占空比

理解PWM的关键是一个指标：**占空比**。

- 定义：在一个周期内，信号处于“高电平”（开）的时间占总时间的百分比。

- 公式：占空比 = (开的时间 / 周期总时间) × 100%

-0% 占空比**：一直关。

-100% 占空比**：一直开。

- 50% 占空比**：一半时间开，一半时间关。

- 25% 占空比**：四分之一时间开，四分之三时间关。

开关速度很快（每秒成千上万次），被控的物理量（如灯的亮度、电机的力量）由于惯性，来不及响应每一次开关，只会感受到一个平滑的、平均的效果。这个平均效果的大小，就等于 **100%输出 × 占空比**。

 

呼吸灯

- 目标：让LED灯从暗到亮，再从亮到暗，像呼吸一样柔和变化。

- 原理：LED的亮度与流过的平均电流成正比。人眼有视觉暂留效应，看不到LED在高速闪烁。

- 工作过程：

  1.  逐渐变亮：程序控制PWM信号的**占空比从0%平滑增加到100%**。

      - 占空比0%（0.1%）：灯几乎不亮。

      - 占空比50%：开/关时间相等，灯看起来是半亮。

      - 占空比75%：灯非常亮。

      - 占空比100%：灯最亮。

  2.  逐渐变暗：程序控制**占空比从100%平滑减小到0%**。

  3.  循环往复：不断重复上述过程，就形成了呼吸效果。

如果不用PWM，想让LED变暗只能串联一个电阻，但那样会浪费能量且无法精确动态调节。PWM效率极高，几乎没有额外损耗。

 

电机调速（如风扇、小车）

- 目标**：平滑控制直流电机的转速。

- 原理**：直流电机转速与加在其两端的**平均电压**成正比。电机转子和负载有**机械惯性**，高速通断的PWM信号会被“平滑”成稳定的平均电压和扭矩。

- 工作过程：

  1.  低速：给一个**低占空比**（如20%）的PWM信号。大部分时间关闭，电机获得平均电压很低，无力慢转。

  2.  中速：占空比提高到**50%**。半开半关，电机获得一半的平均电压，转速适中。

  3.  高速：占空比提高到**90%**。几乎一直开，电机获得接近满额的电压，全速旋转。

**实际应用**：四轴飞行器就是通过PWM信号，以每秒数百次的速度调节每个电机的占空比，来实现悬停、翻滚等复杂动作的。如果不用PWM，用可变电阻调速，大电流下电阻会剧烈发热并浪费大量电能。

 

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两个案例的对比

 

| 特性 | 呼吸灯 | 电机调速 |

| :--- | :--- | :--- |

| **被控对象** | LED灯珠 | 直流电机 |

| **利用的物理特性** | 人眼视觉暂留 | 电机和负载的机械惯性 |

| **物理效果** | LED的平均亮度变化 | 电机的平均电压和转速变化 |

| **控制方式** | 平滑改变占空比 | 按需设定目标占空比 |

| **额外现象** | 可能看到轻微闪烁 | 低占空比或频率不当时，可能听到“滋滋”声 |

 

几个关键参数与注意事项

1.  **频率**：是指1秒内开关多少次。

    - **控制灯光**：频率需高于约100Hz，以避免人眼察觉闪烁。更高频率（如10kHz+）可以避免相机拍摄时出现条纹。

    - **控制电机**：频率通常在几百Hz到几十kHz。太低（<1kHz）可能导致电机抖动或发出啸叫声；太高会增加开关管的损耗。

2.  **精度**：指能把占空比细分到什么程度（例如8位精度就是0/255 ~ 255/255）。

3.  **硬件实现**：几乎所有单片机（如Arduino、STM32）都有专用的硬件PWM引脚，无需软件模拟，精确且不占用CPU。

 

总结

PWM是一种**数字、高效、精确**的模拟信号生成方法，核心就是**用开关的时间比例来等效出想要的输出强度**。它广泛用于：

- LED调光（台灯、屏幕背光）

- 机控制（无人机、机器人、电动车、变频家电）

- 音频合成（某些简易数字音频）

- 通信编码（如红外遥控）

- 电源管理（开关电源、电压调节）