PWM信號(hào)的占空比和頻率有什么區(qū)別?

逆變器、轉(zhuǎn)換器、SMPS 電路和速度控制器......在所有這些電路中常見的一件事是它內(nèi)部包含許多電子開關(guān)。這些開關(guān)不過是 MOSFET、IGBT、TRIAC等電力電子設(shè)備。為了控制這些電力電子開關(guān)，我們通常使用稱為 PWM 信號(hào)(脈沖寬度調(diào)制)的東西。除此之外，PWM 信號(hào)還用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)以及其他簡(jiǎn)單的任務(wù)，例如控制 LED 的亮度。

在之前已經(jīng)介紹過ADC，而 ADC 用于通過微控制器等數(shù)字設(shè)備讀取模擬信號(hào)。PWM 可以被認(rèn)為與它完全相反，PWM 用于從微控制器等數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生模擬信號(hào)。在本文中，我們將了解什么是 PWM、 PWM 信號(hào)以及與之相關(guān)的一些參數(shù)，以便我們有信心在設(shè)計(jì)中使用它們。

什么是 PWM(脈沖寬度調(diào)制)?

PWM代表脈沖寬度調(diào)制，目前將 PWM 理解為一種可以由數(shù)字 IC(如微控制器或555 定時(shí)器)產(chǎn)生的信號(hào)。這樣產(chǎn)生的信號(hào)將具有一串脈沖，并且這些脈沖將是方波的形式。也就是說，在任何給定的時(shí)間點(diǎn)，波浪要么是高的，要么是低的。為了便于理解，讓我們考慮一個(gè) 5V PWM 信號(hào)，在這種情況下，PWM 信號(hào)將是 5V(高)或接地電平 0V(低)。信號(hào)保持高電平的持續(xù)時(shí)間稱為“開啟時(shí)間”，信號(hào)保持低電平的持續(xù)時(shí)間稱為“關(guān)閉時(shí)間”。

對(duì)于 PWM 信號(hào)，我們需要查看與其相關(guān)的兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是 PWM 占空比，另一個(gè)是 PWM 頻率。

PWM 的占空比

如前所述，PWM 信號(hào)會(huì)在特定時(shí)間內(nèi)保持打開狀態(tài)，然后在剩余時(shí)間段內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)。使這個(gè) PWM 信號(hào)特別和更有用的是，我們可以通過控制 PWM 信號(hào)的占空比來設(shè)置它應(yīng)該保持多長(zhǎng)時(shí)間。

PWM 信號(hào)保持高電平(開啟時(shí)間)的時(shí)間百分比稱為占空比。如果信號(hào)始終打開，則占空比為 100%，如果始終關(guān)閉，則占空比為 0%。計(jì)算占空比的公式如下所示。

占空比=開啟時(shí)間/(開啟時(shí)間+關(guān)閉時(shí)間)

下圖表示占空比為 50% 的 PWM 信號(hào)。如您所見，考慮到整個(gè)時(shí)間段(開啟時(shí)間 + 關(guān)閉時(shí)間)，PWM 信號(hào)僅在 50% 的時(shí)間段內(nèi)保持開啟。

通過控制占空比從 0% 到 100%，我們可以控制 PWM 信號(hào)的“開啟時(shí)間”，從而控制信號(hào)的寬度。由于我們可以調(diào)制脈沖的寬度，所以它的標(biāo)志性名稱是“脈沖寬度調(diào)制”。

PWM 的頻率

PWM 信號(hào)的頻率決定了 PWM 完成一個(gè)周期的速度。如上圖所示，一個(gè)周期是 PWM 信號(hào)的完整 ON 和 OFF 時(shí)間。計(jì)算頻率的公式如下

頻率 = 1/時(shí)間段

時(shí)間段 = 開啟時(shí)間 + 關(guān)閉時(shí)間

通常由微控制器產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)約為 500 Hz，這樣的高頻將用于高速開關(guān)設(shè)備，如逆變器或轉(zhuǎn)換器。但并非所有應(yīng)用都需要高頻。例如，要控制伺服電機(jī)，我們需要產(chǎn)生頻率為 50Hz 的 PWM 信號(hào)，因此 PWM 信號(hào)的頻率也可以由所有微控制器的程序控制。

關(guān)于 PWM 的一些常見問題

PWM信號(hào)的占空比和頻率有什么區(qū)別?

PWM 信號(hào)的占空比和頻率經(jīng)常被混淆。眾所周知，PWM 信號(hào)是具有特定開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的方波。這個(gè)開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的總和稱為一個(gè)時(shí)間段。一個(gè)時(shí)間周期的倒數(shù)稱為頻率。而 PWM 信號(hào)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)應(yīng)保持開啟的時(shí)間量由 PWM 的占空比決定。

簡(jiǎn)單來說，PWM信號(hào)開啟和關(guān)閉的速度取決于PWM信號(hào)的頻率，而在這個(gè)速度下，PWM信號(hào)應(yīng)該保持開啟多長(zhǎng)時(shí)間取決于PWM信號(hào)的占空比。

如何將 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓?

對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，例如控制直流電機(jī)的速度或調(diào)整 LED 的亮度，我們需要將 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓。這可以通過使用RC 濾波器輕松完成，并且通常用于需要 DAC 功能的地方。相同的電路如下所示

在上圖中，黃色的是 PWM 信號(hào)，藍(lán)色的是輸出模擬電壓。電阻 R1 和電容 C1 的值可以根據(jù) PWM 信號(hào)的頻率來計(jì)算，但通常使用 5.7K 或 10K 的電阻和 0.1u 或 1u 的電容。

如何計(jì)算PWM信號(hào)的輸出電壓?

PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后的輸出電壓將是占空比的百分比。例如，如果工作電壓為 5V，那么 PWM 信號(hào)在高電平時(shí)也會(huì)有 5V。在這種情況下，對(duì)于 100% 占空比，輸出電壓將為 5V，對(duì)于 50% 占空比，它將為 2.5V。

輸出電壓 = 占空比 (%) * 5