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脉冲宽度调制 (PWM)：它是什么？如何使用？
在脉冲宽度调制 (PWM) 技术开发出来之前，人们为了调光而调节电压或电流的唯一方法就是使用变阻器或电位计。有了 PWM 技术之后，我们可以更轻松地控制更大的组件，例如电机、阀门、水泵、液压系统和其他机械组件。
通常，直流电压需要在零值以上或以下的某个值上保持恒定。脉冲宽度调制通过改变接通、关闭时间来将数字信号转换为模拟信号。术语“占空比”就是用来描述器件工作时接通时长相对关闭时长的百分比或比率。通常，可以产生 PWM 输出的设备具有很高的刷新率，以确保平均功率对负载“看起来”是恒定的。例如，我使用数字分析仪测试了 Arduino 平台，读数显示刷新率约为 500 Hz。这是一个 PWM 信号实例；我使用 LTSpice 仿真了该信号并捕获了其波形图。
PWM 信号通过一个由 Analog Devices 编制的电路仿真程序 LTSpice 生成。
我使用了不同的电压电平，并为每个信号设置了一个偏移量，以显示不同占空比间的差异。如图所示，较高占空比意味着信号保持接通而不是关闭，而对于低占空比则相反。
这种信号到底能用来完成什么工作呢？支持 PWM 的设备可维持用户定义的占空比，在某些情况下，用户可以随时编程改变脉冲宽度。从数学上讲，支持 PWM 的设备能够改变输出，因此也出现了“平均”电压概念。设置为 50% 占空比的信号将使提供给负载的平均电压大致降低 50% 。但是由于设备并非 100% 精确，因此在大多数情况下这是不切实际的，要考虑使用更好的度量方法，即均方根 (RMS) 值。许多万用表和其他测量设备都可以进行 RMS 值测量。例如，在一个 LTSpice 仿真中，占空比为 50%、刷新率为 60 Hz 的 5 VDC 信号的 RMS 电压为 3.57 V。另外我还加了一个通常会吸取 1 A 电流的负载，除了没有 PWM 脉冲，其余条件都相同，占空比为 50% 时，读数为 714 mA RMS。
根据应用的不同，数字信号趋向保持在 5 V 或 3.3 V 左右，但是使用 MOSFET 可以“复制”对较大电压的影响。由于这些晶体管通常用作压控开关，因此根据栅源电压的不同，它们将以与 PWM 信号相同的速率导通和截止。这种反应使高电压看起来像 PWM 信号并遵循相同的行为。对几个组件模拟“调光”效果时，PWM 特别有用。LED 对电位计的反应不佳，尤其是电流和电压较高的 LED。但是，与 MOSFET 串联的 PWM 器件则可以将电压保持在足够高的水平，以使 LED 保持更长的导通时间，从而形成更大的调光范围。PWM 也用于使用相同概念来控制电动机的速度。
如果您是第一次尝试使用 PWM，建议您使用 Arduino 平台。我使用的两种型号是：1050-1024-ND 和 1050-1018-ND。MEGA 具有更多提供 PWM 输出的引脚。Arduino 则使用“analogWrite(pin, val)” 函数来完成分配，引脚变量就是支持 PWM 的 I/O（引脚旁边有个 ~ 符号），值可以是 0 到 255 之间的任意值。零将指 0% 的占空比，而 255 则指 100% 的占空比。
关于此作者
Kaleb Kohlhase，电子技术员 – DigiKey 应用工程部：Kaleb 于 2018 年初加入 DigiKey。他兴趣广泛，涉猎领域包括数字逻辑、编程、电路仿真、PCB 设计、3D 建模、音频电路等。Kaleb 于 2017 年毕业于明尼苏达州立大学，获得工程学士学位。他擅长理解电路图和数据表等技术文档，编写有关研究信息的技术文档，对各种系统进行故障排除，通过制作物理原型来最终确定概念，以及使用各种计算机语言进行编程。业余时间，Kaleb 喜欢与妻子一起追剧 Netflix，玩视频游戏，骑自行车，游泳以及学习电子技术。
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