成模拟信号。这种技术还有许多其他应用。产生PWM信号的方法有数字法和模拟法两种。我将在本文末尾讨论这两种方法。因此，让我们从脉宽调制的基本介绍开始脉宽调制或 PWM 是一种通过数字方式获得模拟结果的技术。

视觉&物联智能

3721人浏览 · 2023-10-05 10:18:50

视觉&物联智能 · 2023-10-05 10:18:50 发布

快速了解PWM

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快速了解PWM

1、什么是PWM

你可以用PWM做什么？它是Pulse Width Modulation脉冲宽度调制，它包括产生方波。您可以控制 PWM 信号的上升时间或高时间。最小和最大电压是限制波振荡的值，它们之间的空间称为振幅。一个周期是波的间隔，您可以在其中找到一个完整的重复，一个周期完成所需的时间称为时间段。

2、PWM的频率

一段时间内的频率为 1，这会告诉您一个时间单位内有多少个周期。例如，如果信号的定时器周期为 20ms，则其频率将为 50Hz，其中 Hz 是频率单位，读作赫兹。

下图显示了波形的幅度和定时器周期：

在这里插入图片描述

3、PWM的占空比

占空比是脉冲宽度调制中使用的一个重要概念。占空比表示信号在总时间段中处于高电平的时间。

在这里插入图片描述

所以占空比的公式如下面的表达式所示：

Duty Cycle = ( On time of signal / total timer period of signal )

4、PWM信号的输出电压计算

现在让我们看看如何计算占空比。要计算占空比，您需要知道信号处于高电平的周期有多少。让我们将高时间设置为 6 毫秒，将低时间设置为 4 毫秒。总时间周期为 10ms。现在让我们使用一个简单的规则来计算信号高的时间段与总时间段的百分比。

Duty cycle = 6ms / 10ms = 0.6

通过计算，我们得到 0.6 的占空比，它是无量纲的。我们总是以百分比来衡量占空比。当信号的开启时间或高电平时间等于信号的总时间周期时，最大占空比可以是 1 或 100%。同样，当信号在整个定时器周期内关闭时，最小占空比将为 0 或 0%。下面为具有不同占空比的信号图片:

在这里插入图片描述

5、脉宽调制幅度

脉宽调制的幅度是另一个需要讨论的重要概念，以充分理解这一概念。幅度是信号的最大电压和最小电压之间的差值。

Amplitude = Vmax - Vmin

在数字信号的情况下，最小电压大多为零。所以幅度是信号的峰值电压。让我们想象一个在 0 到 5 伏之间振荡的 PWM 信号。假设此信号的占空比为 50%。输出电压会发生一些有趣的变化，而不是预期的 5 伏。现在它只是 2.5 伏特。

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当您将占空比为 50% 的方波应用于 LED 时，您将在发光二极管上获得 2.5 的电压。因为当您应用 50% 占空比的方波作为输入电压源时，输出电压的公式为：

Vout = D x Vmax

其中 D 是具有调制信号或方波的脉冲的占空比。我们将最大电压乘以占空比。根据上面的输出电压公式，我们可以清楚地看到输出电压和占空比之间的直接关系。信号的最大电压或幅度保持不变。为了获得更高的电压，我们需要更高的占空比信号。为了在输出端获得较低的电压，我们需要应用较低的占空比信号。

当占空比 = 100% 或 1 时，最大输出电压将等于 = Vmax

当占空比 = 0 时，最大输出电压将等于 = 0

路灯中使用类似的概念来控制路灯的强度。在电力电子电路中使用相同的方法使用降压转换器电路降低电压。

现在您已经了解了脉宽调制的基本概念，例如占空比、信号开启时间、信号关闭时间、PWM 的时间周期及其幅度。在本文的其余部分，将解释用于生成 PWM 信号的不同方法。

6、脉冲宽度调制生成技术

有两种方法用于生成 PWM：

使用微控制器等数字电路生成 PWM。
使用运算放大器和比较器电路等模拟电路生成 PWM。

6.1 使用微控制器生成脉冲宽度调制

要生成具有可变占空比的数字信号，始终建议使用像 Arduino 这样的微控制器。因为这些微控制器内置了可用于生成数字信号的模块。您可以通过编程微控制器轻松设置占空比。

6.2 使用模拟电路产生脉冲宽度调制

产生 PWM 信号的最简单方法是使用运算放大器。为了用运算放大器产生数字信号，我们使用运算放大器作为比较器电路。运算放大器由同相端和反相端两个端子组成。我们在运算放大器的非反相输入端施加三角波，并在反相引脚控制电压输入。下图是运放产生PWM信号的全过程。

在这里插入图片描述

因此，要了解这种方法的工作原理，首先您需要了解运算放大器作为比较器电路的工作原理。因此，从上图可以看出，当施加到非反相输入的三角电压小于施加到运算放大器反相引脚的控制电压时，比较器电路的输出将为低电平，每当三角信号的电压为大于控制电压，比较器输出为高电平。所以数字信号或脉宽调制的导通时间取决于控制电压的大小。所以它的平均控制电压和占空比彼此成反比。因为占空比与 PWM 信号的导通时间成正比。为了获得更高的占空比，我们需要降低控制电压的值。为了获得较低的占空比，我们需要增加控制电压的值。这就是在模拟电子元件的帮助下生成 PWM 是多么容易。