4. PWM信号频率与占空比测试

任务目标

在ESP32上配置LEDC PWM通道，输出指定频率（例如10 kHz）和占空比（例如60%），并通过示波器测量GPIO引脚的实际波形，验证频率与占空比误差在可接受范围内（频率误差<1%，占空比误差<2%）。

环境与依赖

• 硬件：ESP32开发板（如ESP32-DevKitC）、USB转串口、示波器（带宽≥20 MHz）
• 软件：ESP-IDF v5.x 或 Arduino ESP32 核心 2.x（本案例使用ESP-IDF原生驱动）
• 接线：示波器探头接GPIO2（默认LEDC通道输出引脚），GND共地

关键完整代码

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/ledc.h"
#include "esp_err.h"

#define PWM_GPIO        2
#define PWM_FREQ_HZ     10000   // 目标频率 10 kHz
#define PWM_DUTY_PCT    60      // 目标占空比 60%
#define LEDC_TIMER      LEDC_TIMER_0
#define LEDC_CHANNEL    LEDC_CHANNEL_0
#define LEDC_MODE       LEDC_LOW_SPEED_MODE
#define LEDC_DUTY_RES   LEDC_TIMER_13_BIT   // 分辨率 13 位 (0~8191)

void app_main(void)
{
    // 1. 配置定时器
    ledc_timer_config_t timer_conf = {
        .speed_mode      = LEDC_MODE,
        .duty_resolution = LEDC_DUTY_RES,
        .timer_num       = LEDC_TIMER,
        .freq_hz         = PWM_FREQ_HZ,
        .clk_cfg         = LEDC_AUTO_CLK
    };
    ESP_ERROR_CHECK(ledc_timer_config(&timer_conf));

    // 2. 配置通道
    ledc_channel_config_t ch_conf = {
        .gpio_num   = PWM_GPIO,
        .speed_mode = LEDC_MODE,
        .channel    = LEDC_CHANNEL,
        .intr_type  = LEDC_INTR_DISABLE,
        .timer_sel  = LEDC_TIMER,
        .duty       = 0,
        .hpoint     = 0
    };
    ESP_ERROR_CHECK(ledc_channel_config(&ch_conf));

    // 3. 计算并设置占空比（13位分辨率：8191 * 60% = 4914）
    uint32_t duty_val = (1 << 13) * PWM_DUTY_PCT / 100;
    ESP_ERROR_CHECK(ledc_set_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL, duty_val));
    ESP_ERROR_CHECK(ledc_update_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL));

    printf("PWM输出已启动: GPIO%d, %d Hz, %d%% 占空比\n", PWM_GPIO, PWM_FREQ_HZ, PWM_DUTY_PCT);
    printf("理论占空比寄存器值: %lu (13位分辨率)\n", (unsigned long)duty_val);

    // 保持运行
    while (1) {
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

编译与烧录

idf.py set-target esp32
idf.py build
idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash monitor

验证方法与判定标准

1. 示波器探头接GPIO2，地线接GND，设置时基10 µs/div，垂直刻度2 V/div。
2. 观察波形应为方波，高电平约3.3 V，低电平接近0 V。
3. 测量频率：读取示波器频率测量值，应在9.90～10.10 kHz范围内（误差<1%）。
4. 测量占空比：使用示波器占空比测量功能，读数应在58%～62%之间（误差<2%）。
5. 若超出范围，检查电源稳定性、探头补偿是否校准、GPIO2是否被其他外设占用。

常见问题

• 无波形输出：确认GPIO2在开发板上未被占用（部分板载LED连接GPIO2，需断开跳线或换用GPIO4/5并同步修改代码）。
• 频率偏差较大：LEDC时钟源精度有限，实测频率与配置值存在±0.5%以内偏差属正常；若偏差过大，检查是否误用LEDC_HIGH_SPEED_MODE（ESP32不支持）。
• 占空比边缘不陡：示波器探头接地线过长会引入振铃，使用接地弹簧缩短地线回路。