PWM (Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制，是一种利用数字信号（脉冲）来模拟模拟信号电平输出的强大技术。它通过调整一个方波信号的高电平持续时间（即脉冲宽度）来改变其在一个固定周期内的平均电压，从而实现对输出功率、速度、亮度等模拟量的精确控制。

核心思想：在固定周期内，通过改变高电平持续时间（占空比），来改变输出信号的平均值，实现对模拟量的数字控制。

一、为什么需要 PWM？

在许多应用中，我们需要控制设备的模拟量，例如：

  • LED 亮度：希望 LED 渐亮渐灭，而不是只有亮或灭。
  • 直流电机速度：需要精确控制电机的转速。
  • 加热器功率：需要调节加热器的输出功率。
  • 模拟电压输出：模拟 DA 转换器输出。

传统的模拟控制需要复杂的模拟电路，并且容易受到噪声、温度漂移等因素的影响。而微控制器（如 Arduino、ESP32）通常只能直接输出数字信号（高电平或低电平）。PWM 技术就成为了连接数字世界和模拟世界的重要桥梁，它允许我们用简单的数字输出引脚来有效地控制模拟设备。

二、PWM 的核心概念

PWM 信号是一个周期性的方波，它有两个关键参数：

  1. 周期 (Period) / 频率 (Frequency)：

    • 周期：一个完整的 PWM 脉冲（包括高电平和低电平）所需的时间。
    • 频率：周期分之一。例如，如果周期是 20 毫秒，那么频率就是 50 Hz。
    • 重要性：频率的选择取决于应用。对于 LED，频率通常为几百 Hz 到几 KHz，高到人眼无法察觉闪烁；对于电机，频率过低可能导致电机抖动或噪声。

  2. 占空比 (Duty Cycle)：

    • 占空比定义为在一个周期内，高电平持续时间 (Ton) 占总周期时间 (Tperiod) 的比例。
    • 占空比 = (高电平时间 / 周期时间) × 100%
    • 例如，如果周期是 20 毫秒，高电平持续时间是 10 毫秒，则占空比为 50%。
    • 重要性：占空比直接决定了 PWM 信号的平均电压或平均功率。
      • 占空比为 0%：输出始终为低电平（0V）。
      • 占空比为 50%：高电平持续时间等于低电平持续时间，平均电压为电源电压的一半。
      • 占空比为 100%：输出始终为高电平（例如 5V）。

2.1 平均电压计算

在一个周期内，PWM 信号的平均电压 (V_avg) 可以近似为：
V_avg = 占空比 × V_max
其中 V_max 是高电平电压（例如，Arduino 为 5V，ESP32 为 3.3V）。

例如，一个 5V 的 PWM 信号，占空比为 50%，其平均电压就是 2.5V。虽然瞬间电压只有 0V 或 5V，但对于许多设备（如 LED、电机），它们响应的是这种平均电压/功率。

三、PWM 的实现方式

PWM 信号通常由微控制器内部的硬件定时器 (Timer) 模块生成。

3.1 硬件定时器的工作原理

  1. 计数器 (Counter)：定时器内部有一个计数器，它以一个固定的频率（由系统时钟和预分频器决定）从 0 开始递增。
  2. 周期寄存器 (TOP / ARR)：计数器达到一个预设值（通常称为 TOP 或 ARR - Auto-Reload Register）后，会重新从 0 开始计数，完成一个周期。这个值决定了 PWM 信号的周期或频率。
  3. 比较匹配寄存器 (Compare Match / CCR)：定时器内部还有一个比较匹配寄存器。当计数器的值与这个寄存器中的值相等时，PWM 输出引脚的状态会发生翻转（通常是从高电平变为低电平或反之）。这个值决定了 PWM 信号的高电平持续时间或低电平持续时间，从而决定了占空比。

通过修改周期寄存器和比较匹配寄存器的值，就可以灵活地控制 PWM 信号的频率和占空比。

四、PWM 在 Arduino 中的应用

4.1 Arduino Uno (AVR 微控制器)

Arduino Uno (ATmega328P) 提供 6 个 PWM 引脚 (通常是 D3, D5, D6, D9, D10, D11)。这些引脚的 PWM 功能由其内部的 Timer0、Timer1 和 Timer2 模块提供。

  • analogWrite(pin, value);
    • 这是 Arduino 提供的一个高层抽象函数。
    • pin: 支持 PWM 的引脚编号。
    • value: 0 到 255 之间的整数值。
      • value = 0：占空比 0%（输出低电平）。
      • value = 127：约占空比 50%。
      • value = 255：占空比 100%（输出高电平）。
    • 默认频率：analogWrite() 函数默认使用 490 Hz (D5, D6) 或 980 Hz (D3, D9, D10, D11) 的 PWM 频率，分辨率为 8 位（0-255）。

