電子基礎(chǔ)知識(shí)-PWM

01什么是PWM

脈沖寬度調(diào)制(PWM),PWM全稱PukeWidthModulation,簡稱脈寬調(diào)制,

是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)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(hào)從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)，

也就是說一秒鐘PWM有多少個(gè)周期。

單位：Hz

表示方式：50Hz、100Hz

PWM的周期：T=l/f(周期=1/頻率)

50Hz=20ms一個(gè)周期，如果頻率為50Hz,也就是說一個(gè)周期是20ms,那么

一秒鐘就有50次PWM周期。

占空比：是一個(gè)脈沖周期內(nèi)，高電平的時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例。

單位：%(0%-100%)

表示方式：20%

_周期>

脈寬時(shí)間脈寬時(shí)間

周期：一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間，1S內(nèi)測周期次數(shù)等于頻率。

脈寬時(shí)間：高電平時(shí)間。

上圖中脈寬時(shí)間占總周期時(shí)間的比例，就是占空比。

比方說周期的時(shí)間是10ms,脈寬時(shí)間是8ms,那么低電平時(shí)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(hào)。

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(shí)間)，而頻率，就是單位時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的次數(shù)。

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(hào)，每次

的高電平時(shí)間為40mso

我們換更詳細(xì)點(diǎn)的圖：

50%50%

?T?

周期

上圖中，周期為T,T1為高電平時(shí)間，T2為低電平時(shí)間，假設(shè)周期T為1s,

那么頻率就是1Hz,那么高電平時(shí)間0.5s,低電平時(shí)間0.5s,總的占空比就是

0.5/I=50%o

02PWM原理

以單片機(jī)為例，我們知道，單片機(jī)的10口輸出的是數(shù)字信號(hào)，10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10口輸出的方波的占空比從而獲得使用

數(shù)字信號(hào)模擬成的模擬電壓信號(hào)。

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(duì)連接和斷開時(shí)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?。┑哪M電壓。

比方說，占空比為50%,那就是高電平時(shí)間一半，低電平時(shí)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3.75Vo

5V

0V……匕……LZd……LZ"2.5V

MH50%50H50%50%50%

5V

^TLT七3.75V

0V

75%25%75%25%7W25H

5V

0V一□………口…1V

2OHSO%2OH80%20H80%

PW的調(diào)節(jié)作用來源于對(duì)“占周期”的寬度控制，“占周期”變寬，輸出

的能量就會(huì)提高，通過阻容變換電路所得到的平均電壓值也會(huì)上升，“占周期”

變窄，輸出的電壓信號(hào)的電壓平均值就會(huì)降低，通過阻容變換電路所得到的平

均電壓值也會(huì)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(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的。

總結(jié)：PWM就是在合適的信號(hào)頻率下，通過一個(gè)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，那么，PWM信號(hào)的實(shí)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(duì)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(huì)閃爍，那么我們平時(shí)見到的LED燈，當(dāng)它的頻率

大于50Hz的時(shí)候，人眼就會(huì)產(chǎn)生視覺暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是一

個(gè)常亮的LED燈，你在1秒內(nèi)，高電平0.5秒，低電平0.￡秒，（頻率1Hz）如

此反復(fù)，那么你看到的電燈就會(huì)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(shí)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(shí)間（占空比）為50%,亮度也就為之前的50%,頻率很高時(shí)，看不到

閃爍，占空比越大，LED越亮；頻率很低時(shí)，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(gè)呼吸燈的效果。

03PWM對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(duì)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(dòng)，當(dāng)輸出端高電平時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，

但是是一點(diǎn)一點(diǎn)的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，電機(jī)由于電感有防止電

流突變的作用是不會(huì)停止的，會(huì)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(shí)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(dòng)又非全速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，那么在一

個(gè)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(huì)導(dǎo)致運(yùn)

動(dòng)不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽覺范圍，有時(shí)還會(huì)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。

可調(diào)直流電源控制與PWM控制都能調(diào)速，那么它們有什么相同之處呢？

如圖4~圖7,電機(jī)為某相同轉(zhuǎn)速時(shí)，纖色代表驅(qū)動(dòng)器輸出幅值不變的PWM

波，藍(lán)色代表可調(diào)直流電源輸出的電壓。兩者都是直接作用到負(fù)載。

占空比：25%占空比：25%

圖4

圖5

圖6

占空比：95%

圖7

由以上得知：

當(dāng)PWM波的占空比越大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的直流電壓與PWM波的幅值越接近；反

之與0V越接近；

周期的紅色PWM波脈寬下的矩形面積之和與藍(lán)色直流電壓的面積相等，即

伏秒積相等：

兩端同時(shí)除以T,得到如下關(guān)系式：

例如當(dāng)PWM波的幅值為24V,占空比為50%時(shí)，與直流電壓12V作用到電機(jī)

