【嵌入式】STM32 硬件 PWM 学习文档

STM32 硬件 PWM 学习文档（以 STM32F103VB + PA1/TIM2_CH2/LED17 为例）

1. 学习目标

本文档用于梳理 STM32 硬件 PWM 的基础概念、参数计算方法、配置思路，以及本次实验中

用例：PA1 -> TIM2_CH2 -> LED17 的实际应用过程。

通过本文档，应能回答下面几个问题：

什么是 PWM
STM32 的硬件 PWM 是怎么产生的
为什么 PSC、ARR、CCR 要这样配置
PWM 频率 和 占空比 分别由什么决定
为什么某个 LED 能不能做硬件 PWM，要看引脚有没有 TIMx_CHx
为什么 PA1 可以做 LED17 的硬件 PWM

2. 本次实验背景

本次实验使用芯片为：

STM32F103VB

板上 LED17 对应到 MCU 的：

PA1

而 PA1 具备复用功能：

TIM2_CH2

因此可以将 PA1 配置为定时器 2 的通道 2 输出脚，使用 TIM2_CH2 输出硬件 PWM ，进而控制 LED17 的亮度变化。

3. 什么是 PWM

PWM，全称：

Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）

它的核心思想是：

在一个固定周期内，通过控制高电平持续时间所占的比例，来控制输出的平均效果。

例如，一个周期为 10ms：

高电平持续 1ms，低电平持续 9ms，占空比为 10%
高电平持续 5ms，低电平持续 5ms，占空比为 50%
高电平持续 9ms，低电平持续 1ms，占空比为 90%

对于 LED 来说，人眼看到的不是每一个瞬间的高低电平，而是一个"平均亮度"：

占空比越大，通常越亮
占空比越小，通常越暗

4. 硬件 PWM 和软件 PWM 的区别

4.1 软件 PWM

软件 PWM 的典型做法是：

定时器周期性进入中断
在中断里手动控制 GPIO 输出高低电平
通过程序计算亮灭时间比例，模拟 PWM

特点：

实现直观
所有 GPIO 都可以尝试模拟
但 CPU 参与较多
中断负担更重

4.2 硬件 PWM

硬件 PWM 的典型做法是：

使用定时器内部的 PWM 模式
定时器自动产生 PWM 波形
通过 TIMx_CHx 对应引脚直接输出

特点：

波形由硬件自动产生
CPU 不需要反复翻转 GPIO
更稳定、更高效
但只能用具备 TIMx_CHx 功能的引脚

4.3 本次实验属于

PA1 -> TIM2_CH2 -> LED17 的实验，属于：

硬件 PWM

∵ PWM 波形由 TIM2 的通道 2 直接输出到 PA1，不是通过中断手动翻转 GPIO 实现的。

5. STM32 硬件 PWM 的本质

STM32 硬件 PWM 的本质可以理解为：

定时器以一定速度计数
计数器从 0 开始不断累加
当计数值小于某个比较值时，输出一种电平
当计数值大于等于该比较值时，输出另一种电平
当计数到周期上限后，重新回到 0，开始下一个周期

因此，硬件 PWM 的核心不是普通 GPIO，而是：

定时器计数
比较寄存器
输出通道

6. PWM 须掌握的几个核心概念

6.1 系统时钟

系统时钟是 MCU 运行的基础时钟来源。

本次实验中，使用简单的时钟配置：

HSI = 8MHz

也就是说，很多外设的基础时钟，都与这 8MHz 有关。

6.2 定时器时钟

定时器本身并不是凭空计数的，它的计数速度来自输入时钟。

在入门阶段，可以先简单理解成：

定时器拿到一个时钟后，经过预分频，再开始计数。

6.3 Prescaler（预分频器，PSC）

PSC 的作用是：

把输入给定时器的时钟先"减慢"

公式为：

text 复制代码

定时器计数频率 = 定时器输入时钟 / (PSC + 1)

注意这里一定是：

text 复制代码

PSC + 1

不是直接除以 PSC。

例如：

输入时钟 = 8MHz
PSC = 7

那么：

text 复制代码

定时器计数频率 = 8MHz / (7 + 1) = 1MHz

说明：

定时器现在每 1us 计一次数

每秒1M次

f= 1/T

6.4 Period（自动重装值，ARR）

ARR 的作用是：

决定计数器数到多少后重新从 0 开始

例如：

ARR = 999

那么计数过程为：

text 复制代码

0, 1, 2, ... , 999

总共是 1000 个计数。

因此，一个完整 PWM 周期的计数长度为：

text 复制代码

ARR + 1

6.5 Compare（比较值，CCR）

CCR 的作用是：

决定一个 PWM 周期中，高电平持续多长时间

在常见的 PWM1 模式下，可以简单理解为：

当 CNT < CCR 时，输出高电平
当 CNT >= CCR 时，输出低电平

因此：

CCR 越大，高电平持续越久
占空比越大

6.6 计数器（CNT）

CNT 是定时器当前正在计到的值。

比如：

当前 CNT = 100
当前 CCR = 500

若采用 PWM1 模式，则因为 100 < 500，输出保持高电平。

当 CNT 继续增加，到 500 及以上后，输出会切换为低电平。

7. PWM 频率和占空比公式

7.1 PWM 频率公式

PWM 频率由下面公式决定：

text 复制代码

PWM频率 = 定时器输入时钟 / ((PSC + 1) × (ARR + 1))

