TIM

时钟

AHB总线：先进高速总线 APB1先进外设总线： APB2：

时钟源

• 系统滴答—提供时间基准（处理器内部）
• HSI高速内部时钟：无需电源，精度较低
• HSE高速外部时钟：晶振
• His、HSE最终均接入到SYSCLK时钟

时钟源	全称	类型	频率范围/值	用途
HSE	High-Speed External Clock	外部晶振	3 MHz 至 25 MHz	主时钟源，高精度时钟，常用于USB等高频外设
HSI	High-Speed Internal Clock	内部RC振荡器	16 MHz	默认时钟源，特别适用于无外部晶振的应用
LSE	Low-Speed External Clock	外部低频晶振	32.768 kHz	提供低功耗时钟，通常用于RTC等低功耗应用
LSI	Low-Speed Internal Clock	内部RC振荡器	~32 kHz	低功耗时钟源，备份时钟源或RTC备份时钟
SYSCLK	System Clock	由HSE、HSI、PLL等生成	根据选择的源决定	供CPU和大多数外设的时钟源
PLL	Phase-Locked Loop	时钟倍频器	依赖于输入时钟（HSE/HSI）	用于倍频，生成高频时钟，适配各种外设需求
BKP	Backup Clock	备份时钟源	LSE 或 LSI	在低功耗模式下继续为RTC等提供时钟源

时钟树

定时器

Prescale Register

• 预分频器（PSK）
• n分频则将预分频器设置为n-1
• 16bit
• 包含预分频影子寄存器
• 当使用__HAL_TIM_SET_PRESCALER设置新的预分频值时，会将值写入预分频寄存器；直到下一个计数周期（计数器寄存器从0开始）时更新影子寄存器的值

AutoReload Rejister

• 自动重装载寄存器（从0开始，设置为m-1表示计时到m重置计时并触发中断）
• 同PSK一致，也包含对应的影子寄存器

计数器

• D触发器
• 16bit—65535
• 从0开始计数
• 计数具有稳定频率的方波信号实现计数

如何实现计数

• 恒定频率的方波信号 计数器寄存器（16bit—65535）
• 信号上升沿寄存器值加一

如何实现定时

• 设置一个自动重装载寄存器，当与计数器寄存器值相同时，触发更新中断

示例：Stm32 实现 1 s 的定时器

• 设置外部时钟源为晶振—提高定时精度
• HCLK设置为72MHz
• 选择定时器并选择时钟源Clock Source设置为内部时钟internal Clock
• 预分频设置为PSC=7200-1实现7200分频⇒10000HZ
• 自动重装载寄存器设置为10000-1实现每1秒触发

定时器作用

• 定时
• 捕获脉冲宽度
• 计算PWM占空比
• 输出PWM波形
• 编码器计数

定时器优先级不高的潜在问题

低优先级的中断可能会在高优先级中断处理完成后才得到响应。每个中断源（包括定时器）都有一个对应的优先级。

• 延迟响应定时器中断。
• 错过定时任务或数据采样。
• 中断服务例程未及时执行，影响系统实时性。
• 系统时序错误，影响信号生成或外设交互。

STM32

• 基本定时器：TIM6 TIM7
• 通用定时器：TIM2~TIME5
• 高级定时器：TIM1 TIM8

PWM

一种通过控制信号波形的占空比（Duty Cycle）来调节平均电压的技术。它是嵌入式系统中非常常见且重要的技术，广泛应用于信号调制、电机控制、亮度调节、音频合成等领域。

基本原理

PWM信号是一种周期性变化的方波信号，包含一系列高电平和低电平的脉冲。其基本特点是频率固定、脉冲的宽度（高电平的持续时间）可调，调节脉冲宽度即可调节输出的平均电压。

