PWM波形生成 – 予安的博客

1. PWM波形介绍

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种通过调节方波信号的 占空比（Duty Cycle） 来控制能量输出的技术。它的基本特性包括：

占空比（Duty Cycle）：高电平时间占整个周期的比例，决定了平均输出功率，计算公式： $D=\frac{T_{\text{high}}}{T_{\text{total}}} \times 100%$
其中 $T_{\text{high}}$是高电平持续时间，$T_{\text{total}}$ 是PWM周期。
频率（Frequency）：PWM波形的周期倒数，决定了PWM的切换速度。

PWM广泛用于：

模拟信号模拟（例如调光、调速）
数字信号传输（例如红外遥控）
功率控制（例如电机调速、LED亮度调节）

2. PWM是否是数字信号模拟模拟信号？

PWM 是 数字信号的模拟输出，但它本身仍是 数字信号，因为它只有高低两个电平（0和1）。当PWM波形作用在负载（如LED或电机）上，负载的响应（如电机的转速、LED的亮度）会与占空比成正比，表现出类似于模拟信号的效果。例如：

LED调光：人眼对光的响应是滞后的，高速PWM（>1kHz）调节LED亮度时，人眼感受到的是平滑的亮度变化。
电机调速：PWM控制电机时，电机由于惯性无法瞬时响应脉冲变化，而是根据占空比调整平均电压，从而改变转速。

因此，PWM本质上是数字信号，但可以用于模拟信号的控制和仿真。

3. STM32使用定时器生成PWM

STM32的PWM通常由通用定时器（TIMx） 或 高级定时器（TIM1/TIM8） 生成，基本步骤如下：

3.1. 选择一个定时器（如TIM2）

不同的STM32型号有不同的定时器，可以查看数据手册选择合适的定时器和通道。

3.2. 计算PWM参数

设定：

PWM频率： $f_{\text{PWM}} = \frac{f_{\text{timer\_clock}}}{(PSC+1) \times (ARR+1)}$ 其中：
- $f_{\text{timer\_clock}}$ 是定时器时钟频率（通常是 APB1/APB2 时钟）
- PSC（预分频器）降低定时器计数频率
- ARR（自动重装值）决定PWM周期
占空比： $CCR=D×ARR$ 其中 CCR（比较值）决定高电平持续时间。

3.3. 配置STM32定时器

使用STM32 HAL库或寄存器编程：

初始化定时器
配置PWM模式
设置占空比
启动PWM输出

示例代码（基于 STM32 HAL库）

假设我们使用 TIM2 通道1（PA0引脚） 生成 1kHz 的 PWM，50

TIM_HandleTypeDef htim2;

void PWM_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();  // 使能TIM2时钟

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;   // 预分频，假设时钟 72MHz，分频后 1MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999;     // ARR = 999，对应 1kHz PWM
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;  // CCR = 500，占空比 50
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM
}

4. 使用CubeMX配置PWM

4.1. 使能 TIMx 定时器

在 “Pinout & Configuration” 选项卡中：
- 找到 TIM2（或其他可用的定时器）。
- 展开 TIM2，勾选 PWM Generation CH1（或其他通道）。
- STM32CubeMX 会自动将对应的 GPIO（如 PA0）设置为 Alternate Function 模式。

4.2. 配置 PWM 参数

进入 “Configuration” 选项卡，找到 TIM2：
1. 在 “Parameter Settings” 里设置：
  - Prescaler（预分频器）：计算方法：$\text{PSC} = \frac{f_{\text{APB1}}}{\text{计数时钟}} – 1$如果 APB1 时钟是 72MHz，想让计数时钟为 1MHz，则 PSC = 71。
  - Counter Mode 设为 Up（向上计数）。
  - Auto-Reload Register (ARR)：
    - 计算 PWM 频率$f_{\text{PWM}} = \frac{f_{\text{计数时钟}}}{\text{ARR} + 1}$例如设定 ARR = 999，则 PWM 频率：$f_{\text{PWM}} = \frac{1\,000\,000}{1000} = 1kHz$
  - 选择 Channel1，设置：
    - Pulse（CCR值） 设为 500（占空比 50
    - Mode 选择 PWM Mode 1。
    - Polarity 选择 High（高电平有效）。
  - 点击 OK 退出配置。

总结

PWM是一种用数字信号模拟模拟信号的方法，但它本质上仍是数字信号。
PWM的核心参数是频率和占空比，它们决定了输出信号的特性。
STM32使用定时器（TIMx）生成PWM，可用于LED调光、电机控制、信号输出等应用。

如果想更深入地研究STM32的PWM控制，比如高级定时器、死区控制、相位同步等，可以参考STM32官方参考手册。