这说明：

PSC 影响计数速度
ARR 影响一个周期有多少个计数
两者共同决定 PWM 的频率

7.2 占空比公式

占空比由下面公式决定：

text 复制代码

占空比 = CCR / (ARR + 1)

这说明：

ARR 决定总周期长度
CCR 决定高电平持续时间
两者共同决定占空比

8. 举例为什么本次实验这样配置参数

本次实验采用的参数是：

系统时钟：8MHz
PSC = 7
ARR = 999

目标是：

产生一个大约 1kHz 的 PWM
同时保留较高的占空比分辨率，便于 LED 调光更平滑

9. 参数计算过程详解

9.1 第一步：先确定系统时钟

本次实验使用最简单的内部高速时钟：

text 复制代码

HSI = 8MHz

9.2 第二步：先决定计数频率

为了便于理解和计算，先将定时器计数频率设置为：

text 复制代码

1MHz

为什么选 1MHz？

因为：

1MHz 表示每 1us 计一次数
时间单位直观
后续算周期和占空比都方便

根据公式：

text 复制代码

定时器计数频率 = 定时器输入时钟 / (PSC + 1)

代入：

text 复制代码

1MHz = 8MHz / (PSC + 1)

得到：

text 复制代码

PSC + 1 = 8
PSC = 7

所以设置：

text 复制代码

PSC = 7

9.3 第三步：确定 PWM 周期

目标 PWM 频率设为：

text 复制代码

1kHz

也就是：

text 复制代码

每秒 1000 个周期
每个周期 1ms

前面已经把计数频率设成了：

text 复制代码

1MHz

即：

text 复制代码

每 1us 计一次数

那么一个 1ms 周期内，需要计数：

text 复制代码

1ms = 1000us

也就是：

text 复制代码

1000 次

由于定时器从 0 开始计数，所以：

text 复制代码

ARR = 1000 - 1 = 999

因此设置：

text 复制代码

ARR = 999

9.4 第四步：验证 PWM 频率

将参数代入频率公式：

text 复制代码

PWM频率 = 8MHz / ((7 + 1) × (999 + 1))
         = 8MHz / (8 × 1000)
         = 1kHz

