何謂脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation) 訊號,該訊號有什麼用途?

更新 Aug 21, 2019

產品資訊

Hardware

  • Multifunction I/O Device

問題敘述

我的應用上聽說可以利用脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation) 訊號。什麼是脈衝寬度調變訊號,又有什麼用?

解決方案

脈衝寬度調變訊號是一種透過數位的方式所產生的類比訊號。一個脈衝寬度調變訊號包含了兩個主要的參數:工作週期與頻率。工作週期所描述的是訊號中邏輯高準位所占的時間與完成一個訊號週期的比例。而頻率則是表示這個脈衝寬度調變訊號能多快完成一個周期(舉例來說,1000 Hz的訊號每秒會完成1000個週期),也可以理解為在高低狀態之間切換的速率。藉由在一定速率的數位訊號高低的變化,再配合上特定的工作週期,該輸出在供給功率給裝置時則會呈現一個固定電壓的類比訊號。

舉例來說:利用一個僅有邏輯準位高 (5 V) 與低 (0 V) 的數位訊號去產生產生一個3伏的訊號,你可以利用脈衝寬度調變的方式去定義一個工作週期60%的5 V訊號。若是數位訊號的頻率夠高,實際上輸出的訊號電壓則會是一個周期內的電壓的平均。若是數位訊號的低準位是0 V (大多數的狀況都是如此),則該平均下來的訊號則可以透過高準位的電壓乘上工作週期,也就是5 V x 0.6 = 3 V。定義工作週期為80%則會是輸出4 V,20%則會是1 V,以此類推。

脈衝寬度調變訊號廣泛用於各類型的控制應用。主要是用於控制直流馬達,也可以用於控制閥門、泵浦、液壓控制以及其他相關的機構。脈衝寬度調變訊號的頻率會需要根據實際上的應用以及驅動系統的響應時間去做設定。以下列舉了幾個典型的脈衝寬度調變頻率的最小值設定:
  • 加熱單元或是較慢響應時間的系統:10~100 Hz以上
  • 直流馬達:5~10 kHz以上
  • 電源供應器或是音源放大器:20~200 kHz以上
註記:部分特殊的系統會需要會需要更高的頻率以因應各類型的響應

相關資訊

以下圖示展示了不同工作週期的脈衝寬度調變訊號
 

工作週期25%

工作週期50%



工作週期75%
 

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