脉冲宽度调变

脉冲宽度调制（英语：Pulse Width Modulation，缩写：PWM），简称脉宽调制，是将模拟信号变换为脉冲的一种技术，一般变换后脉冲的周期固定，但脉冲的占空比会依模拟信号的大小而改变。

在模拟电路中，模拟信号的值可以连续进行变化，在时间和值的幅度上都几乎没有限制，基本上可以取任何实数值，输入与输出也呈线性变化。所以在模拟电路中，电压和电流可直接用来进行控制对象，例如家用电器设备中的音量开关控制、采用卤素灯泡灯具的亮度控制等等。

但模拟电路有诸多的问题：例如控制信号容易随时间漂移，难以调节；功耗大；易受噪声和环境干扰等等。

与模拟电路不同，数字电路是在预先确定的范围内取值，在任何时刻，其输出只可能为ON和OFF两种状态，所以电压或电流会通/断方式的重复脉冲序列加载到模拟负载。PWM技术是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，从而实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程；而且对噪声的抗干扰能力也大大增强（噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，才可能对数字信号产生实质的影响），这也是PWM在通讯等信号传输行业得到大量应用的主要原因。

模拟信号能否使用PWM进行编码调制，仅依赖带宽，这即意味着只要有足够的带宽，任何模拟信号值均可以采用PWM技术进行调制编码，一般而言，负载需要的调制频率要高于10Hz，在实际应用中，频率约在1kHz到200kHz之间。

在信号接收端，需将信号解调还原为模拟信号，目前在很多微型控制器(MCU)内部都包含有PWM控制器模块。

历史

在过去，当只有部分能量需求(以缝纫机马达为例)，一个变阻器(被放在缝纫机的脚踏板上)串接在一个马达上将会调整流入马达中的电流，同时会因为电阻发热而消耗一些能量。这其实是一个可以接受(因为总能量够低)但没有效率的方式。然而，变阻器只是一个控制能量的方法之一(可参考自耦变压器做为参考)，因此一个可以达到较低成本又有效率的调整方法是被需要的。这个机制同时可以被运用来当作电扇马达、泵马达、机器伺服等，同时必须足够精细与台灯系统互动，因此，脉冲宽度调制应运而生，作为这个复杂问题的一个解决方案。

一种早期的脉冲宽度调制方式是辛克莱X10，一个在1960年代的10瓦音乐放大器之套件版本。差不多时期脉冲宽度调制亦开始被应用在交流电马达控制之上。

而在最近一个世纪中，有些变速的电子马达已经有很好的效率，但他们相较于等速马达来说较为复杂，而且有些时候需要较为大型的外部仪器辅助，像是可变电阻及如沃德里奥纳多驱动器一样的()旋转器。

原理

脉冲宽度调制使用一个脉冲宽度会被调制的方波，使得波型的平均值会有所变化。如果我们考虑一个周期为的脉冲波，低值，高值为，跟一个工作循环D(duty cycle)，(参照右图)，此波的平均值为：

当是一个脉冲波，它的值在是，而在是，上式的描述可以变为：

以上表示可以在很多状况下被简化，当及。从这是可以看出，波型的平均值非常明显地直接与工作循环之值D有关。

图二: 一个可以对于给定的信号简单产生脉冲宽度调制的方法，收到信号(红色线)相比于一个锯齿波(蓝色线)，当后者比前者小时，调制后信号会在高状态，反之则在低状态。

最简单可以产生一个脉冲宽度调制信号的方式是交集性方法(intersective method)，这个方法只需要使用锯齿波或三角波(可以简单地使用震荡器来产生)，以及一个比较器。当参考的信号值(图二的红色波)比锯齿波(图二的蓝色波)来的大，则脉冲调制后的结果会在高状态，反之，则在低状态。

微分调制

以微分调制作为控制脉冲宽度调制的方法，输出信号将会被积分，同时结果也会被拿来与参考信号增减一个偏移量(作为比较的边界)比较。当每一次的积分结果到达边界时，脉冲调制信号便会转变状态如图三。

图三: 微分脉冲宽度调制的原理. 输出信号 (蓝色) 与边界做比较 (绿色). 这些边界是由参考信号(红色)增减一个篇偏移量得到。当每一次输出信号到达其中一个边界，脉冲宽度调制信号便会变换状态

积分-微分调制

以积分-微分调制作为控制脉冲宽度调制的方法，参考信号与输出信号会相减得到误差信号。同时此误差会被积分，若积分超过边界，输出结果便会变换状态(参考图四)。

图四:微分-积分脉冲宽度调制的原理。上面绿色的波型是参考信号，输出信号(下图，脉冲宽度调制)会与之相减得到误差信号(上图之蓝线)。此误差会被积分(中图)，若积分超过边界(红线)，输出结果便会变换状态。