PWM模块原理及简单的设计思路

1. 什么是PWM信号

PWM可以算是数字电路中的“独臂”神通，“独臂” - 只需一根线；“神通” - 在很多关键的应用中起到栋梁的作用。PWM（脉宽调制 Pulse Width Modulation）从字面意思上讲它是一种“调制”方式，调制就意味着在某些载波信号上携带了某些的信息，通过解调的过程就可以得到其携带的信息，这些信息的属性由PWM的产生端定义，总之在这一根仅仅发生0、1交替变化的信号线上可以做出很多文章。

2. 芯片的PWM引脚

输出的波形可能是下面这样

3 高低电平与占空比

首先PWM是由一串连续行走在某输出管脚上的0、1交替出现的信号组成，我们称高电平1为ON，低电平0为OFF，ON+OFF为一个周期T，ON的持续时间除以周期T就为占空比 - Duty Cycle，看下面的两个图。

如果发送端用脉冲的占空比来传递“电压值”，也就是将某个数字的电压值对脉冲的占空比进行调制，就可以在接收端通过RC低通滤波器（也就是解调器）从调制脉宽的数据流中得到需要的模拟电压值，从而达到DAC的目的。看下面的动图 - 假设脉冲的占空比为0的时候（整个周期全部为OFF - 低电平）代表电压值为0，占空比为100%的时候（整个周期全部为ON - 高电平）代表电压值为最高电压，比如3.3V，则40%的占空比就是40%*3.3V。占空比改变-每个周期的脉宽改变，也就意味着输出的电压值在改变。
用脉宽的改变携带电压值的变化信息

用一个电阻和电容组成的低通滤波就可以将PWM中携带的电压信息“解调”成模拟的电压值。

4 PWM的精度

前面讲过DAC的两个关键指标 - 转换率和转换精度，在PWM里是如何对应的这两个指标么？
PWM-DAC的分辨率相当于脉冲宽度相对于整个周期的精度，举例如果一个最小的脉冲ON的时间为5ns（可以用100MHz的时钟计数产生），PWM脉冲的周期为5ns x 256 = 1.28us，则这个PWM-DAC相当于是8位的DAC。
也就是说如果你用100MHz的时钟来通过PWM的方式做一个8位的DAC，最高的转换频率也只能到1/1.28us ～ 781KHz分辨率高则转换率降低，因此用PWM做的DAC一般用于生成非常低频的信号乃至直流信号。
下面的图为经过一个最简单的由一个电阻R和一个电容C构成的低通滤波以后得到的模拟信号，可以看到在输出的模拟信号上还是有很高频率的纹波。

通过RC低通滤波得到的模拟输出信息
如果要进一步平滑输出模拟信号上的波纹，可以通过加入电感或着用运算放大器构成的有源低通滤波器来对纹波实现更强的抑制。

5. PWM的相关概念

双斜率 / 单斜率
假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80… 这个就是单斜率。
假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0… 这个就是双斜率。
可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1:(80+80) =1:160，就是提高了一倍。
假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80)，单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。