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STM32F103系列单片机中的定时器工作原理解析

STM32F103系列的单片机一共有11个定时器,其中:

2个高级定时器

4个普通定时器

2个基本定时器

2个看门狗定时器

1个系统嘀嗒定时器

出去看门狗定时器和系统滴答定时器的八个定时器列表;

8个定时器分成3个组;

TIM1和TIM8是高级定时器

TIM2-TIM5是通用定时器

TIM6和TIM7是基本的定时器

这8个定时器都是16位的,它们的计数器的类型除了基本定时器TIM6和TIM7都支持向上,向下,向上/向下这3种计数模式

STM32F103系列单片机中的定时器工作原理解析

计数器三种计数模式

向上计数模式:从0开始,计到arr预设值,产生溢出事件,返回重新计时

向下计数模式:从arr预设值开始,计到0,产生溢出事件,返回重新计时

中央对齐模式:从0开始向上计数,计到arr产生溢出事件,然后向下计数,计数到1以后,又产生溢出,然后再从0开始向上计数。(此种技术方法也可叫向上/向下计数)

基本定时器(TIM6,TIM7)的主要功能:

只有最基本的定时功能,。基本定时器TIM6和TIM7各包含一个16位自动装载计数器,由各自的可编程预分频器驱动

通用定时器(TIM2~TIM5)的主要功能:

除了基本的定时器的功能外,还具有测量输入信号的脉冲长度( 输入捕获) 或者产生输出波形( 输出比较和PWM)

高级定时器(TIM1,TIM8)的主要功能:

高级定时器不但具有基本,通用定时器的所有的功能,还具有控制交直流电动机所有的功能,你比如它可以输出6路互补带死区的信号,刹车功能等等

通用定时器的时钟来源;

a:内部时钟(CK_INT)

b:外部时钟模式1:外部输入脚(TIx)

c:外部时钟模式2:外部触发输入(ETR)

d:内部触发输入(ITRx):使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器

通用定时期内部时钟的产生:

从截图可以看到通用定时器(TIM2-7)的时钟不是直接来自APB1,而是通过APB1的预分频器以后才到达定时器模块。

当APB1的预分频器系数为1时,这个倍频器就不起作用了,定时器的时钟频率等于APB1的频率;

当APB1的预分频系数为其它数值(即预分频系数为2、4、8或16)时,这个倍频器起作用,定时器的时钟频率等于APB1时钟频率的两倍。

自动装在寄存器arr值的计算:

Tout= ((arr+1)*(psc+1))/Tclk;

Tclk:TIM3的输入时钟频率(单位为Mhz)。

Tout:TIM3溢出时间(单位为us)。

计时1S,输入时钟频率为72MHz,加入PSC预分频器的值为35999,那么:

((1+psc )/72M)*(1+arr )=((1+35999)/72M)*(1+arr)=1秒

则可计算得出自动窗装载寄存器arr=1999

通用定时器PWM工作原理

以PWM模式2,定时器3向上计数,有效电平是高电平,定时器3的第3个PWM通道为例:

定时器3的第3个PWM通道对应是PB0这引脚,三角顶点的值就是TIM3_ARR寄存器的值,上图这条红线的值就TIM3_CCR3

当定时器3的计数器(TIM3_CNT)刚开始计数的时候是小于捕获/比较寄存器(TIM3_CCR3)的值,

此时PB0输出低电平,随着计数器(TIM3_CNT)值慢慢的增加,

当计数器(TIM3_CNT)大于捕获/比较寄存器(TIM3_CCR3)的值时,这时PB0电平就会翻转,输出高电平,计数器(TIM3_CNT)的值继续增加,

当TIM3_CNT=TIM3_ARR的值时,TIM3_CNT重新回到0继续计数,PB0电平翻转,输出低电平,此时一个完整的PWM信号就诞生了。

PWM输出模式;

STM32的PWM输出有两种模式:

模式1和模式2,由TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位确定的(“110”为模式1,“111”为模式2)。区别如下:

110:PWM模式1,在向上计数时,一旦TIMx_CNT

在向下计数时,一旦TIMx_CNT》TIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0),否则为有效电平(OC1REF=1)。

111:PWM模式2-在向上计数时,一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效电平,否则为无效电平。

由以上可知:

模式1和模式2正好互补,互为相反,所以在运用起来差别也并不太大。而从计数模式上来看,PWM也和TIMx在作定时器时一样,也有向上计数模式、向下计数模式和中心对齐模式

PWM的输出管脚:

