PWM基础与信号特性

做霍尔传感器调试，PWM是绕不开的核心。说白了，霍尔传感器输出的就是PWM信号——占空比代表磁场强度，频率代表转速或者位置信息。这一章我把PWM的基础掰开揉碎了讲，全是实战中能用上的东西。

PWM占空比与频率

PWM信号就两个关键参数：频率和占空比。频率决定信号快慢，占空比决定有效电平占比。

举个例子。一个20kHz的PWM信号，周期就是50微秒。如果高电平占了25微秒，占空比就是50%。我调试霍尔传感器时，经常遇到占空比跳变的情况——磁场稍微一动，占空比就跟着变。这时候用万用表测不准，必须上示波器。

参数	典型值范围	霍尔传感器常见值
频率	1 Hz ~ 1 MHz	1 kHz ~ 100 kHz
占空比	0% ~ 100%	10% ~ 90%
高电平电压	3.3V / 5V	3.3V（常用）

PWM生成方式

生成PWM信号有两种主流方式：硬件定时器和软件模拟。两种我都用过，各有各的坑。

硬件定时器生成

这是最推荐的方式。MCU内部有专门的定时器模块，配置好预分频、自动重装载值和比较值，PWM就自动输出了，CPU不用管。

// 以STM32为例，配置TIM2输出PWM
// 预分频器：72MHz / 72 = 1MHz
// 自动重装载：50 → 20kHz
// 比较值：25 → 50%占空比

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 50 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 25;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

硬件定时器的好处是精准、不占CPU。我做过一个项目，同时输出4路不同频率的PWM，CPU负载几乎为零。缺点就是引脚固定，不能随便换。

软件模拟生成

有时候硬件定时器不够用，或者引脚被占用了，就得用软件模拟。原理很简单：用定时器中断，在中断里翻转IO口。

// 软件模拟PWM，50%占空比，1kHz
// 定时器中断每500微秒触发一次

volatile uint16_t pwm_count = 0;
const uint16_t pwm_period = 1000;  // 1ms周期
const uint16_t pwm_duty = 500;     // 500us高电平

void TIM_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update)) {
        pwm_count++;
        if (pwm_count == 1) {
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);  // 拉高
        } else if (pwm_count == pwm_duty) {
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 拉低
        } else if (pwm_count >= pwm_period) {
            pwm_count = 0;
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}

PWM信号测量方法

拿到霍尔传感器的PWM输出，怎么测？我常用的方法有三种。

1. 示波器直接测量：最直观，能看到波形全貌。后面会细讲。
2. 频率计/逻辑分析仪：适合批量测试，只看频率和占空比数值。
3. MCU输入捕获：嵌入式系统里最常用的方法，用定时器捕获上升沿和下降沿。

输入捕获的原理很简单：配置定时器捕获通道，检测到上升沿时记录计数值，检测到下降沿时再记录一次。两个计数值一减，高电平时间就出来了。

// 输入捕获测量PWM占空比和频率
// 假设定时器时钟1MHz，每个计数1微秒

volatile uint32_t rise_time = 0;
volatile uint32_t fall_time = 0;
volatile uint32_t period = 0;
volatile uint8_t capture_done = 0;

void TIM_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_CC1)) {
        uint32_t capture = TIM_GetCapture1(TIM4);
        
        if (TIM_GetFlagStatus(TIM4, TIM_FLAG_CC1OF)) {
            // 溢出处理，这里简化了
            TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_CC1OF);
        }
        
        if (TIM_GetCapture1(TIM4) & 0x01) {  // 假设用CC1S位判断边沿
            rise_time = capture;
        } else {
            fall_time = capture;
            period = rise_time - fall_time;  // 实际需要处理溢出
            capture_done = 1;
        }
        
        TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_CC1);
    }
}

// 主循环中读取
if (capture_done) {
    uint32_t high_time = fall_time - rise_time;
    uint32_t duty = (high_time * 100) / period;
    // duty就是占空比百分比
    capture_done = 0;
}

示波器使用技巧

示波器是调试PWM的利器。我见过太多工程师拿着示波器乱按，波形都看不清楚就开始分析。这里分享几个实用技巧。

自动设置 vs 手动设置

很多人上来就按Auto Set，图省事。但Auto Set有时候会误判，尤其是信号不稳定的时候。我建议先手动设置：

• 时基：先设到1ms/div，看到波形后再调整。频率高就缩小，频率低就放大。
• 电压档位：先设到2V/div，保证波形在屏幕中间。
• 触发模式：用上升沿触发，触发电平设在信号幅值的一半左右。

测量占空比的正确姿势

示波器都有自动测量功能，直接调出Duty Cycle测量项就行。但要注意：

1. 确保示波器捕捉到了完整的周期。如果时基太大，波形压缩在一起，测量结果不准。
2. 打开平均模式（Average），可以滤掉噪声。我一般设16次或32次平均。
3. 如果占空比跳变很快，用余辉模式（Persistence）能看到变化范围。

常见波形问题排查

波形现象	可能原因	解决方法
上升沿/下降沿有毛刺	信号反射、地线过长	缩短地线，加100pF电容滤波
占空比抖动	电源噪声、传感器振动	检查电源纹波，加固传感器安装
频率不稳定	时钟源不准、温度影响	用外部晶振，检查温度补偿
幅值偏低	输出驱动能力不足	加缓冲器或上拉电阻

探头的正确使用

探头是示波器的一部分，用不对全白搭。我见过有人用×10档测3.3V信号，结果波形只有330mV，还以为传感器坏了。

• 测3.3V/5V的PWM，用×1档，带宽够用。
• 测高频PWM（>10MHz），用×10档，减少负载效应。
• 地线夹子越短越好。长地线会引入噪声，我习惯用地弹簧。
• 测量前先做探头补偿：把探头接到示波器自带的方波输出上，调补偿电容直到波形方正。