脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模拟電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

理論基礎

• 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同
• 沖量指窄脈沖的面積
• 效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同
• 波形基本相同含義：低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異

模拟電路

模拟信号的值可以連續變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模拟器件，因為它的輸出電壓并不精确地等于9V，而是随時間發生變化，并可取任何實數值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值範圍之内。模拟信号與數字信号的區别在于後者的取值通常隻能屬于預先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}這一集合中取值。

模拟電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模拟收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小;流經這個電阻的電流也随之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模拟電路的輸出與輸入成線性比例。

盡管模拟控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經濟或可行的。其中一點就是，模拟電路容易随時間漂移，因而難以調節。能夠解決這個問題的精密模拟電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。模拟電路還有可能嚴重發熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模拟電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

圖1顯示了三種不同的PWM信号。圖1a是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信号周期中，10%的時間通，其餘90%的時間斷。圖1b和圖1c顯示的分别是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分别是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模拟信号值。例如，假設供電電源為9V，占空比為10%，則對應的是一個幅度為0.9V的模拟信号。

圖2是一個可以使用PWM進行驅動的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個白熾燈泡供電。如果将連接電池和燈泡的開關閉合50ms，燈泡在這段時間中将得到9V供電。如果在下一個50ms中将開關斷開，燈泡得到的供電将為0V。如果在1秒鐘内将此過程重複10次，燈泡将會點亮并象連接到了一個4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下，占空比為50%，調制頻率為10Hz。

大多數負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調制頻率高于10Hz。設想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然後再接通、再斷開……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘内将點亮，在下一個5秒鐘内将熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環周期與負載對開關狀态變化的響應時間相比必須足夠短。要想取得調光燈(但保持點亮)的效果，必須提高調制頻率。在其他PWM應用場合也有同樣的要求。通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。

硬件控制器

許多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比;調制頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

• 設置提供調制方波的片上定時器/計數器的周期
• 在PWM控制寄存器中設置接通時間
• 設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳
• 啟動定時器
• 使能PWM控制器

雖然具體的PWM控制器在編程細節上會有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。

通信與控制

PWM的一個優點是從處理器到被控系統信号都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信号保持為數字形式可将噪聲影響降到最小。噪聲隻有在強到足以将邏輯1改變為邏輯0或将邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信号産生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模拟控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候将PWM用于通信的主要原因。從模拟信号轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過适當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并将信号還原為模拟形式。

PWM廣泛應用在多種系統中。作為一個具體的例子，我們來考察一種用PWM控制的制動器。簡單地說，制動器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動器使用模拟輸入信号來控制夾緊壓力(或制動功率)的大小。加在制動器上的電壓或電流越大，制動器産生的壓力就越大。

可以将PWM控制器的輸出連接到電源與制動器之間的一個開關。要産生更大的制動功率，隻需通過軟件加大PWM輸出的占空比就可以了。如果要産生一個特定大小的制動壓力，需要通過測量來确定占空比和壓力之間的數學關系(所得的公式或查找表經過變換可用于控制溫度、表面磨損等等)。

例如，假設要将制動器上的壓力設定為100psi，軟件将作一次反向查找，以确定産生這個大小的壓力的占空比應該是多少。然後再将PWM占空比設置為這個新值，制動器就可以相應地進行響應了。如果系統中有一個傳感器，則可以通過閉環控制來調節占空比，直到精确産生所需的壓力。

總之，PWM既經濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。

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