不同的TIMx输出的引脚是不同(此处设计管脚重映射)

TIM3复用功能重映射:

注:重映射是为了PCB的设计方便。值得一提的是,其分为部分映射和全部映射

PWM输出频率的计算:

PWM输出的是一个方波信号,信号的频率是由TIMx的时钟频率和TIMx_ARR这个寄存器所决定的

输出信号的占空比则是由TIMx_CRRx寄存器确:

占空比=(TIMx_CRRx/TIMx_ARR)*100%

PWM频率的计算公式为:

其中

F就是PWM输出的频率,单位是:HZ;

ARR就是自动重装载寄存器(TIMx_ARR);

PSC 就是预分频器(TIMx_PSC);

72M就是系统的频率;

STM32 高级定时器PWM的输出

一路带死区时间的互补PWM的波形图

STM32F103VC这款单片机一共有2个高级定时器TIM1和TIM8

这2个高级定时器都可以同时产生3路互补带死区时间的PWM信号和一路单独的PWM信号,

具有刹车输入功能,在紧急的情况下这个刹车功能可以切断PWM信号的输出

还具有支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路

高级控制定时器(TIM1 和TIM8) 由一个16位的自动装载计数器组成,它由一个可编程的预分频器驱动

它适合多种用途,包含测量输入信号的脉冲宽度( 输入捕获) ,或者产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等)。

使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器,可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。

高级控制定时器(TIM1 和TIM8) 和通用定时器(TIMx) 是完全独立的,它们不共享任何资源

死区时间

H桥电路为避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通,有必要设置死区时间

死区时间可有效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断,而另一桥臂又处于导通状态,避免直通炸开关管。

死区时间越大,电路的工作也就越可靠,但会带来输出波形的失真以及降低输出效率。

死区时间小,输出波形要好一些,但是会降低系统的可靠性,一般这个死区时间设置为us级

元器件死区时间是不可以改变的,它主要是取决于元器件的制作工艺和材料!

原则上死区时间当然越小越好。设置死区时间的目的,其实说白了就是为了电路的安全。最佳的设置方法是:在保证安全的前提下,设置的死区时间越小越好。以不炸功率管、输出不短路为目的。

STM32死区时间探究

设置寄存器:就是刹车和死区控制寄存器(TIMx_BDTR)

这个寄存器的第0—7位,这8个位就是用来设置死区时间的,使用如下:

以TIM1为例说明其频率是如何产生的。

定时器1适中产生路线:

系统时钟-》 AHB预分频 -》 APB2预分频 –》 TIM1倍频器–》 产生TIM1的时钟系统

流程图看可以看出,要想知道TIM1的时钟,就的知道系统时钟,AHB预分频器的值,还有APB2预分频器的值,只要知道了这几个值,即可算出TIM1的时钟频率?

这些值从何来,在“SystemInit()”这个时钟的初始化函数中已经给我们答案了,在这个函数中设置的系统时钟是72MZ,AHB预分频器和APB2预分频器值都是设置为1,由此可算出:TIM1时钟频率:

72MHZ了,TDTS=1/72MHZ=13.89ns

Tdtg死区时间步进值,它的值是定时器的周期乘以相应的数字得到的

下面看看官方给的公式如何使用,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位必须为0,剩余的0~6这7位可配置死区时间,假如TIM1的时钟为72M的话,那么由公式Tdtg=TDTS可计算出:TDTS=1/72MHZ=13.89ns。

有了这个值,然后通过公式DT=DTG[6:0]×Tdtg即可计算出DT的值。

如果DTG的第0~6位均为0的话,DT=0

如果DTG的第0~6位均为1的话,DT=127*13.89ns=1764ns

如果TIM1的时钟为72M的话,

公式1可设置的死区时间0~1764ns,也就是说:

如果你的项目需要输出的PWM信号要求的死区时间是0——1764ns的时候你就可以用公式1

同样可计算出4个公式的死去区间,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

如何设置死区时间:

假如我们设计了一个项目要求输出的PWM信号中加入一个3us的死区时间因为3us这个值在第二个公式决定的死区范围之内所以选择第二个公式。3000/(13.89*2)=108,

所以DTG[5:0]=108-64=44

所以DTG=127+44+32=203=0XCB,TIM1-》BDTR|=0Xcb

这里为什么要在加上一个32那?在公式2中DTG的第5位是一个X,也就是说这一位可以设置为高电平,也可以设置为低电平,在这里我们将这一位设置为了高电平,所有要在加上一个32.如此而已!

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