PWM脉冲宽度调制信号是数字信号吗？

时间： 2023-12-19 来源：KEYSIGHT知乎

脉冲宽度调制PWM（Pulse-width modulation）是一种模拟信号电平数字编码方法。脉冲宽度调制PWM是通过将有效的电信号分散成离散形式从而来降低电信号所传递的平均功率的一种方式；所以根据面积等效法则，可以通过对改变脉冲的时间宽度，来等效的获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。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。PWM信号是通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。

脉冲宽度调制PWM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。

图 1. 使用 PWM 控制 LED 亮度的简易电路

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。

图 2. 具有相同占空比的两个脉冲

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。

那么如何生成脉冲宽度调制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. 模拟 PWM发生器方框图

图 3 显示了模拟 PWM 发生器的方框图实例。

图 4. 正弦波与 +0.5 VDC 输入信号的比较, 该比较可生成 PWM波形

图 4v显示了比较器使用两个输入PWM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）。0.5VDC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。

图 5. 正弦波与 +0.25 VDC 输入信号的比较, 该比较可生成 PWM 波形

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

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。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。

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