2020年02月25日 | PIC单片机之PWM原理分析

　　1、什么是PWM

　　什么是PWM，专业点说脉宽调制，通俗点说 就是不断的输出高低电平。 比如 单片机 40ms的时间 输出高电平然后60ms的时间 输出低电平接着一直不断周期性的交替输出高低电平 这就是典型的PWM波。高电平输出的时间40ms就是传说中的脉宽，40ms+60ms＝100ms 便是PWM的周期。假定我们把周期定为100ms.我们可以根据我们的需要 把高电平的时间加大或者减小，比如 高电平输出时间加大为80ms.那么低电平的时间就变为20ms. 也可以 高电平输出时间减小为20ms.那么低电平的时间就变为80ms.这即是脉宽调制 调的便是这高电平的时间。 而高电平（脉宽）在周期中，所占用的时间比例 就被称为占空比。用数学公式表示 高电平的时间/周期的时间＝占空比。

　　2、PWM的实现方式

　　我们如何让单片机输出PWM波。有两种方式 一种是直接用I/O输出，另一种方式利用模块。

　　2.1利用I/O口输出PWM

　　如果你的单片机没有带有PWM输出功能模块，那么你可以自己写个程序输出PWM波。因为PWM不就是高低电平。一个I/O在加上一个定时器，对于任何单片机来说都是很容易做到的。

　　2.2利用模块输出PWM

　　对于PIC单片机而言就带有输出PWM的功能模块。利用模块输出PWM其实比利用I/O输出PWM更加简单便捷精确。

　　3、PWM控制的基本原理

　　理论基础：

　　冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

　　面积等效原理：

　　分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

　　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

　　SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图3用PWM波代替正弦半波

　　4、PWM工作原理分析

　　脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。下图所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。

　　通过图b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs《 《的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：

　　其中，x{t}是离散化的语音信号;Ts是采样周期; 是未调制宽度;m是调制指数。

　　然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处， 在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp（t）可以表示为：

　　其中， 。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x（t）加上一个直流成分以及相位调制波构成。当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。

　　5、PWM的优点

　　PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

　　对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

　　总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

　　6、PWM的作用

　　PWM能用来做什么？PWM比较典型的应用就是对LED调光和电机调速。那PWM是如何进行调光和调速的呢，其实也很好理解。以给LED调光为例。给LED一直通电LED是最亮的。不给LED断电LED是不亮的。那要是在极短的时间内给LED不断的通电断电。那给人眼的感觉就是LED虽然是亮的，但亮度较低。

　　如果单片机高平输出时LED是亮的。那么在PWM波中高电平输出的时间越长LED就越亮，反之则越暗。

　　7、PIC单片机学习之PWM信号输出

　　实现功能：通过键盘（BUTTON）控制蜂鸣器发生，键盘按下，通过RC2/CCP1接口输出PWM信号（频率880Hz，脉宽50）驱动蜂鸣器发声。

　　实验环境：Proteus

　　编程语言：汇编

　　编程环境：MPLAB

　　单片机：PIC16F877

　　晶振：20MHz

　　Proteus仿真电路如下图：

　　实验源程序：

　　LIST P=16F877

　　;设置pwm为880Hz，50%占空比 INCLUDE P16F877.INC

　　ORG

　　0000H

　　START BANKSEL TRISC;进入TRISC所在BANK BCF

　　TRISC，2;清零TRIC的bit2，以使CCP1引脚成为输出

　　MOVLW D‘70’

　　MOVWF PR2;将70写入PR2以设置PWM周期

　　BANKSEL CCPR1L

　　MOVLW D‘35’

　　MOVWF CCPR1L

　　MOVLW 0X06

　　MOVWF T2CON;bit2=1，使能TImer2，bit1-1，预分频值为16

　　CHECKBUTTON BTFSC PORTA，4

　　GOTO

　　BUTTONOFF

　　BUTTONON MOVLW H‘0C’

　　MOVWF CCP1CON;设置CCP1为PWM模式

　　GOTO

　　CHECKBUTTON

　　BUTTONOFF

　　CLRF CCP1CON

　　GOTO CHECKBUTTON

　　END