PWM信号的占空比和频率有什么区别?

2024-09-10

逆变器、转换器、SMPS 电路和速度控制器......在所有这些电路中常见的一件事是它内部包含许多电子开关。这些开关不过是
MOSFET、IGBT、TRIAC等电力电子设备。为了控制这些电力电子开关,我们通常使用称为 PWM 信号(脉冲宽度调制)的东西。除此之外,PWM
信号还用于驱动伺服电机以及其他简单的任务,例如控制 LED 的亮度。

在之前已经介绍过ADC,而 ADC 用于通过微控制器等数字设备读取模拟信号。PWM 可以被认为与它完全相反,PWM
用于从微控制器等数字设备产生模拟信号。在本文中,我们将了解什么是 PWM、 PWM 信号以及与之相关的一些参数,以便我们有信心在设计中使用它们。

什么是 PWM(脉冲宽度调制)?

PWM代表脉冲宽度调制,目前将 PWM 理解为一种可以由数字 IC(如微控制器或555
定时器)产生的信号。这样产生的信号将具有一串脉冲,并且这些脉冲将是方波的形式。也就是说,在任何给定的时间点,波浪要么是高的,要么是低的。为了便于理解,让我们考虑一个
5V PWM 信号,在这种情况下,PWM 信号将是 5V(高)或接地电平
0V(低)。信号保持高电平的持续时间称为“开启时间”,信号保持低电平的持续时间称为“关闭时间”。

对于 PWM 信号,我们需要查看与其相关的两个重要参数,一个是 PWM 占空比,另一个是 PWM 频率。



PWM信号的占空比和频率有什么区别? (https://ic.work/) 工控技术 第1张

PWM 的占空比

如前所述,PWM 信号会在特定时间内保持打开状态,然后在剩余时间段内保持关闭状态。使这个 PWM 信号特别和更有用的是,我们可以通过控制 PWM
信号的占空比来设置它应该保持多长时间。

PWM 信号保持高电平(开启时间)的时间百分比称为占空比。如果信号始终打开,则占空比为 100%,如果始终关闭,则占空比为
0%。计算占空比的公式如下所示。

占空比=开启时间/(开启时间+关闭时间)

下图表示占空比为 50% 的 PWM 信号。如您所见,考虑到整个时间段(开启时间 + 关闭时间),PWM 信号仅在 50% 的时间段内保持开启。



PWM信号的占空比和频率有什么区别? (https://ic.work/) 工控技术 第2张

通过控制占空比从 0% 到 100%,我们可以控制 PWM
信号的“开启时间”,从而控制信号的宽度。由于我们可以调制脉冲的宽度,所以它的标志性名称是“脉冲宽度调制”。

PWM 的频率

PWM 信号的频率决定了 PWM 完成一个周期的速度。如上图所示,一个周期是 PWM 信号的完整 ON 和 OFF 时间。计算频率的公式如下

频率 = 1/时间段

时间段 = 开启时间 + 关闭时间

通常由微控制器产生的 PWM 信号约为 500
Hz,这样的高频将用于高速开关设备,如逆变器或转换器。但并非所有应用都需要高频。例如,要控制伺服电机,我们需要产生频率为 50Hz 的 PWM 信号,因此
PWM 信号的频率也可以由所有微控制器的程序控制。

关于 PWM 的一些常见问题

PWM信号的占空比和频率有什么区别?

PWM 信号的占空比和频率经常被混淆。众所周知,PWM
信号是具有特定开启时间和关闭时间的方波。这个开启时间和关闭时间的总和称为一个时间段。一个时间周期的倒数称为频率。而 PWM
信号在一个时间段内应保持开启的时间量由 PWM 的占空比决定。

简单来说,PWM信号开启和关闭的速度取决于PWM信号的频率,而在这个速度下,PWM信号应该保持开启多长时间取决于PWM信号的占空比。

如何将 PWM 信号转换为模拟电压?

对于简单的应用,例如控制直流电机的速度或调整 LED 的亮度,我们需要将 PWM 信号转换为模拟电压。这可以通过使用RC 滤波器轻松完成,并且通常用于需要
DAC 功能的地方。相同的电路如下所示



PWM信号的占空比和频率有什么区别? (https://ic.work/) 工控技术 第3张

在上图中,黄色的是 PWM 信号,蓝色的是输出模拟电压。电阻 R1 和电容 C1 的值可以根据 PWM 信号的频率来计算,但通常使用 5.7K 或 10K
的电阻和 0.1u 或 1u 的电容。

如何计算PWM信号的输出电压?

PWM 信号转换为模拟信号后的输出电压将是占空比的百分比。例如,如果工作电压为 5V,那么 PWM 信号在高电平时也会有 5V。在这种情况下,对于
100% 占空比,输出电压将为 5V,对于 50% 占空比,它将为 2.5V。

输出电压 = 占空比 (%) * 5


文章推荐

相关推荐