• 频率（Frequency）：PWM信号的周期，即每秒钟发生的脉冲数。频率决定了信号的周期性变化速度，通常与所驱动负载的响应时间匹配。

• 占空比（Duty Cycle）：PWM信号中高电平持续的时间与总周期的比例。占空比是控制PWM信号效果的关键参数，通常用百分比表示，公式为：

PWM因素

PWM信号的主要相关要素包括：频率、占空比、周期、死区时间、极性、输出模式、分辨率、定时器/计数器等。

频率（Frequency）

• 定义：频率是PWM信号的周期性变化速率，即每秒钟信号重复的次数，单位为赫兹（Hz）。
• 影响：频率决定了PWM信号的切换速度。例如，高频PWM用于精细调节和高精度控制（如电机驱动），而低频PWM则适用于较慢的应用（如LED亮度调节）。
• 与周期关系：频率与周期成反比，周期为信号的一个完整周期（高电平+低电平）的持续时间。

\text{频率} = \frac{1}{\text{周期}} ]$$ #### 占空比（Duty Cycle） - **定义**：占空比是PWM信号中**高电平**（开关信号）持续的时间与总周期时间的比值，通常以百分比表示。 - **公式**：

[ \text{占空比} = \frac{\text{高电平时间}}{\text{总周期时间}} \times 100% ]

- **影响**：占空比控制了输出信号的平均功率。例如，占空比高意味着信号的大部分时间为高电平，输出的平均电压较高；占空比低则相反。 - **常见值**： - 0%：始终为低电平； - 100%：始终为高电平； - 50%：高电平和低电平时间相等。 #### 周期（Period） - **定义**：周期是PWM信号从一个周期的开始到下一个周期开始的时间间隔，即信号的**完整循环**。 - **与频率关系**：周期是频率的倒数，即周期越长，频率越低。

[ \text{周期} = \frac{1}{\text{频率}} ]

