脈寬調制（或簡稱PWM）是一個簡單的概念，有許多應用。我們來看一個方波。

　　　波形有一定的頻率。波形的頻率和周期彼此相反，即頻率= 1/周期，周期= 1/頻率。1s的周期意味著1Hz的頻率。0.1s的周期表示10Hz的頻率，10s的周期表示0.1Hz的頻率

　　請注意，該信號完全是數字信號，要么為開/高電平，要么為關/低電平。例如，這不同于正弦波，正弦波是模擬的，在整個波形中平滑過渡（參見我們關于模擬和數字信號的文章）。

　　還要注意的是，對于方波，信號在一半時間內是開啟的，在一半時間內是關閉的。

　　波形的on部分稱為占空比——它是信號供電/做功/工作的時間比例。對于方波，這是50%的時間，意味著信號有50%的占空比；即，如果周期為1s（頻率為1Hz），則信號將開啟0.5s，關閉0.5s

　　波形的正部分也可以被認為是一個能量脈沖。通過修改脈沖的寬度（占空比），我們可以改變波形中能量的比例。

　　　由此而來的術語脈寬調制（修改脈沖的寬度）。

　　PWM的主要用途

　　脈寬調制（以下簡稱為PWM）是數字系統產生模擬輸出的一種方式（通過將PWM信號通過一些附加電路和/或機械系統）。PWM的一些應用示例如下：

　　PWM信號可用于通過低通濾波器產生模擬電壓。

　　PWM可用于按比例控制DC電機的速度。

　　PWM用于設置某些類型的伺服電機的位置。

　　PWM可用于控制加熱元件產生的熱量。

　　PWM用于降壓和升壓轉換器，將輸入電壓向下轉換為較低電壓或向上轉換為較高電壓（參見我們的巴克和升壓轉換器文章）。

　　PWM可用于控制燈泡或LED的［表觀］亮度。

　　。。.還有很多很多。

　　在某些情況下，輸出是電壓或電流，在其他情況下，它是物理量，如力/位置/熱量/亮度，但在所有情況下，通過使用PWM，輸出可以在完全打開的最大值和完全關閉的最小值之間平滑縮放。

　　PWM到模擬信號

　　讓我們看看將PWM信號轉換為模擬電壓的情況。為此，我們需要一個低通濾波器（參見我們的過濾文章）。

　　5V數字PWM轉換為2.5V模擬輸出（5V的50% = 2.5V）。

　　R（電阻）或C（電容）值越小，對輸入變化的響應越快，但輸出抖動越大（反之亦然）。

　　改變占空比會改變輸出電壓。例如，20%的占空比將產生1V的輸出（5V的5V = 1V）：

　　相反，80%的占空比將產生4V的輸出（80%的5V = 4V）：

　　提高PWM的頻率也會降低輸出的抖動：

　　請注意，這反過來意味著可以使用相對較低的電阻和/或電容值，因此對輸入變化的響應相對較快。這是PWM的一般規則：PWM頻率越高，輸出越平滑，響應越快。

　　然而，關于響應度，請記住，為了提高響應度，系統中的平滑元件（上例中的電阻電容低通濾波器）必須做得更小。或者，應該增加輸入功率電平（上面例子中的輸入波形電壓）。在一個機械系統中，系統的平滑元素可能是系統的慣性（質量）——后面會詳細介紹。

　　PWM頻率的上限總是存在的——這可能受到產生PWM的數字系統的時鐘頻率的限制，或者受到輸出系統中開關元件響應速度的限制——例如，一個繼電器可能需要幾毫秒來切換，或者一個閥門可能需要一些時間來打開/關閉。

　　正如我們的無源濾波器文章中，也可以使用電感-電阻低通濾波器：

　　然而，由于所需的頻率/元件尺寸較低，阻容濾波器通常更適合這種特殊應用。

　　嵌入式PWM

　　大多數現代微控制器都內置PWM外設，可以在一定的頻率和分辨率范圍內產生PWM輸出。如果需要的頻率低于PWM外設所能產生的頻率，那么可以使用定時器中斷并手動將引腳設置為高電平和低電平。

　　在Arduino中，analogWrite（）函數直接生成PWM輸出：

　　帶機械元件的PWM

　　對于機械系統，系統的平滑元素通常是系統的慣性，即系統對輸入變化的反應速度。這包括在我們的巴克和升壓轉換器使用飛輪/旋轉木馬概念的文章。

　　想象一下，我們在旋轉木馬上加了一個噴水器，我們可以用一個電磁閥打開和關閉這個噴水器。

　　如果我們打開閥門，那么旋轉木馬會轉得更快，如果我們關閉閥門，那么旋轉木馬會由于空氣和軸承的阻力而自然地慢下來。

　　根據牛頓第二運動定律，加速度=力/質量。如果我們假設力是恒定的（對于PWM，力通常被假設為恒定的，因為波形的電壓是恒定的——我們現在不會變得比這更復雜，我們將假設水壓是恒定的），那么我們可以看到加速度完全取決于質量（慣性）。旋轉木馬旋轉的速度將由公式速度=加速度x時間給出。從這些公式中我們可以看出，速度與力成正比，如果力只施加了50%的時間（50%的占空比），那么速度也將是持續施加力時的50%。10%的占空比意味著10%的速度，90%的占空比意味著90%的速度，以此類推。由此可見，我們可以通過改變占空比，從數字輸入（控制水射流完全打開或完全關閉）產生模擬輸出（速度）。

　　有一些方面我們還沒有詳細研究，例如作用在水射流相反方向的阻力的細節，以及水射流與中心的距離將如何影響事物，但是我們已經研究的內容足以涵蓋PWM原理。我們可以注意到，PWM的最大頻率將受到控制噴水器的螺線管打開和關閉速度的限制，并且系統中的抖動（對于給定的頻率）將取決于旋轉木馬的質量——這是因為旋轉木馬總是在加速（噴水器打開）或減速（空氣/軸承阻力），但是質量越高，這些力產生的加速度（速度變化）越小（抖動越小）。

　　同樣的原理也適用于由磁場驅動的DC發動機（而不是噴水器）、水箱中的加熱元件、DC燈泡等等。PWM導致的LED明顯變暗是由于我們眼睛的光學幀率（視覺暫留），但這是另一篇文章的主題！

　　總體而言，PWM的原理非常簡單——將數字輸入轉換為模擬輸出。系統中的變量是平滑元件的力（電壓）、頻率、占空比和慣性；并且這些的調諧限制因應用而異。

　　審核編輯：黃飛