2. PWM 基础原理：占空比、频率与生成方式

PWM，全称 Pulse Width Modulation，脉宽调制。说白了，就是通过快速开关信号，让负载“感觉”到的是一个平均电压。我刚开始接触嵌入式时，总觉得这玩意儿不就是个方波嘛，有啥好讲的？后来调电机、调LED亮度，才发现里面的门道真不少。

这一节，咱们把 PWM 的三个核心参数——占空比、频率、分辨率——彻底讲透，再聊聊硬件 PWM 和软件 PWM 怎么选。

2.1 占空比与频率：PWM 的两个基本维度

先看一张最基础的 PWM 波形图，理解这两个参数到底在描述什么。

占空比（Duty Cycle），就是高电平时间占整个周期的百分比。50% 占空比，意味着信号一半时间高、一半时间低。我习惯用 LED 亮度来理解：100% 占空比就是最亮，0% 就是灭，中间值就是不同亮度。

频率（Frequency），就是 1 秒内信号重复了多少个周期。单位是 Hz。频率决定了 PWM 的“细腻程度”——频率太低，LED 会闪烁，电机可能会抖动；频率太高，开关损耗会变大。

2.2 PWM 分辨率：你能调多细？

分辨率，决定了占空比的调节步长。举个例子：8 位 PWM，分辨率就是 256 级（0~255）。你想想看，如果只有 4 位（16 级），调 LED 亮度时就会一档一档地跳，很不平滑。

我在项目中遇到过用 8 位 PWM 调呼吸灯，效果还行。但后来做高精度电机控制，8 位就不够用了——速度波动肉眼可见。换成 16 位 PWM，立马顺滑。

分辨率	级数	典型应用	我的建议
8 位	256	LED 调光、风扇调速	够用，但别要求太高
10 位	1024	舵机控制、简易电机	性价比不错
12 位	4096	精密电机、音频生成	我常用的选择
16 位	65536	高精度伺服、仪器仪表	性能过剩，看需求

2.3 硬件 PWM vs 软件 PWM：怎么选？

这是新手最容易纠结的问题。我直接说结论：能用硬件 PWM，就别用软件 PWM。但有些场景，软件 PWM 反而是唯一选择。

硬件 PWM

由 MCU 内部的定时器/计数器模块直接生成。CPU 只需要配置好寄存器，剩下的硬件自己搞定。

• 优点：不占 CPU、频率稳定、分辨率高、支持多通道同步
• 缺点：引脚固定、通道数有限、灵活性差
• 典型芯片：STM32 的 TIM 模块、ESP32 的 LEDC、AVR 的 Timer

软件 PWM

用 GPIO + 定时器中断，在中断服务函数里手动翻转电平。

• 优点：任意引脚都能用、通道数不受限、灵活
• 缺点：吃 CPU、频率受限、多路时抖动大
• 典型场景：引脚不够用、临时调试、低频应用

2.4 软件 PWM 实现示例（仅供理解）

虽然我不推荐在产品里用软件 PWM，但理解它的原理，能帮你更清楚硬件 PWM 在做什么。下面是一个极简的软件 PWM 伪代码：

// 伪代码：软件 PWM 实现
// 假设定时器每 10us 触发一次中断

uint8_t duty_cycle = 128;  // 0-255, 50% 占空比
uint8_t counter = 0;

void timer_isr() {
    counter++;
    if (counter < duty_cycle) {
        GPIO_SetPin(HIGH);   // 输出高电平
    } else {
        GPIO_SetPin(LOW);    // 输出低电平
    }
    if (counter >= 255) {
        counter = 0;         // 周期结束
    }
}

看到了吗？每次中断都要做比较、翻转 GPIO。如果同时跑 4 路软件 PWM，中断里就要做 4 次比较。CPU 基本就被占满了。我早期做项目时就这么干过，结果主循环里的传感器读取全卡死了……后来老老实实换了硬件 PWM。

2.5 本章知识结构图

下面这张图总结了 PWM 的核心知识体系，方便你对照复习：

2.6 避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑：

• 频率选错导致电机啸叫：我曾经把 PWM 频率设成 1kHz，电机发出刺耳尖叫声。后来查到人耳敏感区在 2~4kHz，把频率提到 20kHz 以上就听不到了。
• 分辨率不够导致 LED 闪烁：用 8 位 PWM 调 LED 灯带，低亮度时肉眼可见闪烁。原因是低占空比下，脉冲太窄，LED 来不及完全熄灭就再次点亮。解决办法：提高频率或增加分辨率。
• 软件 PWM 导致系统卡死：这个前面提过，中断里做太多事，主循环被饿死。后来我加了个标志位，中断里只置位，主循环里处理，才算解决。