PWM（脉宽调制）技术详解：从基础到应用实践示例

PWM（脉宽调制）技术详解：从基础到应用实践示例

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/SpringWJN/article/details/145732377

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过调节信号脉冲宽度来模拟不同幅度模拟信号的技术。它通过周期性地改变信号的占空比（即在一个信号周期内，高电平持续时间的比例）来控制输出强度，从而实现对设备如LED亮度、电机转速等的精确控制。

PWM概述

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过调节信号脉冲宽度来模拟不同幅度模拟信号的技术。它通过周期性地改变信号的占空比（即在一个信号周期内，高电平持续时间的比例）来控制输出强度，从而实现对设备如LED亮度、电机转速等的精确控制。

PWM的核心在于其输出频率和占空比的可调节性，使得数字设备能够模拟模拟信号的效果。这一技术在嵌入式系统中应用广泛，适用于多种控制场景。

PWM的基本原理

1. 占空比（Duty Cycle）：

• 占空比定义为在一个信号周期内，高电平的时间占整个周期的比例。
• 计算公式：Duty Cycle = (High Time / Period) × 100%
• 例子：若PWM信号的周期为20ms，高电平持续时间为5ms，则占空比为25%。

2. 频率（Frequency）：

• 频率是PWM信号在单位时间内完成的周期数，通常以Hz（赫兹）为单位。
• 较高的频率可以有效减少信号控制的抖动，但也可能增加硬件的复杂性。

3. PWM信号的特点：

• PWM信号由一系列高低交替的方波构成。
• 通过改变占空比，可以模拟不同幅度的模拟信号。

PWM的应用场景

1. LED亮度控制：

• 通过调节PWM信号的占空比，可以实现LED亮度的渐变效果。

2. 电机速度控制：

• PWM信号的占空比决定了电机的转速，占空比越高，电机的转速越快。

3. 加热器温度控制：

• 见空气处理和加热系统的温度调节。

4. 音频调制：

• 在音频设备中，PWM用于信号的生成和处理。

PWM的硬件配置与使用

1. 基本PWM信号输出电路

以下是使用STM32微控制器实现PWM控制LED亮度的电路图：

这是一个使用STM32微控制器通过PWM控制LED亮度的电路图。LED通过限流电阻连接到地，PWM信号通过STM32的PWM引脚输出。电路中还包含了一个3.3V电源和去耦电容，以确保电路的稳定性。

1. PWM信号生成与配置步骤

（1）配置GPIO引脚为PWM输出模式：

• 将GPIO引脚设置为PWM输出模式。

（2）配置PWM参数：

• 设置PWM信号的频率和占空比。

（3）启动PWM模块：

• 启用PWM生成模块，开始输出PWM信号。

PWM的编程实现（源码示例）

以STM32为例，实现LED亮度的PWM控制：

#include "stm32f4xx.h"
void PWM_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_HandleTypeDef TIM_InitStructure;
    
    // 配置PWM引脚的GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_0; // 选择PWM引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 设置为复用推挽模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_HIGH; // 设置为高速模式
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置PWM参数
    TIM_InitStructure.TIM_Period = 999; // 设置计数器周期，频率: 1000Hz
    TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 0; // 预分频器设置为0，不进行分频
    TIM_InitStructure.TIM_EnableDMA = TIM_DMA_DISABLED; // 不启用DMA
    TIM_InitStructure.TIM_OnePulse = TIM_ONE_PULSE_DISABLED; // 不启用单脉冲模式
    TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_CK_INT; // 不进行时钟分割
    TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 计数器向上计数模式
    // 配置PWM通道
    TIM_OC_InitTypeDef TIM_OC_InitStructure;
    TIM_OC_InitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // 设置PWM模式1
    TIM_OC_InitStructure.TIM_OutputState = TIM_OUTPUTSTATE_ENABLED; // 启用输出
    TIM_OC_InitStructure.TIM_Pulse = 500; // 初始占空比50%
    HAL_TIM_OC_Init(&TIM_InitStructure, &TIM_OC_InitStructure);
    
    // 启用PWM模块
    __HAL_TIM_ENABLE(&TIM_InitStructure);
}
void Set_LED_Brightness(uint16_t duty) {
    // 设置PWM信号的占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&TIM_InitStructure, TIM_CHANNEL_1, duty);
}
int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    PWM_Init();
    
    while (1) {
        // 改变LED亮度
        Set_LED_Brightness(250);
        HAL_Delay(1000);
        Set_LED_Brightness(500);
        HAL_Delay(1000);
        Set_LED_Brightness(750);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

1. PWM频率与占空比的调整

• 增加频率：降低信号抖动，但可能导致过高的频率不易被某些设备处理。
• 调整占空比：改变输出强度，需根据实际需求设定合理的PWM信号范围。

PWM的实际应用技巧

1. 实现电机速度控制

PWM可以用来驱动直流电机，通过调节占空比控制电机的转速。具体步骤为：

• 选择合适的PWM频率：通常在20kHz以上以减少噪音。
• 配置PWM输出引脚：将PWM信号连接到电机驱动模块。
• 通过代码调整占空比：根据实际需求控制电机速度。

2. 滤波处理

• 滤波的目的：减少PWM信号对其他电路的干扰，同时改善输出信号的质量。
• 滤波的方法：在PWM输出端加入低通滤波器，保留低频成分，滤除高频噪声。

PWM的优缺点

优点：

• 高效性：PWM信号直接由硬件生成，实时性高。
• 精确控制：可以通过改变占空比实现精准的模拟控制。
• 易于实现：大多数微控制器内置PWM模块。

缺点：

• 对于一些对高频敏感的设备，可能产生噪音问题。
• 设置过程中需注意信号线的过滤和屏蔽。

总结

PWM（脉宽调制）技术是嵌入式系统中一项重要的控制技术，通过调节脉冲宽度来实现对模拟设备的精准控制。从LED亮度到电机速度，PWM的应用场景非常广泛。对于嵌入式学习者来说，理解PWM的工作原理、掌握其配置方法，不仅能提升编程能力，还能为更多复杂系统的开发打下坚实的基础。

通过学习PWM，可以更好地掌握如何利用微控制器的数字输出来模拟模拟信号，并在实际项目中实现更复杂的控制逻辑。