示例：LED 亮度调节

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const int ledPin = 9; // 使用支持 PWM 的引脚

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 渐亮
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness += 5) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(30);
  }
  delay(1000);

  // 渐灭
  for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness -= 5) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(30);
  }
  delay(1000);
}

4.2 ESP32 Arduino

ESP32 拥有强大的 LEDC (LED Controller) 模块，提供多达 16 个独立的 PWM 通道，支持 1 到 16 位的分辨率，并且频率可调范围更广。这使得 ESP32 在生成精确、多通道 PWM 信号方面远超 AVR 微控制器。

ESP32 的 PWM 函数 (ledc)：

  • ledcSetup(channel, freq, resolution_bits): 配置 LEDC 通道。
    • channel: LEDC 通道编号 (0-15)。
    • freq: PWM 频率 (Hz)。
    • resolution_bits: 占空比分辨率 (1-16)。例如，8 位分辨率意味着占空比范围是 0 到 (2^8 - 1) = 255。
  • ledcAttachPin(pin, channel): 将 LEDC 通道与一个 GPIO 引脚关联。
  • ledcWrite(channel, duty_cycle): 设置指定通道的占空比。
    • duty_cycle: 值范围取决于 resolution_bits。对于 8 位分辨率，范围是 0-255。

示例：ESP32 LED 亮度调节

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const int ledPin = 13; // 任意 GPIO 引脚
const int ledcChannel = 0; // 使用 LEDC 通道 0
const int frequency = 5000; // PWM 频率 5 KHz
const int resolution = 8; // 8 位分辨率，占空比范围 0-255

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("ESP32 PWM (LEDC) Example");

  // 配置 LEDC 通道
  ledcSetup(ledcChannel, frequency, resolution);

  // 将通道与 GPIO 引脚关联
  ledcAttachPin(ledPin, ledcChannel);
}

void loop() {
  // 渐亮
  for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= pow(2, resolution) - 1; dutyCycle += 5) {
    ledcWrite(ledcChannel, dutyCycle);
    delay(30);
  }
  delay(1000);

  // 渐灭
  for (int dutyCycle = pow(2, resolution) - 1; dutyCycle >= 0; dutyCycle -= 5) {
    ledcWrite(ledcChannel, dutyCycle);
    delay(30);
  }
  delay(1000);
}

五、PWM 的应用场景

  • 直流电机速度控制：改变电机两端电压的平均值，从而控制电机转速。
  • LED 亮度调节：通过改变 LED 的平均电流，控制 LED 的发光亮度。
  • 舵机控制：通过调整特定频率下（通常 50Hz）的脉冲宽度，控制舵机的角度或连续旋转速度。
  • D/A 转换 (数字模拟转换)：通过低通滤波器平滑 PWM 信号，可以生成近似的模拟电压。
  • 加热控制：通过控制加热设备的通电时间比例，调节其平均功率。
  • 音频信号生成：通过快速改变占空比，模拟复杂的音频波形（需要较高的 PWM 频率和分辨率）。
  • 电源转换器 (如 Buck/Boost)：用于高效地转换电压。

六、PWM 的优缺点

6.1 优点

  1. 高效率：当开关器件（如 MOS 管）处于完全导通（低压降）或完全截止（低电流）状态时，功率损耗最小。PWM 通过快速切换状态，避免了模拟电路中晶体管长时间工作在线性区导致的能量损耗。
  2. 数字控制：可以使用微控制器直接生成和控制，编程简单。
  3. 精确控制：可以实现非常精细的调节，例如 8 位分辨率提供 256 级调节，16 位分辨率提供 65536 级调节。
  4. 抗干扰能力强：数字信号相对于模拟信号更不容易受到噪声干扰。
  5. 成本低：无需复杂的模拟电路。

6.2 缺点

  1. 噪声：PWM 信号的开关特性可能会产生电磁干扰 (EMI) 和噪声，尤其是在高功率应用中。
  2. 非线性响应：某些负载（如白炽灯）对平均电压的响应可能不是线性的，可能需要通过查找表或算法进行校正。
  3. 需要滤波：如果需要获得纯净的模拟电压，PWM 信号需要经过低通滤波器进行平滑。
  4. 频率选择：不合适的 PWM 频率可能导致可闻噪声（电机）或可见闪烁（LED）。

七、总结

PWM 是一种简单而强大的技术，它极大地拓展了微控制器在控制模拟世界方面的能力。从简单的 LED 调光到复杂的电机控制和电源管理，PWM 都扮演着核心角色。理解其基本原理、核心参数和在不同平台上的实现方式，是进行嵌入式开发和物联网项目不可或缺的知识。