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STM32F103定時器詳解

STM32F103系列的微控制器一共有11個定時器,其中:
2個高階定時器
4個普通定時器
2個基本定時器
2個看門狗定時器

1個系統嘀嗒定時器

除去看門狗定時器系統滴答定時器的八個定時器列表;


8個定時器分成3個組;
TIM1和TIM8是高階定時器
TIM2-TIM5是
通用定時器
TIM6和TIM7是基本的定時器
這8個定時器都是16位的,它們的計數器的型別除了基本定時器TIM6和TIM7都支援向上,向下,向上/向下這3種計數模式

計數器三種計數模式
向上計數模式:從0開始,計到arr預設值,產生溢位事件,返回重新計時
向下計數模式:從arr預設值開始,計到0,產生溢位事件,返回重新計時
中央對齊模式:從0開始向上計數,計到arr產生溢位事件,然後向下計數,計數到1以後,又產生溢位,然後再從0開始向上計數。(此種技術方法也可叫向上/向下計數)

基本定時器(TIM6,TIM7)的主要功能:


只有最基本的定時功能,。基本定時器TIM6和TIM7各包含一個16位自動裝載計數器,由各自的可程式設計預分頻器驅動

通用定時器(TIM2~TIM5)的主要功能:
除了基本的定時器的功能外,還具有測量輸入訊號的脈衝長度( 輸入捕獲) 或者產生輸出波形( 輸出比較和PWM)

高階定時器(TIM1,TIM8)的主要功能:

高階定時器不但具有基本,通用定時器的所有的功能,還具有控制交直流電動機所有的功能,你比如它可以輸出6路互補帶死區的訊號,剎車功能等等

通用定時器的時鐘來源;
a:內部時鐘(CK_INT)
b:外部時鐘模式1:外部輸入腳(TIx)
c:外部時鐘模式2:外部觸發輸入(ETR)
d:內部觸發輸入(ITRx):使用一個定時器作為另一個定時器的預分頻器

通用定時期內部時鐘的產生:



從截圖可以看到通用定時器(TIM2-7)的時鐘不是直接來自APB1,而是通過APB1的預分頻器以後才到達定時器模組。
當APB1的預分頻器係數為1時,這個倍頻器就不起作用了,定時器的時鐘頻率等於APB1的頻率;
當APB1的預分頻係數為其它數值(即預分頻係數為2、4、8或16)時,這個倍頻器起作用,定時器的時鐘頻率等於APB1時鐘頻率的兩倍。

自動裝在暫存器arr值的計算:
Tout= ((arr+1)*(psc+1))/Tclk;
Tclk:TIM3的輸入時鐘頻率(單位為Mhz)。
Tout:TIM3溢位時間(單位為us)。

計時1S,輸入時鐘頻率為72MHz,加入PSC預分頻器的值為35999,那麼:
((1+psc )/72M)*(1+arr )=((1+35999)/72M)*(1+arr)=1秒
則可計算得出自動窗裝載暫存器arr=1999

通用定時器PWM工作原理

以PWM模式2,定時器3向上計數,有效電平是高電平,定時器3的第3個PWM通道為例:

定時器3的第3個PWM通道對應是PB0這引腳,三角頂點的值就是TIM3_ARR暫存器的值,上圖這條紅線的值就TIM3_CCR3
當定時器3的計數器(TIM3_CNT)剛開始計數的時候是小於捕獲/比較暫存器(TIM3_CCR3)的值,
此時PB0輸出低電平,隨著計數器(TIM3_CNT)值慢慢的增加,
當計數器(TIM3_CNT)大於捕獲/比較暫存器(TIM3_CCR3)的值時,這時PB0電平就會翻轉,輸出高電平,計數器(TIM3_CNT)的值繼續增加,
當TIM3_CNT=TIM3_ARR的值時,TIM3_CNT重新回到0繼續計數,PB0電平翻轉,輸出低電平,此時一個完整的PWM訊號就誕生了。

PWM輸出模式;
STM32的PWM輸出有兩種模式:
模式1和模式2,由TIMx_CCMRx暫存器中的OCxM位確定的(“110”為模式1,“111”為模式2)。區別如下:
110:PWM模式1,在向上計數時,一旦TIMx_CNT
在向下計數時,一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時通道1為無效電平(OC1REF=0),否則為有效電平(OC1REF=1)。
111:PWM模式2-在向上計數時,一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1時通道1為有效電平,否則為無效電平。
由以上可知:
模式1和模式2正好互補,互為相反,所以在運用起來差別也並不太大。而從計數模式上來看,PWM也和TIMx在作定時器時一樣,也有向上計數模式、向下計數模式和中心對齊模式

PWM的輸出管腳:
不同的TIMx輸出的引腳是不同(此處設計管腳重對映
TIM3複用功能重對映:

注:重對映是為了PCB的設計方便。值得一提的是,其分為部分對映和全部對映

PWM輸出頻率的計算:
PWM輸出的是一個方波訊號,訊號的頻率是由TIMx的時鐘頻率和TIMx_ARR這個暫存器所決定的
輸出訊號的佔空比則是由TIMx_CRRx暫存器確:
佔空比=(TIMx_CRRx/TIMx_ARR)*100%
PWM頻率的計算公式為:

其中
F就是PWM輸出的頻率,單位是:HZ;
ARR就是自動重灌載暫存器(TIMx_ARR);
PSC 就是預分頻器(TIMx_PSC);
72M就是系統的頻率;

STM32 高階定時器PWM的輸出

一路帶死區時間的互補PWM的波形圖



STM32F103VC這款微控制器一共有2個高階定時器TIM1和TIM8
這2個高階定時器都可以同時產生3路互補帶死區時間的PWM訊號和一路單獨的PWM訊號,
具有剎車輸入功能,在緊急的情況下這個剎車功能可以切斷PWM訊號的輸出
還具有支援針對定位的增量(正交)編碼器和霍爾感測器電路
高階控制定時器(TIM1 和TIM8) 由一個16位的自動裝載計數器組成,它由一個可程式設計的預分頻器驅動

它適合多種用途,包含測量輸入訊號的脈衝寬度( 輸入捕獲) ,或者產生輸出波形(輸出比較、PWM、嵌入死區時間的互補PWM等)。
使用定時器預分頻器和RCC時鐘控制預分頻器,可以實現脈衝寬度和波形週期從幾個微秒到幾個毫秒的調節。
高階控制定時器(TIM1 和TIM8) 和通用定時器(TIMx) 是完全獨立的,它們不共享任何資源

死區時間
H橋電路為避免由於關斷延遲效應造成上下橋臂直通,有必要設定死區時間
死區時間可有效地避免延遲效應所造成的一個橋臂未完全關斷,而另一橋臂又處於導通狀態,避免直通炸開關管。
死區時間越大,電路的工作也就越可靠,但會帶來輸出波形的失真以及降低輸出效率。
死區時間小,輸出波形要好一些,但是會降低系統的可靠性,一般這個死區時間設定為us級

元器件死區時間是不可以改變的,它主要是取決於元器件的製作工藝和材料!

原則上死區時間當然越小越好。設定死區時間的目的,其實說白了就是為了電路的安全。最佳的設定方法是:在保證安全的前提下,設定的死區時間越小越好。以不炸功率管、輸出不短路為目的。

STM32死區時間探究

設定暫存器:就是剎車和死區控制暫存器(TIMx_BDTR)

這個暫存器的第0—7位,這8個位就是用來設定死區時間的,使用如下:

以TIM1為例說明其頻率是如何產生的。

定時器1適中產生路線:
系統時鐘-> AHB預分頻 -> APB2預分頻 –> TIM1倍頻器–> 產生TIM1的時鐘系統
流程圖看可以看出,要想知道TIM1的時鐘,就的知道系統時鐘,AHB預分頻器的值,還有APB2預分頻器的值,只要知道了這幾個值,即可算出TIM1的時鐘頻率?
這些值從何來,在“SystemInit()”這個時鐘的初始化函式中已經給我們答案了,在這個函式中設定的系統時鐘是72MZ,AHB預分頻器和APB2預分頻器值都是設定為1,由此可算出:TIM1時鐘頻率:
72MHZ了,TDTS=1/72MHZ=13.89ns

Tdtg死區時間步進值,它的值是定時器的週期乘以相應的數字得到的

下面看看官方給的公式如何使用,如下:
DTG[7:5]=0xx=>DT=DTG[6:0]×Tdtg,Tdtg=TDTS
首先由
DTG[7:5]=0xx可以知道的是:DTG的第7位必須為0,剩餘的0~6這7位可配置死區時間,假如TIM1的時鐘為72M的話,那麼由公式Tdtg=TDTS可計算出:TDTS=1/72MHZ=13.89ns。
有了這個值,然後通過公式DT=DTG[6:0]×Tdtg即可計算出DT的值。

如果DTG的第0~6位均為0的話,DT=0
如果
DTG的第0~6位均為1的話,DT=127*13.89ns=1764ns
如果TIM1的時鐘為72M的話,
公式1可設定的死區時間0~1764ns,也就是說:
如果你的專案需要輸出的PWM訊號要求的死區時間是0——1764ns的時候你就可以用公式1

同樣可計算出4個公式的死去區間,如下:
公式1:DT=0~1764ns
公式2:DT=1777.9ns~3528.88ns
公式3:DT=3555.84ns~7000.56ns
公式4:DT=7111.68ns~14001.12ns
死區時間的
設定

假如我們設計了一個專案要求輸出的PWM訊號中加入一個3us的死區時間因為3us這個值在第二個公式決定的死區範圍之內所以選擇第二個公式。3000/(13.89*2)=108,
所以DTG[5:0]=108-64=44
所以DTG=127+44+32=203=0XCB,TIM1->BDTR|=0Xcb
這裡為什麼要在加上一個32那?在公式2中DTG的第5位是一個X,也就是說這一位可以設定為高電平,也可以設定為低電平,在這裡我們將這一位設定為了高電平,所有要在加上一個32.如此而已!