所以该配置是正确的。

10. 为什么不选别的参数组合

实际上，并不是只有这一组参数能得到 1kHz PWM。

例如，也可以这样：

PSC = 79
ARR = 99

因为：

text 复制代码

8MHz / (79 + 1) = 100kHz
100kHz / (99 + 1) = 1kHz

最终频率也是 1kHz。

但是这两种配置的差别在于：

配置一：`PSC = 7, ARR = 999`

优点：

计数频率 1MHz，时间分辨率高
ARR = 999，占空比可调范围大约有 1000 档
LED 调光更细腻

配置二：`PSC = 79, ARR = 99`

特点：

计数频率较低
ARR = 99，占空比只有大约 100 档
调节会更粗一些

因此，在 LED 呼吸灯这类应用中，通常更偏向：

在 PWM 频率满足要求的前提下，让 ARR 稍大一些，从而获得更高的占空比分辨率

11. 为什么修改 CCR 就能改变 LED 亮度

假设当前：

ARR = 999

那么一个周期总共是 1000 个计数。

情况 1：`CCR = 100`

text 复制代码

占空比 = 100 / 1000 = 10%

这意味着：

一个周期中只有约 10% 的时间输出高电平
LED 平均亮度较低

情况 2：`CCR = 500`

text 复制代码

占空比 = 500 / 1000 = 50%

这意味着：

一个周期中约一半时间输出高电平
LED 亮度中等

情况 3：`CCR = 900`

text 复制代码

占空比 = 900 / 1000 = 90%

这意味着：

大部分时间输出高电平
LED 平均亮度较高

因此，修改 CCR 就是在修改占空比，而占空比决定 LED 的平均亮度。

12. 为什么 PA1 必须配置为复用推挽输出

做硬件 PWM 时，PA1 不能再当普通 GPIO 使用，而要把该引脚交给定时器通道来控制。

因此必须配置为：

c 复制代码

GPIO_MODE_AF_PP

含义为：

AF：Alternate Function，复用功能
PP：Push Pull，推挽输出

如果配置成普通推挽输出：

c 复制代码

GPIO_MODE_OUTPUT_PP

那 PA1 只是一个普通 GPIO，无法输出 TIM2_CH2 的 PWM 波形。

所以这一步是硬件 PWM 成功输出的关键条件之一。

13. 为什么要使用 `TIM2_CH2`

因为本次 LED17 接到的是：

PA1

而 PA1 具备的定时器通道功能是：

TIM2_CH2

所以如果想让 LED17 走硬件 PWM，必须满足下面这个链路：

text 复制代码

TIM2 -> CH2 -> PA1 -> LED17

也就是说，硬件 PWM 不是任意 GPIO 都能做 ，而是要看该引脚有没有对应的 TIMx_CHx 功能。

14. 如何判断某个 LED 能不能做硬件 PWM

判断步骤通常如下：

第一步：看原理图

确认该 LED 接到了 MCU 的哪个引脚。

第二步：看该引脚复用功能

确认该引脚是否具备：

text 复制代码

TIMx_CHx

例如：

PA1 -> TIM2_CH2
PA0 -> TIM2_CH1

第三步：确认工程里能否将该引脚配置为复用输出

如果具备 TIMx_CHx，则可以尝试配置为硬件 PWM。

第四步：若没有 `TIMx_CHx`

则通常不能直接做硬件 PWM，只能考虑：

软件 PWM
或更换到支持 PWM 的引脚

15. 为什么本次 LED17 能做 PWM

本次实验中：

LED17 -> PA1
PA1 具备 TIM2_CH2

因此满足硬件 PWM 的基本条件。

虽然板级原理图中 LED17 还经过了反相器等外围电路，但这不影响：

PA1 输出 PWM 波形
定时器使用 TIM2_CH2

只是可能会影响最终看到的亮暗逻辑方向。

也就是说：

占空比变大，可能看起来越来越亮
也可能因为板级反相，表现为越来越暗

但这不影响硬件 PWM 已经正确输出。

16. 为什么要选 1kHz 作为 LED PWM 频率

LED 做 PWM 调光时，频率不能太低。

如果频率过低，容易出现：

肉眼可见闪烁
视觉体验差

1kHz 是一个很常见、也很适合入门实验的频率，因为它：

足够高，不容易明显闪烁
参数容易计算
调试方便

当然，并不是只能选 1kHz，实际应用中还可能使用：

500Hz
2kHz
5kHz

但对学习阶段来说，1kHz 是一个很好的起点。

17. 一次完整的 PWM 参数设计思路

以后遇到 PWM 配置问题，可以按下面这个流程思考。

第一步：确定系统时钟

例如：

text 复制代码

8MHz

第二步：确定目标 PWM 频率

例如：

text 复制代码

1kHz

第三步：先选一个好理解的定时器计数频率

例如：

text 复制代码

1MHz

这时：

text 复制代码

PSC = 8MHz / 1MHz - 1 = 7

第四步：再根据 PWM 频率算 ARR

因为：

text 复制代码

1MHz / 1kHz = 1000

所以：

text 复制代码

ARR = 1000 - 1 = 999

第五步：根据占空比算 CCR

例如，若想要 50% 占空比：

text 复制代码

CCR = 1000 × 50% = 500

这样整组参数就完整了。

18. 与本次实验相关的关键结论

18.1 参数结论

本实验设置：

PSC = 7
ARR = 999

可得到：

定时器计数频率：1MHz
PWM 频率：1kHz

18.2 占空比调节方式

通过修改：

CCR

即可改变占空比，从而改变 LED17 的平均亮度。

18.3 引脚配置要求

PA1 必须配置为：

复用推挽输出

不能配置为普通 GPIO 输出。

18.4 引脚前提

某 LED 想做硬件 PWM，必须先确认其对应引脚具有：

TIMx_CHx

而 PA1 具备：

TIM2_CH2

所以可以实现硬件 PWM。

19. 容易混淆的几个点

19.1 为什么公式里总是 `+1`

无论是：

PSC
ARR

都要注意，硬件计数通常是从 0 开始的。

所以：

PSC = 7 实际表示 8 分频
ARR = 999 实际表示一个周期共 1000 个计数

这是初学者最容易写错的地方之一。

19.2 PWM 频率和占空比不要混淆

PWM 频率由什么决定

由：

输入时钟
PSC
ARR

决定

占空比由什么决定

由：

CCR
ARR

决定

因此：

改 PSC、ARR，主要是在改 PWM 有多快
改 CCR，主要是在改 LED 有多亮

19.3 并不是所有 GPIO 都能直接输出硬件 PWM

只有当引脚带有：

text 复制代码

TIMx_CHx

这类复用功能时，才适合直接做硬件 PWM。

如果没有该功能，则通常只能：

做普通 GPIO
做软件 PWM

20. 本次实验的理解模型

可以把 PWM 的参数理解成三层：

第一层：PSC

决定定时器"走得有多快"

