1. PWM 基础概念：从波形到实战

各位同学好，我是老周。做嵌入式这些年，PWM 是我打交道最多的外设之一。今天咱们就从最基础的东西聊起——什么是 PWM，它的两个核心参数，以及到底能用在哪些地方。

你可能会想，PWM 不就是个方波吗？嗯，对，也不全对。它背后藏着不少门道。

PWM，全称 Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。说白了，就是通过调节脉冲的宽度来模拟一个连续变化的信号。

我习惯这么理解：你有一个开关，只能开或关。但如果你开关的速度足够快，并且控制每次开的时间比例，就能让负载感受到一个介于 0 和 100% 之间的效果。比如 LED 灯，快速闪烁时人眼就感觉它在半亮。

核心思想：数字引脚只能输出高电平或低电平，但通过快速切换并控制高电平的持续时间，就能模拟出模拟量输出效果。

举个例子，我早期做的一个项目里，需要用一个 GPIO 控制加热丝的功率。没有 DAC，怎么办？PWM 就是答案。50% 占空比，加热丝就工作在 50% 功率。简单粗暴，但有效。

这两个参数是 PWM 的灵魂。搞不懂它们，后面优化就无从谈起。

占空比，就是一个周期内高电平时间占总周期的百分比。

我曾经踩过一个坑：用 8 位定时器做 PWM，占空比寄存器写 255 对应 100%，写 0 对应 0%。但有个芯片的计数器是从 0 到 255 共 256 个周期，所以 50% 占空比对应的值不是 128，而是 127。这种细节，手册不仔细看真容易翻车。

频率就是 PWM 信号每秒钟重复的次数，单位 Hz。频率决定了 PWM 的「细腻程度」和「响应速度」。

我的经验：选频率时先看负载特性。LED 调光用 500 Hz 左右就挺好，既省电又不闪。电机控制我一般从 10 kHz 起步，再根据噪音和发热微调。

PWM 的应用范围很广，我挑三个最常见的说说。

直流电机调速，PWM 是标准方案。通过改变占空比，就能控制电机转速。

我记得第一次做小车项目时，直接用 100% 占空比让电机全速跑，结果小车直接窜出去了。后来加了 PID 配合 PWM，才让速度稳下来。

这里有个关键点：电机是感性负载，PWM 频率不能太低。否则电机会发出尖锐的啸叫声，那是线圈在振动。我一般设 10 kHz 以上，人耳就听不到了。

LED 调光可能是大家接触最多的 PWM 应用。手机屏幕亮度调节、台灯调光，背后都是 PWM。

为什么不用调电阻？因为 LED 是电流型器件，调电阻会导致色温偏移。PWM 调光保持 LED 工作在额定电流，只改变点亮时间，色温不变。

注意：LED 调光的 PWM 频率不能太低。低于 100 Hz 人眼能感知到闪烁，长时间看容易疲劳。我建议至少 200 Hz 起步，最好 1 kHz 以上。

用 PWM 做音频输出，本质上是用高频 PWM 信号经过低通滤波器还原出模拟音频波形。

这个我踩过坑。有次想用单片机播放一段提示音，直接用 8 位 PWM 加 RC 滤波。结果声音又小又失真。后来换成 12 位分辨率的 PWM，频率提到 200 kHz，滤波后效果才勉强能听。

音频 PWM 对分辨率要求高。8 位只有 256 级，动态范围不够。至少 10 位以上，配合高阶滤波器，才能得到可用的音质。

下面这张图把本章的核心知识点串起来了。你可以把它当作后续学习的路线图。

这一章我们聊了 PWM 的本质——用数字信号模拟模拟效果。占空比控制输出大小，频率控制响应速度。三个典型应用各有侧重：电机看频率和功率，LED 看闪烁和色温，音频看分辨率和滤波。

我个人觉得，PWM 是嵌入式开发里性价比最高的外设之一。一个定时器加一个 GPIO，就能实现调速、调光、调音。但用好它，需要对参数有深刻理解。后面的章节，我会带你一步步深入，从配置到优化，把 PWM 的性能榨干。