1. 脉冲宽度调制（PWM）基础概念与原理

各位同学，咱们今天聊聊PWM。说白了，脉冲宽度调制就是用数字信号去模拟模拟信号的一种手段。我刚开始接触嵌入式那会儿，总觉得这玩意儿有点绕——明明是个方波，怎么就能控制电机转速、调节LED亮度呢？

其实道理很简单。你想想看，一个方波信号，高电平时间占整个周期的比例，我们叫它占空比。改变这个比例，负载感受到的平均电压就变了。电机转得快慢、灯亮暗，本质上都是这个平均电压在起作用。

1.1 PWM的三个关键参数

做PWM控制，你绕不开这三个东西：频率、占空比、分辨率。我见过不少新手，上来就调占空比，结果电机嗡嗡响——频率没设对。

参数	定义	典型范围	我的经验
频率	每秒脉冲周期数	50 Hz ~ 几百 kHz	电机用 1~20 kHz，LED 用 >100 Hz 即可
占空比	高电平时间占比	0% ~ 100%	别卡在 0% 或 100% 太久，容易出问题
分辨率	占空比可调的最小步进	8-bit ~ 16-bit	8-bit 够用，但调光细腻度差些

1.2 PWM是怎么产生的？

硬件上，PWM信号通常由定时器生成。定时器里有个计数器，从0一直数到某个上限值（ARR）。还有个比较寄存器（CCR），当计数值小于CCR时，输出高电平；大于等于CCR时，输出低电平。就这么简单。

拿STM32举个例子：

// 假设定时器时钟 72 MHz，预分频 71，ARR = 999
// 那么 PWM 频率 = 72 MHz / (71+1) / (999+1) = 1 kHz
// 占空比 50% 时，CCR = 500

TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;        // 预分频
htim2.Init.Period = 999;          // 自动重装载值
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

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(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

1.3 PWM的应用场景

PWM这东西，说白了就是个万能工具。我这些年做过的项目里，几乎每个都离不开它。

• 电机调速：直流电机、步进电机、BLDC，全得靠PWM。占空比越大，转速越高。
• LED调光：人眼有视觉暂留效应，频率够高就看不到闪烁。我一般用 200 Hz 以上。
• 开关电源：Buck、Boost电路的核心就是PWM。这里频率和占空比直接影响输出电压纹波。
• 舵机控制：标准舵机需要 50 Hz 的PWM，占空比 5%~10% 对应 0°~180°。
• 音频生成：用PWM模拟正弦波，就是所谓的 Class-D 功放原理。

1.4 占空比与平均电压的关系

这个关系其实很直观。假设你有一个 5V 的方波，占空比 60%，那平均电压就是 5V × 60% = 3V。但要注意，负载不是纯阻性的时候，情况会复杂一些。

我做过一个项目，用PWM控制电磁阀。一开始以为占空比50%就能让阀开一半，结果发现阀根本没动——电磁阀有启动阈值电压，低于那个值它根本不工作。所以，平均电压只是参考，实际效果还得看负载特性。

1.5 PWM信号的质量指标

做硬件的人都知道，理想方波不存在。实际PWM信号有几个关键指标：

指标	说明	影响
上升时间	信号从10%到90%的时间	太慢会导致开关损耗增加
下降时间	信号从90%到10%的时间	同上，还会产生EMI
过冲/下冲	信号超过目标电压的幅度	可能损坏负载或驱动电路
抖动	脉冲边沿的时间偏差	导致控制精度下降

嗯，这里要注意。我见过有人用示波器看PWM波形，发现上升沿有毛刺，以为是芯片坏了。其实多半是探头接地没做好，或者走线太长。先检查测量方法，再怀疑硬件。

1.6 PWM的核心逻辑框架

下面这张图，是我自己总结的PWM知识体系。你看一遍，应该能对PWM有个整体认识。

这张图把PWM的三大参数、生成方式、应用场景和质量指标串在了一起。你照着这个框架去理解，后面学优化策略会轻松很多。