如何用純數(shù)字的單片機(jī)，輸出0.5V、0.8V這種模擬電壓？甚至實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)變速？
很多新手會(huì)脫口而出：用PWM啊！調(diào)節(jié)占空比就行了！
但如果接著問：“為什么調(diào)節(jié)占空比就能改變電壓？它的底層物理機(jī)制是什么？”很多人可能就啞口無言了。
今天，咱們不背書，直接從時(shí)域跨越到頻域，帶你扒開PWM的底層邏輯，感受一次降維打擊！
一、 別被眼睛騙了：PWM不僅是方波，更是無數(shù)個(gè)正弦波的集合！
在教科書里，PWM是脈沖寬度調(diào)制的意思，是一個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)間與周期時(shí)間之比 。
在時(shí)域里，它就是一串忽高忽低的方波，但在頂級(jí)硬件工程師眼里，我們要看透它的本質(zhì)——它與傅里葉變換有不解之緣 。根據(jù)傅里葉的理論，周期方波也是由無數(shù)個(gè)正弦波疊加而成的 。這意味著，單片機(jī)發(fā)出的并不是單一的信號(hào)，而是一個(gè)包含各種頻率成分的“混合大禮包”！
二、 頻域視角的顯微鏡：方波里到底藏著什么秘密？
說無憑，直接上儀器！我們直接看1V 1KHz的方波，占空比從10%-90%的波形 。
左邊是時(shí)域波形，右邊是頻域波形 。仔細(xì)看右側(cè)的頻域圖，這里面藏著三個(gè)極其致命的工程細(xì)節(jié)：
消失的偶數(shù)諧波：可以看到占空比50%的方波在頻域上只有奇數(shù)次諧波，沒有偶數(shù)次諧波 。我們的方波是1KHz，從圖中可以看到，頻率部分只有1KHz（基波或基頻）、3KHz、5KHz等諧波存在，而且這些諧波幅值越來越低，沒有2KHz等偶數(shù)次諧波 。
高頻等于“毒藥”（EMI）：7次諧波基本就可以重構(gòu)方波信號(hào) 。換句話說，我們平時(shí)使用的數(shù)字信號(hào)，有效的頻率并不是特別高，它的高次諧波反而可能會(huì)產(chǎn)生EMI問題，非常“臟”（頻域越高，波長越短，越易輻射） 。此時(shí)可以通過硬件手段抑制高次諧波而不影響信號(hào)本身的通訊 。
核心靈魂——直流分量的崛起：這是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，隨著占空比的增加，直流成分也越來越高 。占空比D為10%時(shí)，直流成分大約是100mV；D=50%時(shí)，直流大約是500mV；D=90%時(shí)，直流大約是900mV 。
三、 見證硬件的魔法：如何把直流電“洗”出來？
既然頻域分析已經(jīng)告訴我們，隨著占空比的增加，直流部分也越來越高 。那怎么把直流提純出來呢？答案就是硬件工程師的終極武器：低通濾波器！
上圖是PWM與低通濾波一起工作的波形，信號(hào)源是1V 1KHz的方波，占空比從10%-90%；低通濾波的截止頻率是35Hz（保留頻率低于35Hz的成分） 。右邊是低通濾波后的波形和原始PWM波形，紅色是原始PWM方波，藍(lán)色是濾波后的波形 。
奇跡出現(xiàn)了！通過低通濾波器后只保留我們要的低頻成分（直流），抑制掉高頻成分 。右圖波形也可以看到，隨著占空比逐漸增加，濾波后的藍(lán)色準(zhǔn)直流幅值越來越高 。
這就是我們用PWM控制的原理，比如PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，占空比越高，直流成分越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的就越快；反之，PWM占空比越低，電機(jī)轉(zhuǎn)的就越慢 。我們就是這樣，通過調(diào)制PWM的占空比，進(jìn)而得到我們想要的不同幅值的直流信號(hào) 。
總結(jié)
單片機(jī)并沒有打破物理定律，它只是利用了極高頻率的數(shù)字開關(guān)，結(jié)合外圍硬件的低通濾波特性，巧妙地在頻域里“榨”出了我們需要的直流分量。
不懂傅里葉，你只能對(duì)著占空比死記硬背；看透了頻域，你才是真正掌控電子世界的魔法師！
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