代码收藏家技术教程 2023-10-09

嵌入式学习：深入解析PWM原理及应用

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前言

定义

参数

工作原理

应用

练习

前言

在STM32微控制器中，PWM代表脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）。PWM是一种用于控制电子设备的技术，通过调整信号的脉冲宽度和周期，可以模拟出不同的电压或功率级别。

在STM32中，PWM功能常用于控制电机速度、调节LED亮度、产生音频信号等应用。通过调整PWM的占空比（高电平时间占总周期的比例），可以控制输出信号的平均电压或功率。例如，如果PWM信号的占空比为50%，即高电平时间等于总周期的一半，那么输出信号的平均电压或功率也将为输入电压或功率的一半。

STM32微控制器提供了多个PWM通道，每个通道可以配置为不同的输出引脚，并具有灵活的配置选项，例如频率、占空比、极性等。开发者可以使用STM32的PWM功能来实现精确的电子设备控制。

定义

PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的缩写，它是一种调制技术，用于控制模拟信号的平均值。通过调整脉冲的宽度和周期，PWM可以模拟出不同的电压或功率级别。

在PWM中，信号由一系列固定周期的脉冲组成。脉冲的宽度表示信号的高电平时间，而周期表示脉冲的重复时间。通过改变脉冲的宽度与周期之间的比例，可以控制信号的平均电压或功率。

例如，如果脉冲的宽度占周期的一半，即50%的占空比，那么输出信号的平均电压或功率也将为输入电压或功率的一半。通过改变占空比，可以实现对输出信号的精确控制。

PWM广泛应用于各种领域，包括电机控制、LED亮度调节、音频信号生成等。它是一种高效、精确的控制技术，常用于模拟信号的数字化处理和电子设备的调节与控制。

参数

周期
高低电平变化所需要的时间，单位:ms
T=1/f T是周期，f是频率。
频率
在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。
例如：如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有50次PWM周期。
占空比
在一个脉冲周期内，高电平的时间占整个周期时间的比例，单位是% (0%-100%)。

工作原理

PWM的工作原理基于对脉冲的宽度和周期进行调制。下面是PWM的基本工作原理：

设定目标数值：首先，确定需要控制的目标数值，例如调节电机的速度或LED的亮度。这个目标数值通常以一个百分比或占空比的形式表示。
确定频率：选择PWM信号的频率，即脉冲的周期。频率决定了脉冲的重复速率，通常以赫兹（Hz）表示。常见的频率范围是几百赫兹到几十千赫兹。
计算占空比：根据目标数值和所选频率，计算所需的占空比。占空比表示高电平时间占周期的比例。例如，如果目标是50%的亮度或速度，则占空比为50%。
生成PWM信号：使用计时器和计数器来生成PWM信号。计时器根据所选频率生成一个固定周期的计时事件，并从0开始计数。计数器在每个计时事件中递增，当计数值小于占空比所对应的计数阈值时，输出为高电平；否则，输出为低电平。
输出控制：根据计数器的值，控制输出引脚的电平状态。在计数值小于阈值时，输出为高电平；在计数值大于等于阈值时，输出为低电平。这样就形成了一系列固定周期、宽度可变的脉冲信号。

通过调整占空比，可以控制输出信号的平均电压或功率。占空比越高，输出信号的平均电压或功率就越高，而占空比越低，输出信号的平均电压或功率就越低。

使用PWM，可以实现精确的控制，例如精确调节电机的速度或改变LED的亮度级别。PWM技术的优点包括高效率、精度高以及对输出设备影响小等。

计数器寄存器 (TIMx_CNT)
自动装载寄存器 (TIMx_ARR)
捕获/比较寄存器(TIMx_CCRx)

向上计数模式：

输出过程：
当0-t1这段时间，计数器寄存器的CNT的值是小于CCR，输出高电平。
当t1-t2这段时间，计数器寄存器的CNT的值是大于CCR且小于ARR的，输出低电平。
当CNT的值达到ARR里的值时，产生溢出事件，自动清零再次从0开始向上计数。

应用

PWM广泛应用于各种领域，以下是一些常见的PWM应用：

电机控制：PWM被广泛用于直流电机和步进电机的速度控制。通过改变PWM信号的占空比，可以调节电机的平均电压或功率，从而控制电机的转速和转矩。
LED亮度调节：PWM常用于LED照明中，可以通过改变PWM信号的占空比来控制LED的亮度。高占空比会使LED接收到更多的电流，从而提高亮度；低占空比则减小电流，降低亮度。由于LED的响应速度很快，所以人眼无法察觉到PWM信号的变化，从而实现了无闪烁的亮度调节。
音频信号生成：PWM也可以用于产生音频信号，例如在音频合成器或音频放大器中。通过调整PWM信号的频率和占空比，可以生成不同频率和幅度的音频信号。
电源控制：PWM在开关电源中得到广泛应用。通过调整PWM信号的占空比和频率，可以实现高效的电能转换，从而提高电源的效率和稳定性。
温度控制：PWM可用于温度控制应用，如加热器或风扇控制。通过调整PWM信号的占空比，可以控制加热器的输出功率或风扇的转速，从而实现精确的温度控制。
无线通信：PWM可用于数字调制解调器中，将数字信号转换为模拟信号进行传输。例如，脉冲位置调制（PPM）和脉冲编码调制（PCM）等调制技术常用于无线通信系统中。