问题现象与背景

在嵌入式开发中，使用STM32定时器的输入捕获功能测量PWM信号的频率和占空比是常见需求。典型做法是：一个通道捕获上升沿，另一个通道捕获下降沿，通过两次捕获值的差值计算高电平时间。然而，不少开发者会遇到一个奇怪现象：当PWM频率改变时，测得的高电平宽度（脉宽）会随之漂移，导致占空比计算错误。例如，固定占空比50%的PWM，在1kHz时测得高电平500us，在10kHz时却变成480us或520us。

这种漂移并非随机误差，而是由定时器的预分频器（PSC） 和捕获边沿配置不当引起的系统性偏差。本文将逐层剖析原因，并给出正确的配置方法。

输入捕获原理回顾

STM32定时器的输入捕获单元（IC）通过边沿检测器监视输入引脚，当检测到指定边沿（上升沿/下降沿/双边沿）时，将当前计数器（CNT）的值锁存到捕获/比较寄存器（CCR）中，并可触发中断或DMA。测量PWM占空比通常需要两个捕获事件：

上升沿捕获得到周期起点（CCR1）
下降沿捕获得到高电平结束点（CCR2）
高电平时间 = CCR2 - CCR1（需处理计数器溢出）
周期 = 两次上升沿的时间差
占空比 = 高电平时间 / 周期

关键点：捕获值的分辨率由定时器计数频率决定，而计数频率 = 定时器时钟 / (PSC + 1)。

漂移的根因分析

1. 预分频器设置过大导致量化误差

假设定时器时钟为72MHz，PSC设置为71，则计数频率为1MHz，计数周期1us。若PWM高电平时间为500us，捕获值差为500，看似精确。但当PWM频率升高至10kHz（周期100us），高电平时间50us，捕获值差为50，此时若存在±1个计数的误差，相对误差为2%。若PSC更大（如计数频率100kHz，周期10us），50us高电平仅对应5个计数，±1误差导致20%的偏差。预分频越大，计数分辨率越低，高频PWM的脉宽测量误差越显著，表现为高电平宽度随频率变化而漂移。

2. 捕获边沿配置错误引入额外延迟

部分开发者误将两个通道都配置为上升沿捕获，或未正确设置从模式复位，导致捕获值并非预期边沿。更隐蔽的是，输入滤波器和边沿检测器的延迟会随信号频率变化：高频信号通过滤波器时，边沿可能被延迟或丢失，造成捕获值偏移。若滤波器采样频率与信号频率不匹配，延迟量不同，也会导致脉宽测量值漂移。

3. 中断响应延迟与计数器溢出处理不当

在高频PWM下，两次捕获间隔很短，若中断服务程序（ISR）响应不及时，可能错过第二次捕获或计数器已溢出。尤其是当PSC设置较大时，计数器溢出周期短，若未正确处理溢出，计算出的差值会出错。

4. 从模式复位（Reset Mode）配置问题

使用从模式复位时，上升沿会将CNT清零，此时下降沿捕获值直接对应高电平时间。但若复位信号与捕获边沿的时序配合不当（如复位延迟），会导致高电平测量值偏小，且该偏差与频率相关。

正确配置步骤

步骤1：合理选择预分频器

根据被测PWM的最低频率和所需分辨率选择PSC。原则：计数频率应足够高，使最小高电平时间对应至少100个计数以上，以降低量化误差。例如，被测PWM频率范围1kHz~100kHz，最小高电平时间约5us（100kHz、50%占空比），若要求1%精度，计数周期应≤50ns，即计数频率≥20MHz。72MHz时钟下，PSC设为0或1即可。

步骤2：正确配置捕获边沿与通道

通道1配置为上升沿捕获（捕获周期起点）
通道2配置为下降沿捕获（捕获高电平结束）
若使用从模式复位，将通道1的上升沿同时作为触发输入（TI1FP1），从模式选择Reset Mode，这样CNT在上升沿自动清零，通道2捕获值即为高电平时间。

步骤3：配置输入滤波器

根据信号频率设置IC Filter。滤波器采样频率 = fCK_INT / (PSC+1)（部分系列有独立分频），采样数N由滤波器位决定。滤波器会引入延迟，延迟时间 ≈ N / 采样频率。高频信号应减小滤波或关闭，避免延迟影响。

步骤4：中断与溢出处理

使能捕获中断和更新中断（溢出）。在ISR中记录溢出次数，计算差值时加上溢出补偿。对于高频PWM，建议使用DMA传输捕获值，减少CPU干预。

完整代码示例（基于STM32F1 HAL库）

// 定时器2输入捕获配置：CH1上升沿，CH2下降沿，从模式复位
TIM_HandleTypeDef htim2;

void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 0;          // 72MHz计数，分辨率13.9ns
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 0xFFFF;        // 最大计数值
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_IC_Init(&htim2);

    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);

    // 从模式复位：TI1FP1触发复位
    TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
    sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_RESET;
    sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_TI1FP1;
    sSlaveConfig.TriggerPolarity = TIM_TRIGGERPOLARITY_RISING;
    sSlaveConfig.TriggerFilter = 0;
    HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim2, &sSlaveConfig);

    // 通道1：上升沿捕获，直接模式
    sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
    sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
    sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    sConfigIC.ICFilter = 0;            // 关闭滤波，避免延迟
    HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

    // 通道2：下降沿捕获，间接模式（映射到TI1）
    sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING;
    sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI;
    sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    sConfigIC.ICFilter = 0;
    HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_2);

    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_2);
}

// 捕获回调：计算频率与占空比
volatile uint32_t period = 0, high_time = 0;
volatile float duty = 0.0f;

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        // 上升沿捕获，CNT已被复位，读取周期值（上一次周期）
        period = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
    } else if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2) {
        // 下降沿捕获，CNT从上升沿开始计数，直接为高电平时间
        high_time = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);
        if (period > 0) {
            duty = (float)high_time / period * 100.0f;
        }
    }
}

注意：上述代码利用从模式复位，上升沿将CNT清零，因此通道2捕获值即为高电平时间，通道1捕获值为周期（需在下一个上升沿读取）。若不用复位模式，则需分别捕获上升沿和下降沿并做差值，同时处理溢出。

注意事项与排查清单

预分频器宁小勿大：在满足计数器不溢出的前提下，尽量提高计数频率，降低量化误差。
滤波器谨慎使用：高频PWM下关闭或减小滤波器，避免边沿延迟导致脉宽测量偏小。
边沿配置必须成对：一个上升沿、一个下降沿，且注意直接/间接模式映射关系。
从模式复位时，确保触发源与捕获通道一致（如TI1FP1），否则CNT不会按预期复位。
中断优先级：捕获中断优先级应高于其他低速中断，防止丢失捕获事件。
溢出处理：若PWM周期大于计数器最大计数值，必须记录溢出次数，否则周期计算错误。
验证方法：用信号发生器输出固定占空比、不同频率的PWM，观察测量值是否稳定；若漂移，优先检查PSC和滤波器设置。

通过以上分析与配置，可彻底消除高电平宽度随频率漂移的现象，实现高精度的PWM占空比测量。

STM32定时器输入捕获测PWM占空比时，高电平宽度漂移的根因与排查：预分频与捕获边沿配置详解