详解脉冲宽度调制PWM以及信号输出

时间： 2023-11-09 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

技术问答

脉冲宽度调制PWM的概念

脉冲宽度调制（Pulse-width modulation, 简称PWM），简称脉宽调制，是用脉冲来输出模拟信号的一种技术，一般变换后脉冲的周期固定，但脉冲的工作周期会依模拟信号的大小而改变。

脉冲宽度调制的概念PWM是一种模拟信号电平数字编码方法。实现模拟电路的数字化控制可显著降低系统成本和功耗。许多微控制器和数字信号处理器 (DSP) 已包括了 PWM控制器芯片，因此可以更轻松地实施数字化控制。

脉冲宽度调制PWM的频率和占空比

占空比是什么?

占空比是脉冲处于较高电压的时间占整个脉冲周期的百分比。

单位：% (0%-100%)

表示方式：20%

图 1 显示了一个由电池、开关和 LED 组成的电路。该电路使用开关控制 LED 亮一秒，灭一秒。

一个周期内，LED 50% 的时间亮 (ON)，50% 的时间灭 (OFF)。

周期指完成一次循环 (从灭 (OFF) 到亮 (ON)，再从亮到灭 (OFF) 状态)的总时间。通过占空比可以进一步表征该信号，占空比是“亮 (ON)”时间与周期的比值。高占空比意味着 LED 非常明亮，而低占空比意味着 LED 较为暗淡。

图 1 为占空比为 50% 的实例。使用高分辨率计数器调制方波占空比，可以对特定模拟信号电平进行编码。PWM 信号仍旧是数字信号，因为直流电源要么接通，要么断开。通过重复 ON (接通) 和 OFF (断开) 脉冲序列，电压源或电流源可以给模拟负载加电。ON (接通) 时，直流电源给负载供电; OFF (断开) 时，直流电源关闭。

在图 2 中，两个不同频率的波形产生了相同的光量。

注: 光量与频率无关，与占空比成正比。用于控制电路的频率范围受限于电路响应时长。在图 1 的实例中，低频率可能导致 LED 出现明显闪烁。反之，高频率可能导致电感负载饱和。例如，变压器具有限定的频率范围，以便高效地传输能量。对于有些设计，PWM频率的谐波 (或差频) 能够耦合到模拟电路中，导致多余噪声。如果频率选择正确，受控制的负载可以作为稳定器使用，使灯能够连续发光，动力可支持转子顺畅旋转。

脉宽时间：高电平时间

上图中脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。

比方说周期的时间是10ms，脉宽时间是8ms 那么低电平时间就是2ms 总的占空比 8/8+2= 80%，这就是占空比为80%的脉冲信号。

而我们知道PWM就是脉冲宽度调制通过调节占空比，就可以调节脉冲宽度(脉宽时间) 而频率，就是单位时间内脉冲信号的次数，频率越大；以20Hz 占空比为80% 举例就是1秒钟之内输出了20次脉冲信号每次的高电平时间为40ms。

PWM原理

PWM就是在合适的信号频率下，通过一个周期里改变占空比的方式来改变输出的有效电压。

以单片机为例，我们知道，单片机的IO口输出的是数字信号，IO口只能输出高电平和低电平，假设高电平为5V 低电平则为0V 那么我们要输出不同的模拟电压，就要用到PWM，通过改变IO口输出的方波的占空比从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。

我们知道，电压是以一种连接1或断开0的重复脉冲序列被夹到模拟负载上去的（例如LED灯，直流电机等），连接即是直流供电输出，断开即是直流供电断开。通过对连接和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值（即0~5V之间任意大小）的模拟电压。

比方说占空比为50% 那就是高电平时间一半，低电平时间一半，在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压那么75%的占空比得到的电压就是3.75V。

PWM的调节作用来源于对“占周期”的宽度控制，“占周期”变宽，输出的能量就会提高，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会上升，“占周期”变窄，输出的电压信号的电压平均值就会降低，通过阻容变换电路所得到的平均电压值也会下降。也就是，在一定的频率下，通过不同的占空比即可得到不同的输出模拟电压。pwm就是通过这种原理实现D/A转换的。

如何生成 PWM信号？

将正弦波作为输入信号之一，使用比较器能够轻松生成 PWM 信号。图 3 显示了模拟 PWM 发生器的方框图实例。

图 4显示了比较器使用两个输入信号所生成的 PWM 输出波形 (红线): 正弦波 (黑线) 和输入信号 (灰线)。0.5 VDC 输入信号是电压基准，通过与正弦波比较生成 PWM波形。使用 0.5 VDC稳态基准电压，可生成 50% 占空比的 PWM波形。

