デューティ比とは？

デューティ比の意味

周期に対するパルスのHigh期間の比率。PWMではこの比率が出力の平均値を決める。分解能はPWMカウンタのビット数で決まり、周期と分解能はクロック周波数を介したトレードオフの関係にある。

デューティ比の具体例

周期20ミリ秒でHigh期間が1.5ミリ秒なら、デューティ比は7.5%。RCサーボの角度指令はこの形式のパルス幅で与える。

デューティ比は試験でどう引っ掛けられる？

周期（PWM周波数）を変えても、デューティ比が同じなら出力の平均値は変わらない。 周波数が効くのは唸り音や応答の滑らかさ。また分解能はカウンタのビット数で決まるため、クロックが同じまま周期を短くすると分解能は粗くなる（周期と分解能はトレードオフ）。

デューティ比と関連する用語

• PWM
• タイマ/カウンタ

デューティ比が出た過去問

• PWM（パルス幅変調）で変調された信号をアナログ電圧として復調する回路はどれか。

  正解：抵抗（in-out間）とコンデンサ（out-GND間）から成るRCローパスフィルタ回路

  要点：PWMの復調はRCローパスフィルタで平均値を取り出す

  PWM信号はデューティ比に平均電圧の情報が乗った矩形波なので、高い周波数のスイッチング成分を取り除いて直流に近い平均値だけを残せばアナログ電圧に戻せる。それを行うのが、直列の抵抗と接地側のコンデンサから成るローパスフィルタである。時定数はPWM周期より十分大きく、かつ応答が遅くなりすぎない範囲に選ぶ。

  出典：平成28年度 春期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問15（IPA）

• PWM信号を用いて音声を出力するとき、次の図のaに該当するものはどれか。

  正解：ローパスフィルタ

  要点：PWM音声の復調はローパスフィルタで高域を除去する

  PWM信号はデューティ比に音声波形の振幅情報を載せた高速な矩形波であり、そのままでは可聴帯域外の大きなスイッチング成分を含む。この高域成分を除去して平均値だけを取り出せば、もとのアナログ波形が復元される。したがって増幅器の前段に置くのはローパスフィルタで、遮断周波数は可聴帯域より上、PWM周波数より下に設定する。

  出典：平成29年度 春期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問4（IPA）

• PWM（パルス幅変調）で変調された信号をアナログ電圧として復調する回路はどれか。

  正解：入力から抵抗を経て出力へ、出力からコンデンサを介して接地する回路（RCローパスフィルタ、直列抵抗＋並列コンデンサ）

  要点：PWMの復調は平均値を取り出すRC低域通過フィルタで行う

  PWM信号はデューティ比に情報を載せた方形波なので、その平均値を取り出せば対応するアナログ電圧が得られる。直列抵抗と並列コンデンサからなるRC回路は低域通過フィルタとして働き、搬送周波数成分を減衰させて直流に近い平均電圧だけを通す。時定数はPWM周期に対して十分大きく、かつ信号の変化に追随できる値に選ぶ必要がある。

  出典：令和3年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問11（IPA）

• DCモーターにおけるPWM制御方法はどれか。

  正解：パルスのデューティ比によって、モーターの回転数を制御する。

  要点：PWMはデューティ比で平均電圧を変え回転数を制御する

  PWM（パルス幅変調）は、一定の周期の中でパルスがHighである時間の割合（デューティ比）を変えることで、モーターに供給される平均電圧を調整する方式である。デューティ比を上げれば平均電圧が上がって回転数が増える。スイッチング素子を全開か全閉かで使うため、抵抗で電圧を落とす方式に比べ損失が小さい。

  出典：令和5年度 秋期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 am2 問10（IPA）