上所產(chǎn)生的效果是一模一樣的，即速度相同；即24Vx50%=12V。

另外，既然滿足這個(gè)關(guān)系，那PWM波的頻率是不是可以隨意了，答案當(dāng)然

不是，頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不暢，振動(dòng)大，噪音大；頻率太高會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)

器開關(guān)損耗較大，甚至有電機(jī)會(huì)嘯叫而不轉(zhuǎn)的情況。一般lk、30k的PW頻率較

為普遍，幾百Hz的也有，實(shí)際上還是根據(jù)電機(jī)功率在測試時(shí)確定合適的PWM頻

率范圍為宜。

如圖8為實(shí)物測試，脈寬在變化，周期不變的PWM波，所加負(fù)載如圖9所

Zj\o

圖8：扭動(dòng)旋鈕控制脈寬變化

04PWM對(duì)舵機(jī)的控制

舵機(jī)的控制就是通過一個(gè)固定的頻率，給其不同的占空比的，來捽制舵機(jī)

不同的轉(zhuǎn)角，舵機(jī)的頻率一般為頻率為50IIZ,也就是一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈

沖。

而脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms的范圍來控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角，

500-2500us的PWM高電平部分對(duì)應(yīng)控制180度舵機(jī)的0T80度，以180度角度

伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms0度

1.0ms45度

1.5ms90度

2.0ms135度

05什么是PWM“死區(qū)”？

PW是脈寬調(diào)制，在電力電子中，最常用的就是整流和逆變。這就需要用

到整流橋和逆變橋。對(duì)三相電來說，就需要三個(gè)橋臂。以兩電平為例，每個(gè)橋

臂上有兩個(gè)電力電子器件，比如IGBT。這兩個(gè)IGBT不能同時(shí)導(dǎo)通，否則就會(huì)

出現(xiàn)短路的情況。

因此，設(shè)計(jì)帶死區(qū)的PWM波可以防止上下兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通。也就是說，

當(dāng)一個(gè)器件導(dǎo)通后關(guān)閉，再經(jīng)過一段死區(qū)，這時(shí)才能讓另一個(gè)導(dǎo)通「

一、什么是死區(qū)？

通常，大功率電機(jī)、變頻器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件組成的

H橋或3相橋。每個(gè)橋的上半橋和下半橋是是絕對(duì)不能同時(shí)導(dǎo)通的，但高速的

PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)在達(dá)到功率元件的控制極時(shí)，往往會(huì)由于各種各樣的原因產(chǎn)生延

遲的效果，造成某個(gè)半橋元件在應(yīng)該關(guān)斷時(shí)沒有關(guān)斷，造成功率元件燒毀。

死區(qū)就是在上半橋關(guān)斷后，延遲一段時(shí)間再打開下半橋或在下半橋關(guān)斷后,

延遲一段時(shí)間再打開上半橋，從而避免功率元件燒毀。這段延遲時(shí)間就是死區(qū)。

（就是上、下半橋的元件都是關(guān)斷的）死區(qū)時(shí)間控制在通常的低端單片機(jī)所配備

的PWM中是沒有的。

死區(qū)時(shí)間是PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)速度

問題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的一個(gè)保護(hù)時(shí)段，所以在這個(gè)時(shí)間，上下管都不會(huì)有

輸出，當(dāng)然會(huì)使波形輸出中斷，死區(qū)時(shí)間一般只占百分之幾的周期。

但是PWM波本身占空比小時(shí)，空出的部分要比死區(qū)還大，所以死區(qū)會(huì)影響

輸出的紋波，但應(yīng)該不是起到?jīng)Q定性作用的。

二、DSP里的PWM死區(qū)

在整流逆變的過程中，同一相的上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通，否則電源會(huì)短路，理

論上DSP產(chǎn)生的PWM是不會(huì)同時(shí)通，但器件的原因PWM不可能是瞬時(shí)電平跳變

的，總是梯形下降的，這樣會(huì)可能使上下橋直通，為此，設(shè)一個(gè)極短的時(shí)間，

上下橋都關(guān)閉，再選擇性開通，避免了上下橋直通，實(shí)際控制中死區(qū)會(huì)導(dǎo)致控

制性能變差。

PWM的上下橋臂的三極管是不能同時(shí)導(dǎo)通的.如果同時(shí)導(dǎo)通就會(huì)是電源兩

端短路。所以，兩路觸發(fā)信號(hào)要在一段時(shí)間內(nèi)都是使三極管斷開的。這個(gè)區(qū)域

就叫做“死區(qū)”。

PW的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓，PWM不是調(diào)節(jié)電流的。PWM