如图 5 所示，如果基准电压降至 0.25 VDC，那么将生成更高占空比的 PWM波形。

使用手持式数字万用表生成 PWM信号

您可以使用 U1252B 手持式数字万用表生成各种 PWM信号。

U1252B手持式数字万用表不仅仅是一款测量工具，而且还可以改进您的应用设计。U1252B 具有方波功能，可生成 PWM输出，并在 0.39% 至 99.60% 范围内调整占空比。将旋转开关转动到方波输出功能位置。默认设置为 600 Hz (在次显示位置显示) 和 50%占空比 (在主显示位置显示)。可选的频率范围为 0.5 Hz 至 4800 Hz，幅度范围为 0 至 2.8 V。通过改变占空比，U1252B手持式数字万用表可生成静态 PWM波形。

PWM应用的优势

PWM相比模拟控制具有多项优势。例如，使用 PWM控制灯的亮度，灯散发的热量将低于模拟控制 (因为模拟控制会将电流转换为热量)，因此传送到负载 (光) 的功率较低，这可以延长负载的生命周期。如果使用较高的频率，则能够像模拟控制一样顺畅地控制光 (负载) 亮度。

如果使用 PWM控制转子，则转子能够以较低的速度运转。在使用模拟电流控制转子时，低转速情况下无法生成足够的扭矩。微小电流生成的电磁场不足以转动转子。相比之下，PWM 电流能够生成一个满能量的磁通短脉冲，足以支持转子低速转动。

将接通 (ON)/断开 (OFF) (1/0) 状态与不同的电压和占空比结合，PWM能够输出预定的电压电平，并能够为许多应用充当稳压器。如果需要的电压电平高于输出电压电平，则选用接通 (ON) (1)状态; 而如果需要的电压电平低于输出电压电平，则选用断开 (OFF) (0) 状态。例如，当使用复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 进行简单的电压调整，或现场可编程门阵列 (FPGA) 使用内部数字信号处理 (DSP) 模块实施复杂控制算法时，可以应用 PWM。

此外，使用 PWM 可以实现整个控制电路的数字化，从而避免在控制电路中使用数模转换器。PWM 生成的数字控制线可降低电路对干扰的灵敏度。随着 PWM控制器在各种低成本微处理器中的部署持续增加，PWM 的使用也已经变得随处可见。微处理器可以使用简单的命令来改变 PWM 控制信号的占空比和频率。由于数字信号受噪声的影响极小，PWM在通信领域也得到了广泛应用。

手持式数字万用表生成 PWM （脉冲宽度调制）输出指南

方波输出可用于生成 PWM （脉冲宽度调制）输出，或者提供同步时钟源（波特率发生器）。还可以使用此功能来检查并校准流量表显示屏、计数器、转速计、示波器、频率转换器、频率发送器和其他频率输入设备。

方波输出的占空比调整

任意波形发生器脉冲宽度调制 (PWM)测量教程

脉冲宽度调制 (PWM)

PWM 仅适用于脉冲波形，脉冲宽度随调制信号而变化。脉冲宽度的变化量称为宽度偏差，可将其指定为波形周期的百分比(即占空比)或以时间为单位指定。例如，如果指定占空比为 20% 的脉冲，然后启用偏差为 5% 的 PWM，则在调制信号的控制下，占空比在 15% 至 25% 之间变化。

加法调制 (Sum)

“总和”功能可将调制信号添加到载波。例如，您可以将可变带宽噪声的控制量添加到信号或创建双音调信号。仪器的内部调制发生器可产生与主发生器相同的连续波形，因此“总和”功能可生成以前需要两个仪器才能生成的许多信号。

“总和”功能按照调制信号的振幅增加输出信号的振幅。这可能会使仪器切换到较高的输出电压范围，从而导致信号瞬间丢失。如果这在应用中是个问题，则可打开“量程保持”功能。如果电压增加会损坏待测设备，请应用“电压限值”。

脉冲串

您可以配置仪器以输出具有指定循环数的波形，称为脉冲串。您可以按两种模式之一使用脉冲串：N 循环脉冲串(也称为“触发脉冲串”)或门控脉冲串。 N 循环脉冲串由特定数目的波形循环(1 到 1,000,000)组成并且总是由触发事件启动的。也可以将脉冲串计数设置为“无限”，这样一旦触发仪器，就会产生连续波形。在下图中，顶部跟踪表示 sync 输出，而底部跟踪表示主输出。

如何输出PWM波形？

您可以配置仪器以输出脉冲宽度调制 (PWM) 波形。PWM 仅适用于脉冲波形，脉冲宽度随调制信号而变化。脉冲宽度的变化量称为宽度偏差，可将其指定为波形周期的百分比(即占空比)或以时间为单位指定。例如，如果指定占空比为 20% 的脉冲，然后启用偏差为 5% 的 PWM，则在调制信号的控制下，占空比在 15% 至 25% 之间变化。要从脉冲宽度更改为脉冲占空比，请按 [Units]。

在本例中，您将为具有 5 Hz 正弦波调制波形的 1 kHz 脉冲波形指定脉冲宽度和脉冲宽度偏差。

1. 选择载波波形参数。

按 [Waveform] > Pulse。使用 Frequency、Amplitude、Offset、Pulse Width 和 Edge Times 软键配置载波波形。在本例中，选择振幅为 1 Vpp、偏移为 0、脉冲宽度为 100 ms 以及边沿时间为 50 ns(前沿和后沿)的 1 kHz 脉冲波形。

