1. PWM 基础概念：从原理到实战
各位同学好，我是老周。今天咱们开始聊 PWM——脉冲宽度调制。这玩意儿在嵌入式里太常用了，电机、灯光、舵机，哪哪都有它。我最早接触 PWM 还是大学做智能车的时候，那时候只知道调占空比能让电机转得快一点，但到底为什么能调速，说实话没深想。后来踩了不少坑，才把这里面的门道摸清楚。
好，咱们一步步来。
1.1 什么是 PWM？
PWM，全称 Pulse Width Modulation，中文叫脉冲宽度调制。说白了，就是让一个方波信号的高电平时间占比发生变化。
你想想看，数字电路里只有 0 和 1，高电平 3.3V，低电平 0V。那怎么输出一个 1.5V 的电压？直接输出不行，但我们可以让信号快速地在 3.3V 和 0V 之间切换，只要高电平的时间占一半，低电平占一半，平均下来就是 1.65V。这就是 PWM 的核心思想——用数字信号模拟模拟量。
核心公式：
平均电压 = 高电平电压 × 占空比
占空比 = 高电平时间 / 整个周期时间 × 100%
举个例子，3.3V 的 GPIO，输出 50% 占空比的 PWM，平均电压就是 1.65V。输出 75% 占空比，平均电压就是 2.475V。嗯，这里要注意，这个平均电压不是真的直流，而是信号经过惯性环节（比如电机线圈、LED 人眼）之后的等效效果。
1.2 周期与占空比——两个关键参数
PWM 信号有两个核心参数：周期和占空比。我习惯把它们比作呼吸的节奏和深度。
- 周期（Period）：一个完整脉冲的时间长度，单位通常是微秒（μs）或毫秒（ms）。周期决定了 PWM 的频率，频率 = 1 / 周期。
- 占空比（Duty Cycle）：高电平时间占整个周期的百分比。范围 0% 到 100%。
举个例子，一个 1kHz 的 PWM 信号，周期就是 1ms。如果高电平持续 0.5ms，占空比就是 50%。
| 参数 | 符号 | 单位 | 典型范围 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 周期 | T | μs / ms | 1 μs ~ 100 ms | 频率的倒数，决定 PWM 的刷新速度 |
| 频率 | f | Hz / kHz | 10 Hz ~ 1 MHz | 周期越短，频率越高 |
| 占空比 | D | % | 0% ~ 100% | 高电平时间占比，决定等效输出 |
| 分辨率 | — | bit | 8 bit / 16 bit | 占空比可调节的精细程度 |
我的经验：选频率的时候别盲目。我曾经在一个电机项目里用了 100kHz 的 PWM，结果电机啸叫得厉害，后来换成 20kHz 就安静了。人耳对 20kHz 以上的频率不敏感，但电机线圈和驱动器不一定受得了。建议先查一下负载的响应带宽，再定频率。
1.3 PWM 的三大应用场景
PWM 的应用场景太多了，但最经典的三个，我挨个说说。
1.3.1 电机调速
直流电机调速，PWM 是主流方案。原理很简单：电机两端的平均电压越高，转速越快。通过改变占空比，就能平滑地控制转速。
我曾经在一个 AGV 小车上用过 L298N 驱动板，PWM 频率设成 10kHz，占空比从 0% 调到 100%，电机转速跟着线性变化。但有个坑——死区。占空比低于 10% 的时候，电机根本转不起来，因为启动扭矩不够。所以实际项目中，我一般会设一个最小占空比阈值，比如 15%。
避坑指南：电机 PWM 频率不能太低，否则电机会一抖一抖的，像在跳舞。也不能太高，否则 MOSFET 开关损耗剧增，驱动器发热严重。我一般推荐 1kHz ~ 20kHz，具体看电机和驱动器的 datasheet。
1.3.2 LED 调光
LED 调光，PWM 也是首选。人眼有视觉暂留效应，只要 PWM 频率高于 60Hz，人眼就感觉不到闪烁，看到的只是亮度的变化。
占空比 0% 时 LED 全灭，100% 时最亮。中间任意比例都能实现平滑调光。我做过一个智能台灯项目，用 1kHz 的 PWM 调光，效果非常好，完全没有频闪感。
但要注意，LED 的亮度与占空比不是完全线性的。人眼对亮度的感知是对数关系，所以如果要做平滑的呼吸灯效果，需要对占空比做 gamma 校正。我一般用查表法，把 0~255 的占空比映射到经过校正的数值上。
// 简单的 gamma 校正查表（gamma = 2.2）
const uint8_t gamma_table[256] = {
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
// ... 中间省略 ...
251, 252, 253, 254, 255
};1.3.3 舵机控制
舵机控制是 PWM 的另一个经典应用。标准舵机（比如 SG90）的控制信号是 50Hz 的 PWM，周期 20ms。占空比 1ms 对应 0°，1.5ms 对应 90°，2ms 对应 180°。
说白了，就是通过改变高电平的脉宽来控制舵机转动的角度。我刚开始做的时候，直接用延时函数模拟 PWM，结果舵机抖得不行。后来换成硬件定时器，精度到微秒级，才稳定下来。
| 角度 | 脉宽（μs） | 占空比（50Hz） | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0° | 1000 | 5% | 最左位置 |
| 90° | 1500 | 7.5% | 中间位置 |
| 180° | 2000 | 10% | 最右位置 |
我的习惯：舵机控制一定要用硬件 PWM，别用软件模拟。软件模拟容易受中断影响，导致脉宽抖动，舵机就会跟着抖。STM32 的定时器 PWM 模式，或者 Arduino 的 Servo 库，都是好选择。
1.4 本章知识体系总览
下面这张图，把 PWM 的核心概念、关键参数和三大应用场景串起来了。你可以把它当作本章的思维导图。
1.5 小结
这一章咱们把 PWM 的基础概念捋了一遍。周期和占空比是灵魂，电机调速、LED 调光、舵机控制是三大经典应用。我个人觉得，理解 PWM 的关键不在于背公式，而在于想清楚一个问题：为什么一个方波信号能控制模拟量？想通了这一点，后面配置定时器、调参数就顺了。