パルス幅変調(PWM)信号の意味と使用方法

更新しました Dec 1, 2018

使用製品

Hardware

  • Multifunction I/O Device

問題

作成しているアプリケーションにパルス幅変調を使用できると聞きました。パルス幅変調(PWM)信号とはどのようなもので、どのように使えばよいですか?

解決策

パルス幅変調(Pulse Width Modulation: PWM)信号は、デジタルソースを使用してアナログ信号を生成する方法です。PWM信号は、デューティサイクルと周波数という動作を定義する2つの主な要素から構成されています。デューティサイクルは、1サイクルに要する合計時間のうち信号がHigh(ON)ステートにある時間を割合で表したものです。周波数は、PWMが1サイクルを完了する速度(たとえば、1000 Hzは1000サイクル/秒)、つまりHighとLowステート間で切り替わる速度を定義します。特定のデューティサイクルでデジタル信号のON/OFFを高速レートで切り替えると、デバイスに電力を供給する際、出力は定電圧のアナログ信号のように動作します。


例: 
3 V信号を出力するには、5 VのHigh(ON)と0 VのLow(OFF)デジタルソースを使用して、デューティサイクルが60%のPWM、つまり5 Vを60%の時間出力するPWMを使用します。デジタル信号を高速で切り替えると、出力電圧は平均電圧のように表現されます。デジタルのLowが0 Vの場合、平均電圧はデジタルHigh電圧にデューティサイクルを乗算して求めることができます(5 V x 0.6 = 3 V)。デューティサイクルが80%の場合は4 V、20%の場合は1 Vになります。

PWM信号は、広範な制御アプリケーションで使用されています。DCモータの制御に最もよく使用されていますが、その他にもバルブ、ポンプ、流体機械、および機械部品などの制御にも使用されています。PWM信号に設定する周波数は、使用するアプリケーション、および電力供給先のシステムの応答時間によって決まります。以下は、アプリケーションと最低限必要なPWM周波数の例です。
  • 加熱要素または応答時間の遅いシステム: 10 ~100 Hz以上
  • DC電気モータ: 5 ~ 10 kHz以上
  • 電源またはオーディオアンプ: 20 ~ 200 kHz以上

メモ: 必要となる応答によっては、ここに記載されている値よりも高い周波数が必要なシステムがあります。

追加情報

以下のグラフは、異なるデューティサイクルのPWM信号を表示したものです。
 
25% デューティサイクル
 
50% デューティサイクル
 
75% デューティサイクル

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