的意思是脈寬調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比，一個(gè)20%占空

比波形，會(huì)有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間，而一個(gè)60%占空比的波形

則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長，

則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。如果占空比為0%,那么高電平時(shí)間為0,

則沒有電壓輸出。如果占空比為100%,那么輸出全部電壓。

所以通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以

無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

三、PWM相關(guān)概念

1.分辨率

也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM,理論的分辨率就是1：

255（單斜率），16位的的PWM理論就是1:65535（單斜率）。

頻率就是這樣的，如16位的PWM,它的分辨率達(dá)到了1:65535,要達(dá)到這

個(gè)分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計(jì)數(shù)從0計(jì)到80之后

又從0開始計(jì)到80,那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也

就是說PWM的輸出頻率高了。

2.雙斜率/單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80,之后又從0計(jì)數(shù)到80,這個(gè)就是單斜率。

假設(shè)一個(gè)PWM從o計(jì)數(shù)到80,之后是從80計(jì)數(shù)到3這個(gè)就是雙斜率。

可見，雙斜率的計(jì)數(shù)時(shí)間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但

是分辨率卻是1：（80+80）=1:160,就是提高了一倍。

假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計(jì)數(shù)是80,我們?cè)僭O(shè)定一個(gè)比較值是10,那

么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)（這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值

80）,單片機(jī)就會(huì)根據(jù)你的設(shè)定，控制某個(gè)10口在這個(gè)時(shí)候是輸出1還是輸出

0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。

06PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)

一、背景

有一個(gè)測量位置變化的位置傳感器，我用萬用表電壓檔測量傳感器的輸出

信號(hào)，結(jié)果顯示的是模擬量信號(hào)，即位置和信號(hào)輸出大小呈線性關(guān)系。但是，

我用示波器（Picoscope4227）測量傳感器的輸出信號(hào)，顯示的卻是PWM信號(hào)

（脈寬調(diào)制），即位置不同，輸出PWM信號(hào)的占空比不同。

PWM信號(hào)的參數(shù)是:200Hz,低電平為0V,高電平為18V。

現(xiàn)在可以確定，我的傳感器輸出信號(hào)是PWM信號(hào)。PWM信號(hào)需要輸入到控

制器I/O中，但是控制器I/O口不具備直接采集PWM信號(hào)的功能。

二、解決方案

設(shè)計(jì)個(gè)電路，將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)換后的模擬量信號(hào)

輸入到控制器模擬量I/O口。

三、轉(zhuǎn)換電路

01二階壓控有源低通濾波電路

設(shè)計(jì)一個(gè)深度濾波電路。濾波電路圖為：

低通濾波頻率公式為：f=l/（2n*RC）,我最后選擇R=IK,C=10uf,算出的

低通截止頻率f=15.9Hzo

濾波電路后端是一個(gè)運(yùn)算放大器，放大倍數(shù)公式：A=l+Rf/Rlo我不希望電

壓被放大，所以我選擇A=L1。又因?yàn)镽"/Rf=2R（RI,Rf兩者并聯(lián)的值等于R

串聯(lián)值），最終：Rf=220歐，Rl=2.2k,R=lk0

02積分電路（無源濾波電路）

低通濾波電路前面是一個(gè)二級(jí)積分電路（將兩個(gè)電容都接地），R=1K,

C=10ufo下圖是一級(jí)積分電路，設(shè)計(jì)的積分電路是將兩個(gè)下圖電路串聯(lián)構(gòu)成二

級(jí)積分積分：

R

0~E=}—O

ViVo

C

oo

為驗(yàn)證電路效果進(jìn)行的測試，我使用的設(shè)備是PicoScope4227,由于該設(shè)備

最大只能生成正負(fù)IV的電E信號(hào)，就生成了幅值為IV（低電平0V,高電平

IV），頻率為200Hz的PWM信號(hào)作為積分電路的輸入信號(hào)。各種效果圖如下：

1、示波器直接采集發(fā)生器生成的PWM信號(hào)，波形如下：

?20

08

12

VO10.0ISO2ao2S0300K040045.0SGO

2、示波器從二階濾波電路輸入端采集信號(hào)，波形如下。發(fā)現(xiàn)該號(hào)波形與上

圖的波形相比已經(jīng)發(fā)生了變化.

-06

ooioiaoiso2ao2&.0saoss.o40045.0sao

HEBIms

3.示波器從一階濾波電路輸出端中采集到的信號(hào)波形，即濾波電路從左往

右數(shù)，第一個(gè)電阻與第一個(gè)電容交點(diǎn)的輸出波形：

4、濾波器從二階濾波電路輸出端采集到的信號(hào)波形，即最終輸出信號(hào)波形。

■10

V

-0.4

W100ISO20L02509Q035.040045.0SO

5、最終輸出波形的參數(shù):