第二层：ARR

决定"走多少步算一个周期"

第三层：CCR

决定"这个周期里有多少步保持高电平"

这个模型非常适合初学者建立整体认知。

21. 小结

本次基于 STM32F103VBT6 和 PA1/TIM2_CH2/LED17 的硬件 PWM 学习，核心结论如下：

PWM 本质上是在固定周期内控制高电平持续时间比例的技术
STM32 的硬件 PWM 由定时器自动产生，不需要 CPU 反复翻转 GPIO
PWM频率 = 定时器时钟 / ((PSC+1) × (ARR+1))
占空比 = CCR / (ARR+1)
PSC 用于分频，ARR 用于确定周期，CCR 用于确定占空比
本实验中 8MHz -> PSC=7 -> 1MHz计数频率 -> ARR=999 -> 1kHz PWM
PA1 因为具备 TIM2_CH2 功能，所以可以用于硬件 PWM 输出
PA1 必须配置为复用推挽输出，不能配置为普通 GPIO 输出
通过动态修改 CCR，即可实现 LED17 的亮度调节和呼吸灯效果

22. 适合后续继续学习的方向

在掌握本文内容后，可以继续学习下面几个方向：

PWM1 和 PWM2 模式的区别
边沿对齐模式与中心对齐模式
高级定时器与普通定时器的区别
多通道 PWM 同步输出
通过按键切换占空比档位
通过 DMA 自动修改 CCR 实现更平滑呼吸灯
PWM 驱动蜂鸣器、电机、舵机的不同参数配置思路

【嵌入式】STM32 硬件 PWM 学习文档

STM32 硬件 PWM 学习文档（以 STM32F103VB + PA1/TIM2_CH2/LED17 为例）

1. 学习目标

2. 本次实验背景

3. 什么是 PWM

4. 硬件 PWM 和软件 PWM 的区别

4.1 软件 PWM

4.2 硬件 PWM

4.3 本次实验属于

5. STM32 硬件 PWM 的本质

6. PWM 须掌握的几个核心概念

6.1 系统时钟

6.2 定时器时钟

6.3 Prescaler（预分频器，PSC）

6.4 Period（自动重装值，ARR）

6.5 Compare（比较值，CCR）

6.6 计数器（CNT）

7. PWM 频率和占空比公式

7.1 PWM 频率公式

7.2 占空比公式

8. 举例为什么本次实验这样配置参数

9. 参数计算过程详解

9.1 第一步：先确定系统时钟

9.2 第二步：先决定计数频率

9.3 第三步：确定 PWM 周期

9.4 第四步：验证 PWM 频率

10. 为什么不选别的参数组合

配置一：PSC = 7, ARR = 999

配置二：PSC = 79, ARR = 99

11. 为什么修改 CCR 就能改变 LED 亮度

情况 1：CCR = 100

情况 2：CCR = 500

情况 3：CCR = 900

12. 为什么 PA1 必须配置为复用推挽输出

13. 为什么要使用 TIM2_CH2

14. 如何判断某个 LED 能不能做硬件 PWM

第一步：看原理图

第二步：看该引脚复用功能

第三步：确认工程里能否将该引脚配置为复用输出

第四步：若没有 TIMx_CHx

15. 为什么本次 LED17 能做 PWM

16. 为什么要选 1kHz 作为 LED PWM 频率

17. 一次完整的 PWM 参数设计思路

第一步：确定系统时钟

第二步：确定目标 PWM 频率

第三步：先选一个好理解的定时器计数频率

第四步：再根据 PWM 频率算 ARR

第五步：根据占空比算 CCR

18. 与本次实验相关的关键结论

18.1 参数结论

18.2 占空比调节方式

18.3 引脚配置要求

18.4 引脚前提

19. 容易混淆的几个点

19.1 为什么公式里总是 +1

19.2 PWM 频率和占空比不要混淆

PWM 频率由什么决定

占空比由什么决定

19.3 并不是所有 GPIO 都能直接输出硬件 PWM

20. 本次实验的理解模型

第一层：PSC

第二层：ARR

第三层：CCR

21. 小结

22. 适合后续继续学习的方向

配置一：`PSC = 7, ARR = 999`

配置二：`PSC = 79, ARR = 99`

情况 1：`CCR = 100`

情况 2：`CCR = 500`

情况 3：`CCR = 900`

13. 为什么要使用 `TIM2_CH2`

第四步：若没有 `TIMx_CHx`

19.1 为什么公式里总是 `+1`