- **作用**：周期决定了PWM信号变化的时间尺度。周期越短，信号变化越频繁；周期越长，信号变化较慢。 #### 占空比调整（Duty Cycle Adjustment） - **定义**：通过改变PWM信号的占空比，可以调节输出电压或功率。通过硬件或软件控制定时器的比较寄存器值来实现占空比调整。 - **作用**：占空比的调整直接影响负载的电力传输或控制效果。例如，调节电机的转速或LED的亮度。 #### 死区时间（Dead Time） - **定义**：在PWM信号的**上升沿**和**下降沿**之间，输出信号从**高电平到低电平**或**低电平到高电平**转换时，可能存在一个**空白时间段**，即“死区时间”。这个时间段用于避免在高电平和低电平之间发生同时导通的情况。 - **应用**：死区时间常用于**H桥电路**等双向控制电路，避免上下桥臂同时导通导致**短路**。 #### PWM信号的极性（Polarity） - **定义**：PWM信号的极性可以是**正常极性（Active High）**或**反向极性（Active Low）**。 - **影响**：极性决定了高电平和低电平在输出中出现的时刻： - **正常极性**：高电平为活动状态，低电平为非活动状态。 - **反向极性**：低电平为活动状态，高电平为非活动状态。 #### 输出模式（Output Mode） PWM信号的输出模式决定了PWM信号的切换方式。 - **标准PWM输出模式**：PWM信号在计数器值和比较值的关系下周期性变化。 - **反向PWM输出模式**：输出信号的高低电平反转。 #### 分辨率（Resolution） - **定义**：PWM的分辨率是指PWM信号能够精确调节的占空比的最小步长。它通常由定时器的计数位数决定。 - **作用**：分辨率越高，PWM信号能够精确调整的步长越小，从而提供更细腻的控制。例如，16位定时器的分辨率较8位定时器高。 #### 定时器和计数器（Timer and Counter） - **定时器**：PWM信号的生成通常由定时器模块来控制，定时器设定计数周期和频率，并通过**输出比较模块**生成PWM波形。 - **计数器**：计数器根据定时器的时钟频率进行计数，比较计数值与设定的比较值（CCR）来决定输出信号的状态。 #### 频率与占空比的关系 - **频率与占空比的独立性**：PWM的频率和占空比是两个独立的参数，频率控制信号切换的速度，而占空比控制信号高电平持续的时间。 - **调节方式**：通过改变定时器的自动重载寄存器（ARR）来调整频率，通过改变比较寄存器（CCR）来调整占空比。 #### 系统时钟和PWM时钟源（Clock Sources） - **系统时钟源**：PWM信号的生成通常依赖于系统时钟源（如HSE、HSI、PLL等），这些时钟源控制定时器的计数频率，进而决定PWM的频率。 - **时钟分频**：通过设置时钟分频器，进一步调节PWM信号的频率，以适应不同的应用需求。 ### PWM信号的作用 PWM的本质是通过调节**高电平**的*时间比例*来实现对输出功率的控制，其平均电压与占空比成正比。 - **控制电机速度**：通过调节占空比，控制电机的转速。 - **控制LED亮度**：通过调节占空比，控制LED的亮度。 - **音频调制**：通过调节PWM信号频率和占空比，生成不同频率的音频信号。 - **DC电源控制**：通过调节占空比来控制直流电源的输出电压。 ### 工作方式 PWM信号的生成通常依赖于**定时器**（Timer）模块。 - **定时器周期性计数**：定时器按照设定频率（周期）不断计数，计数值达到预设的**比较值**时输出高电平，计数值达到周期值时输出低电平。 - **占空比控制**：通过改变定时器的比较值来调节占空比。例如，如果比较值设置为周期的一半，则占空比为50%。 ### 控制方式与实现 在STM32等嵌入式平台中，PWM信号的生成通常使用定时器的**输出比较模式**。 STM32中PWM信号生成的典型工作流程： 1. **定时器配置**： - 选择一个定时器，设置计数器的时钟源和计数周期。定时器的计数值决定了PWM信号的频率（频率 = 时钟频率 / 计数周期）。 2. **输出比较模式配置**： - 配置定时器的输出比较功能。定时器将不断比较计数器的当前值与预设的比较值，决定输出信号的状态： - 当计数值小于比较值时，输出为低电平； - 当计数值大于等于比较值时，输出为高电平。 3. **占空比控制**： - 改变定时器的比较值，来调节PWM信号的高电平持续时间，从而控制占空比。 4. **定时器启用**： - 启动定时器，定时器开始按照设定的周期生成PWM信号，系统外设（如电机、LED等）根据PWM信号的占空比进行相应的工作。 ### 典型的硬件实现 以STM32为例，PWM的硬件实现流程如下： 1. **定时器配置**：选择适当的定时器（如TIM1、TIM2等），并配置为PWM输出模式。 2. **设置计数器**：定时器的计数器用于决定PWM信号的频率，通过设置定时器的预分频器（prescaler）和自动重载寄存器（ARR）来设定PWM频率。 3. **比较值设置**：通过定时器的比较寄存器（CCR）来设置占空比。例如，设置CCR的值为ARR的一半，则占空比为50%。 4. **输出通道配置**：选择定时器的输出通道（如TIMx_CH1、TIMx_CH2等）并配置为PWM模式。 5. **启动定时器**：启动定时器，PWM信号即开始输出，外设通过外部GPIO引脚获得该信号。 ### PWM解决毛刺信号的方式 在PWM中，**毛刺信号**（Glitches）通常出现在PWM波形的上升沿或下降沿，尤其是在高速切换时。解决毛刺信号的方法包括： 1. **增加死区时间（Dead Time）**：在高电平与低电平之间引入短暂的非活动时间，避免上升沿或下降沿同时切换，减少毛刺。 2. **使用硬件滤波**：通过硬件滤波器（如低通滤波器）平滑PWM信号的波形，减少噪声和毛刺。 3. **优化时钟和定时器配置**：确保时钟源稳定，避免因定时器精度不足而引起的信号毛刺。 4. **提高PWM频率**： 提高PWM信号的频率，使得毛刺变得高频且不易被外部设备检测。 5. **优化信号驱动电路**：使用合适的驱动电路，减少因电流突变导致的信号毛刺。