PWM波形生成

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过调节脉冲的占空比来控制模拟信号的技术，广泛应用于电机调速、LED调光、电源控制等领域。

1. PWM核心参数

  • 频率（Frequency）：
    每秒内脉冲重复的次数，单位Hz。
    • 电机控制：1kHz~20kHz（避免可闻噪声）。
    • LED调光：100Hz~1kHz（高于人眼闪烁感知频率）。
    • 音频生成：20Hz~20kHz（需匹配音频范围）。
  • 占空比（Duty Cycle）：
    高电平时间占整个周期的百分比，范围0%~100%。
    • 占空比 = (高电平时间 / 周期时间) × 100%
  • 分辨率（Resolution）：
    占空比可调节的最小步长，由计数器位数决定。
    • 8位分辨率：256级（步长0.39%）。
    • 16位分辨率：65536级（步长0.0015%）。

2. PWM生成原理

(1) 硬件PWM（基于定时器）

  • 核心组件：
    • 计数器：递增或递减计数，产生周期性基准。
    • 比较寄存器（CCR）：设置占空比阈值。
    • 自动重载寄存器（ARR）：设置周期长度。
  • 工作流程：
    1. 计数器从0开始递增，达到CCR值时输出电平翻转。
    2. 计数器达到ARR值时复位，并触发更新事件，开始新周期。
  • 频率计算：

频率定时器时钟源频率预分频系数值

  • 占空比计算：

占空比值值

  • 配置示例（STM32定时器）：

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    TIM_HandleTypeDef htim;
    htim.Instance = TIM1;
    htim.Init.Prescaler = 79;           // 预分频系数80（80MHz/80=1MHz）
    htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim.Init.Period = 999;             // ARR=999 → 频率=1MHz/(999+1)=1kHz
    htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim);

    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;              // CCR=500 → 占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);

(2) 软件PWM（GPIO模拟）

  • 实现方式：
    使用定时器中断或延时函数，手动控制GPIO电平翻转。

  • 代码示例（Arduino）：

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    void setup() {
      pinMode(9, OUTPUT);
    }

    void loop() {
      digitalWrite(9, HIGH);
      delayMicroseconds(200);  // 高电平时间200μs
      digitalWrite(9, LOW);
      delayMicroseconds(800);  // 低电平时间800μs → 周期1ms，占空比20%
    }

  • 局限性：

    • 精度低（受中断延迟和代码执行时间影响）。
    • 占用CPU资源，难以生成高频PWM（通常<10kHz）。

3. PWM模式类型

模式 描述 应用场景
边沿对齐 计数器单向递增或递减，脉冲边沿对齐周期边界 通用控制（如LED调光）
中心对齐 计数器先递增后递减，脉冲中心对齐周期边界 电机驱动（减少谐波噪声）
互补输出 主通道与互补通道输出反相PWM，插入死区时间防止短路 H桥电机驱动
多通道同步 多个PWM通道共享ARR，相位可调 RGB LED颜色混合

4. 关键电路设计

(1) 驱动能力增强

  • MOSFET/晶体管驱动：
    PWM信号通过MOSFET（如IRF540N）或驱动芯片（如L298N）放大电流，驱动电机或大功率负载。
  • RC滤波转换模拟信号：
    对PWM输出进行低通滤波，得到平滑的模拟电压：

占空比

  • 滤波器截止频率：，需远低于PWM频率。

(2) 死区时间（Dead Time）

  • 作用：防止H桥上下管同时导通造成短路。

  • 实现：在互补PWM的上升沿和下降沿之间插入延迟（通常50ns~1μs）。

  • STM32配置示例：

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    TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig;
    sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0x80;  // 死区时间=0x80*T_dts
    HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim, &sBreakDeadTimeConfig);

5. 高级应用技巧

(1) 提高分辨率

  • 时钟预分频优化：
    降低定时器时钟频率（增大预分频系数），以增加ARR值，但会降低PWM频率。
  • 微步进PWM：
    结合多个PWM相位差，合成更高分辨率信号（如两路90°相位差PWM叠加）。

(2) 动态调整PWM

  • 呼吸灯效果：

    线性或非线性改变CCR值，实现亮度渐变。

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    for (int i=0; i<1000; i++) {
      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, TIM_CHANNEL_1, i);
      HAL_Delay(1);
    }

(3) 多设备同步

  • 使用主从定时器模式，确保多个PWM信号相位一致。

6. 常见问题与解决

Q1：PWM输出有毛刺？

  • 原因：GPIO切换速度过快或负载电感产生尖峰。
  • 解决：增加RC滤波、使用肖特基二极管续流。

Q2：如何测量PWM参数？

  • 使用示波器直接观测波形，或通过输入捕获模式测量频率/占空比。

Q3：高精度PWM如何实现？

  • 选择高位定时器（如32位ARR）、降低时钟分频，或使用专用PWM芯片（如LT6992）。

通过合理配置定时器和外围电路，PWM可实现从简单控制到高精度驱动的广泛应用。硬件PWM效率高且稳定，而软件PWM适用于资源受限的场景。