2. 选择 PWM。

按 [Modulate] > Type PWM。然后按 Modulate 软键将调制设置为 ON。

3. 设置宽度偏差。

按 PWM Dev 软键，然后使用数字键盘或者旋钮和箭头将此值设置为 20 μs。

4. 设置调制频率。

按 PWM Freq 软键，然后使用数字键盘或者旋钮和箭头将此值设置为 5 Hz。

5. 选择调制波形形状。

按 Shape 以选择调制波形的形状。在本例中，请选择正弦波。

要查看实际的 PWM波形，您需要将波形输出到示波器中。如果将波形输出到示波器，您将会看到脉冲宽度如何变化(在此情况下，从 80 到 120 µs)。在调制频率为 5 Hz 时，就可以非常明显地看到偏差。

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选型指南 - KEYSIGHT - 2015 - 2015年06月10日 PDF 中文下载

KEYSIGHT数字万用表选型表

KEYSIGHT数字万用表选型，手持式数字万用表、USB 模块化数字万用表、手持式钳形表等，基本 1 年 DCV 精度0.00%-0.5%。

产品型号	品类	描述	Digits of Resolution	基本 1 年 DCV 精度	连通性	测量功能
34470A	数字万用表	数字万用表，七位半，Truevolt DMM	7 ½	0.0016%	LAN,USB,GPIB (optional)	DCV and ACV,DCI and ACI,2- and 4-wire Resistance,Frequency,Capacitance,Diode test,Continuity test,Temperature

选型表 - KEYSIGHT 立即选型

【EOL】Keysight End of Life Part List-20201216

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产品变更通知及停产信息 - KEYSIGHT - 20201216 PDF 英文下载

U1250 Series Handheld Digital Multimeters DATA SHEET

型号- U1250,U1251B,U1252B,U1253B,U1250 SERIES

数据手册 - KEYSIGHT - October 27,2023 PDF 英文下载查看更多版本

Keysight（是德科技）数字万用表选型指南（详细版）

目录- Digital Multimeter Index Accessories Compatibility Chart Linking up your instruments to the PC BenchVue Software Handheld meter logger software GPIB and instrument

型号- U1191A,U1272A,34460A,34133A,34420A,34161A,U1210,10833F,10833G,34307A,10833A,10833B,10833C,10833D,U1232A,U1583B,3458A,U1163A,3446MEMU,U1175A,U1595A,3446SECU,U1180A,3446DIGU,U1192A,U8202A,34398A,U2741A,34172B,U1280 SERIES,34104A,U1176A,U1273A,U1164A,U1233A,34171B,3446ACCU,U1282A,U1173B,U1161A,U1173A,34470A,34131A,U1270,U1240B SERIES,U1240C SERIES,U1117A,E3600A-100,34103A,U1242C,U1185A,U1242B,U1169A,U1190 SERIES,U1271A,U1162A,3446LANU,U1230 SERIES,3446GPBU,U1280,11059A,34194A,34465A,34102A,34138A,U3606B,U1231A,U1174A,U1594A,U1186A,U1270 SERIES,U1240C,U1183A,U1240B,U5404A,U1171A,3445MEMU,82350A,11062A,U1250,34137A,U1252B,U1115A,U1212A,U1179A,U1273AX,Y1133A,82357B,U1172A,U1241C,E2308A,U1184A,U1281A,U1580A,34330A,34136A,U1241B,U1253B,M9181A,U1213A,U1168B,34191A,U1181A,U1193A,U1190,U8201A,34450A,11060A,U1230,U1210 SERIES,U1177A,M9182A,34190A,U1194A,U1251B,U1170A,U1182A,34134A,U1250 SERIES,34162A,34461A,3445GPBU,34308A,U1586B,M9183A,U1211A,U1178A

选型指南 - KEYSIGHT - August 18, 2022 PDF 英文下载

Agilent U1251A 和 U1252A 手持式数字万用表

型号- U1251A,U1252A

用户指南 - KEYSIGHT - 第5版 - 2009年6月09日 PDF 中文下载

Keysight（是德科技）汽车测试产品选型指南（英文）

目录- Increasing Speed, Safety, and Reliability of In-Vehicle Communications Networks Data Acquisition for Accurate Automotive System Analysis Taming the Hostile RF World of Today’s Vehicles Managing Power in a Harsh Automotive Electrical Environment EMI Pre-Compliance Testing for Automotive Designs Handheld Instruments for Accurate Portable Automotive Testing General Bench Test and Accessories Test Automation with PathWave BenchVue Software

型号- N7026A,DAQ970A,4000 X,N2790A,N6705C,N5166B CXG,N6700 SERIES,3000T X-SERIES,N6700,3000T X,34980A,S-SERIES,6000 X,N9000B CXA,N7900,4000 X-SERIES,MSOX4154A,6000 X-SERIES,N7900 SERIES

选型指南 - KEYSIGHT - October 31, 2022 PDF 英文下载