4、PWM输出实验：使用STM32输出PWM波形、使用示波器测量PWM、PWM频率与占空比计算

说实话，PWM（脉冲宽度调制）是我在嵌入式开发中用得最多的功能之一。调个LED亮度、控制个舵机角度、驱动个直流电机，几乎都离不开它。这一章，我们就拿STM32来实际输出PWM波形，再用示波器看看它长什么样，最后把频率和占空比的计算彻底搞明白。

本章核心目标：通过STM32定时器的PWM模式，输出一个频率可调、占空比可调的方波信号，并用示波器验证其参数。

4.1 PWM的基本概念回顾

PWM说白了就是一种“假装模拟”的数字信号。它通过快速切换高低电平，让负载感受到的平均电压发生变化。你想想看，一个5V的方波，如果高电平占了50%的时间，低电平占50%，那平均下来就是2.5V的效果。

这里有两个关键参数：

频率（Frequency）：一秒内PWM波形重复的次数，单位Hz。频率决定了信号的“刷新速度”。
占空比（Duty Cycle）：高电平时间占整个周期的百分比。占空比决定了平均电压的大小。

我在项目中遇到过一个问题：用PWM控制电机时，频率选得太低，电机就会“咔咔”地抖动；选得太高，驱动管的开关损耗又上来了。所以频率的选择是个权衡，后面我们会细说。

4.2 STM32定时器PWM输出原理

STM32的PWM输出，本质上就是利用定时器的“自动重装载”和“比较输出”功能。我画了一张图，帮你理清这个逻辑：

工作流程其实很简单：

时钟源经过预分频器（PSC）分频后，驱动计数器（CNT）递增。
计数器从0一直数到自动重装载值（ARR），然后归零重新开始。
在计数过程中，比较寄存器（CCR）会跟CNT的值做比较。
当CNT小于CCR时，输出高电平；当CNT大于等于CCR时，输出低电平。

嗯，这里要注意：ARR决定了PWM的周期，CCR决定了占空比。两者配合，就能输出你想要的波形。

4.3 频率与占空比的计算公式

这是硬核部分，我建议你直接记住这两个公式：

PWM频率计算公式：

PWM频率 = 定时器时钟频率 / ((PSC + 1) × (ARR + 1))

占空比计算公式：

占空比 = CCR / (ARR + 1) × 100%

举个例子，假设STM32的定时器时钟是72MHz：

如果PSC = 71，ARR = 999，那么PWM频率 = 72,000,000 / (72 × 1000) = 1000Hz = 1kHz
如果CCR = 500，那么占空比 = 500 / 1000 × 100% = 50%

我曾经在调试一个呼吸灯项目时，把ARR设成了65535，结果LED闪烁频率低得肉眼可见，像在“喘气”一样。后来一算，频率只有1Hz左右。所以，算清楚再动手，能省不少调试时间。

4.4 实战：STM32输出PWM波形

我们以STM32F103系列为例，用定时器TIM2的通道1输出PWM。硬件连接很简单：

PA0（TIM2_CH1）作为PWM输出引脚
示波器探头接PA0，GND接板子GND

下面是完整的初始化代码：

// 定时器PWM初始化函数
void PWM_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置PA0为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;          // ARR = 999
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;        // PSC = 71
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. 配置PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;             // CCR = 500，占空比50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

小技巧：如果你想在运行时动态调整占空比，可以直接修改CCR的值：

TIM_SetCompare1(TIM2, new_ccr_value);  // 新值范围0~ARR

这样就能实现呼吸灯、电机调速等效果。

4.5 使用示波器测量PWM波形

代码烧进去之后，别急着高兴。你得用示波器看看实际波形对不对。我一般按这个步骤来：

连接探头：探头钩子勾住PA0，地线夹子夹住GND。
设置垂直档位：先设成2V/div，因为STM32输出是3.3V逻辑电平。
设置水平档位：根据目标频率来。1kHz的话，周期是1ms，水平档位设成200μs/div或500μs/div比较合适。
触发设置：用上升沿触发，触发电平设在1.5V左右。
读取参数：用示波器的“测量”功能，直接读出频率和占空比。

我记得有一次，我调了一个PWM程序，示波器上死活看不到波形。折腾了半天，发现是GPIO模式配成了推挽输出，而不是复用推挽输出。嗯，这种低级错误，犯过一次就不会再犯了。

4.6 常见参数配置速查表

为了方便你快速上手，我整理了一个常用配置表。假设定时器时钟为72MHz：

目标频率	PSC	ARR	分辨率	适用场景
1kHz	71	999	0.1%	LED调光、舵机控制
10kHz	71	99	1%	直流电机调速
50kHz	7	179	0.56%	开关电源控制
100kHz	3	179	0.56%	高频逆变器

注意：分辨率 = 1 / (ARR + 1) × 100%。ARR越小，分辨率越低，占空比调节的精细度就越差。比如ARR=99时，你只能以1%的步进调整占空比。所以，在频率和分辨率之间要做好权衡。

4.7 避坑指南

做PWM实验时，有几个坑我踩过，分享给你：

GPIO模式别配错：一定要用复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP），不是普通推挽输出。
定时器时钟源别搞混：TIM1和TIM8挂在APB2上，其他定时器挂在APB1上。APB1的时钟默认是36MHz，不是72MHz。
占空比100%或0%：当CCR = ARR + 1时，输出一直为高；当CCR = 0时，输出一直为低。这在某些场景下有用，但要注意边界。
示波器带宽：如果PWM频率很高（比如几百kHz），普通示波器可能测不准。确保你的示波器带宽足够。

我曾经在一个电机驱动项目里，因为没注意APB1时钟是36MHz，算出来的频率整整差了一倍。电机转得忽快忽慢，排查了好久才发现是时钟树的问题。所以，拿到一个STM32型号，第一件事就是看时钟树图。

4.8 本章小结

这一章我们从原理到实战，把PWM输出这件事彻底讲透了。你掌握了：

STM32定时器产生PWM的完整流程
频率和占空比的计算方法
如何用示波器验证波形参数
常见配置参数和避坑经验

PWM这个功能，说难不难，但想用好，还是得动手多试。找个开发板，接上示波器，把上面那段代码跑一遍，看看波形是不是跟你算的一样。实践出真知，这话在嵌入式领域尤其适用。