在脉冲宽度调制（PWM）控制中，实现频率调整时保持固定脉宽时间（即高电平持续时间不变）是一个典型的技术需求。该问题本质上是要求在改变周期（T）的同时，保持导通时间（Ton）恒定。以下从原理分析、实现方法及注意事项三方面展开专业阐述。
一、原理分析
PWM波形由周期（T）和占空比（D）共同定义，二者满足关系：
导通时间：Ton = D × T
关断时间：Toff = T – Ton
若需在调整频率（f = 1/T）时保持Ton恒定，则需满足：
Ton = D × T = 常数
当T变化时，占空比D必须动态调整，使得D与T成反比。例如：
当频率加倍（T减半），占空比需加倍以维持Ton不变；
当频率减半（T加倍），占空比需减半以维持Ton不变。
因此，实现的核心在于动态解耦周期与占空比的耦合关系，通过独立控制二者实现目标。
二、实现方法
1. 基于定时器的硬件方案
大多数微控制器通过定时器生成PWM信号，需配置两个关键寄存器：
自动重载寄存器（ARR）：决定PWM周期（T = (ARR+1) × 定时器时钟周期）；
捕获/比较寄存器（CCR）：决定导通时间（Ton = (CCR+1) × 定时器时钟周期）。
实现步骤：
1. 固定Ton：根据目标Ton计算CCR值，公式为：
\[
\text{CCR} = \frac{Ton}{T{\text{clk}}}} - 1
\]
其中，\( T{\text{clk}} \)为定时器时钟周期（由预分频器设置）。
2. 动态调整ARR：根据目标频率计算ARR值，公式为：
\[
\text{ARR} = \frac{1}{f \times T{\text{clk}}}} - 1
\]
需确保ARR ≥ CCR，否则无法输出有效脉宽。
3. 更新寄存器：在运行时修改ARR以改变频率，同时保持CCR不变。
代码示例（通用伪代码）：
- c
- void SetPWMFrequency(float freq) {
- // 计算ARR值
- uint32t arr = (uint32t)(SystemCoreClock / (prescaler freq)) - 1;
- TIMx->ARR = arr; // 更新自动重载寄存器
- // 保持CCR值不变（CCR已在初始化时根据Ton设定）
- // TIMx->CCR1 = fixedccr;
- }
2. 动态占空比补偿算法
若硬件不支持ARR独立调整（如某些简化PWM模块），需通过软件动态计算占空比：
\[
D = \frac{Ton}{T} = Ton \times f
\]
每次频率变化时，重新计算D并更新CCR值：
\[
\text{CCR} = D \times (ARR + 1) - 1
\]
此方法需保证计算精度，避免因量化误差导致Ton波动。
三、注意事项
1. 定时器分辨率限制
定时器时钟频率和预分频器决定了最小时间分辨率。若目标Ton接近定时器分辨率极限，可能导致实际Ton存在误差。需通过公式验证：
\[
\text{最小Ton} = T{\text{clk}} = \frac{\text{定时器时钟源频率}}{\text{预分频系数}}
\]
2. 频率范围约束
频率上限受限于定时器最大计数速度（ARR最小值），下限受ARR寄存器位数限制。例如，16位ARR最大值为65535，若预分频为1且时钟为72MHz，最低频率为：
\[
f{\text{min}} = \frac{72 \times 10^6}{65536} \approx 1098.9 \text{Hz}
\]
3. 实时性与同步更新
修改ARR或CCR时需注意寄存器更新时机。部分定时器支持影子寄存器或缓冲写入，可避免PWM周期内突变更改导致的输出异常。
4. 占空比有效性校验
动态调整频率时，需确保CCR ≤ ARR。若目标频率过低（ARR过小），可能导致CCR > ARR，此时应限制频率或提示错误。
四、典型应用场景
1. 电机控制：在转速调节时维持恒定扭矩脉宽；
2. 电源拓扑：LLC谐振变换器中固定开关管导通时间；
3. 通信调制：脉宽编码信号（如红外遥控）的频率自适应传输。
总结
通过独立配置定时器的ARR与CCR寄存器，可实现PWM频率调整时脉宽时间恒定。设计时需综合考虑定时器分辨率、频率范围及实时性要求，必要时引入动态补偿算法。此方案适用于多数具备标准定时器外设的微控制器，具有较高的工程实用价值。
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