PWM（脉宽调制）的详细解释与系统设计应用
1. 基本概念与信号形式
PWM（Pulse Width Modulation） 是一种通过数字信号控制模拟量输出的技术，其核心是周期性开关信号。通过调整信号的脉冲宽度（占空比）和频率，可以模拟出不同幅度的模拟电压或电流。
信号形式：PWM信号是方波，包含高电平（On-Time）和低电平（Off-Time）交替的周期性脉冲。
关键参数：
周期（Period）：单个脉冲完整循环的时间（T = 1/frequency）。
频率（Frequency）：单位时间内脉冲的重复次数（Hz）。
占空比（Duty Cycle）：高电平持续时间占总周期的比例（例如50%占空比表示高电平和低电平各占周期的一半）。
脉冲宽度（Pulse Width）：高电平持续时间（=占空比 × 周期）。
动态特性：
占空比决定平均电压值。例如，5V电源下，PWM信号的平均电压 = 占空比 × 5V。
波形描述：
占空比0%：信号始终为低电平，平均电压为0V。
占空比50%：高、低电平各占周期的一半，平均电压为2.5V。
占空比100%：信号始终为高电平，平均电压等于电源电压。
不同频率下表现：高频PWM（如20kHz）更适合模拟平滑信号（如LED调光），低频PWM（如1kHz）在电机控制中更易观察到脉冲变化。
2. PWM 如何控制模拟量输出？
PWM 通过数字开关（0或1）生成离散脉冲，配合低通滤波器（如RC电路）将脉冲转换为模拟电压。例如：
LED调光：占空比50%时，LED亮度约为最大值的一半。
电机速度控制：占空比越低，电机的平均驱动电压越小，转速越慢。
数学表达：
\[平均电压 \ V_{avg} = V_{CC} \times \frac{Duty}{100\%} ，其中 \ V_{CC} \ 是电源电压。
\]
3. 典型应用场景与硬件平台配置
场景1：电机速度控制（如直流电机、舵机）
原理：通过PWM信号的占空比调节电机的平均驱动电压，控制转速或角度。
硬件平台示例：
STM32：使用定时器（如TIM1、TIM2）配置PWM模式，通过改变CCR（捕获/比较寄存器）值调整占空比。// STM32代码示例（基于HAL库）
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 83; // 预分频器（假设时钟源为72MHz）
htim.Init.Period = 999; // 自动重载值（周期为 (Prescaler+1)*(Period+1)/时钟源 = 1ms，频率1kHz）
HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);
__HAL_TIM_SetCompare(&htim, TIM_CHANNEL_1, 500); // 50%占空比
Arduino：使用analogWrite()函数，直接指定占空比（0-255）。例如：analogWrite(3, 128); // 在引脚3输出50%占空比的PWM信号（频率默认为490Hz）
场景2：LED调光
原理：占空比控制亮度，需搭配滤波电容或电阻消除闪烁。
硬件平台示例：
ESP32：通过ledcSetup()和ledcAttachPin()配置PWM通道，支持高分辨率（如8-16位）和多通道同步。// ESP32代码示例（使用LED Control库）
ledcSetup(0, 5000, 8); // 通道0，5kHz频率，8位分辨率（0-255）
ledcAttachPin(2, 0); // 将GPIO2连接到通道0
ledcWrite(0, 128); // 50%占空比
场景3：音频信号输出
原理：高频PWM（如50kHz以上）经低通滤波后可生成模拟音频信号。
硬件平台示例：
STM32：利用DAC外设结合PWM实现音频输出，或使用定时器的高速PWM通道（如TIM8）。// 高频PWM配置示例（假设时钟源为24MHz）
htim.Init.Prescaler = 0; // 无预分频
htim.Init.Period = 239; // 周期240个时钟周期 → 1MHz频率
4. PWM 的核心配置步骤（以 STM32 为例）
选择定时器：根据引脚映射和功能需求选择（如通用定时器TIM2或高级定时器TIM1）。
设置时钟源与预分频器：
时钟源（如APB1或APB2）决定定时器的最大频率。
预分频器（Prescaler）将时钟源分频至合理范围。
配置自动重载寄存器（ARR）：
决定周期值：Period = ARR + 1。
频率计算：
\[ \ f = \frac{f_{\text{时钟源}}}{(Prescaler+1) \times (ARR+1)} \
\]
设置比较寄存器（CCR）：
占空比 = $\ \frac{CCR}{ARR+1} \times 100% \ $。
启用PWM输出模式：
配置PWM模式（如PWM模式1或PWM模式2），并启动定时器。
5. 不同硬件平台的 PWM 能力对比
平台
最大频率
分辨率（位）
通道数
典型应用
STM32F4系列
1MHz+
16位
每定时器3-4通道
高精度电机控制、伺服驱动
Arduino Uno
490Hz-~10kHz
8位（0-255）
6个PWM引脚
基础LED调光、小电机控制
ESP32
1MHz+
8-16位可配置
16个PWM通道
精密控制（如无人机舵机）
6. PWM 的局限性与设计注意事项
局限性：
滤波需求：模拟输出需外接低通滤波器，否则高频开关可能引入噪声。
频率选择：
高频（如20kHz）适合LED调光（人眼无法感知闪烁），但会增加电磁干扰（EMI）；
低频（如1kHz）适合电机控制，但可能产生可听噪音或机械振动。
驱动能力：直接PWM输出通常需外接晶体管或MOSFET（如电机驱动），以放大电流和电压。
设计技巧：
死区时间（Dead Time）：在电机控制中，为避免上下桥臂直通，需在PWM信号中插入死区时间（例如STM32的互补输出PWM模式）。
占空比与负载匹配：高占空比可能导致驱动电路过热，需结合散热设计。
7. 波形描述与动态特性
波形示例：
占空比 50%：High: ---- ---- ----
Low: ---- ---- ----
占空比 25%：High: -- -- --
Low: ------ ------ ------
动态特性：
低占空比（如20%）：设备（如电机）平均功率低，转速慢或亮度暗。
高占空比（如80%）：设备平均功率高，转速快或亮度亮。
高频PWM（如20kHz）：减少可见闪烁或音频噪声，提升控制精度。
8. 实际应用案例
案例1：Arduino控制LED亮度：
硬件：Arduino Uno + 220Ω电阻 + LED。
代码：analogWrite(9, 128) → 50%亮度。
观察：占空比从0%到100%时，LED亮度线性变化。
案例2：STM32控制直流电机：
硬件：STM32F4 + L298N电机驱动模块。
配置：定时器TIM3输出PWM信号至L298N的IN1/IN2引脚，通过调整CCR实现速度调节。
优势：支持可变频率（如1-20kHz），避免电机共振。
案例3：ESP32生成音频信号：
硬件：ESP32 + 低通滤波器（如RC电路）+ 扬声器。
配置：使用RMT模块生成高频PWM（如50kHz），经滤波后输出音频。
注意：需确保PWM频率高于音频最高频率的两倍（奈奎斯特采样定理）。
9. 总结
PWM 是嵌入式系统中数字控制模拟设备的核心技术，其优势包括：
高效节能：通过开关信号直接驱动负载，减少线性放大器的功率损耗。
灵活性：占空比可编程调整，适用于多种控制场景（如速度、亮度、音频）。
低成本：无需复杂模拟电路，仅需数字定时器和简单滤波。
局限性：
需外接滤波或驱动电路以适配负载；
高频可能增加EMI，影响系统稳定性。
通过合理选择硬件平台（如STM32的高精度定时器、ESP32的多通道PWM），并优化频率和占空比参数，PWM 可在嵌入式控制系统中实现高效的模拟量输出控制。