一、输入捕获测频原理简述

STM32定时器输入捕获模式通过检测信号边沿，将当前计数器值锁存到捕获寄存器，结合两次捕获值和时间基准计算频率。常用方法有：

直接测频法：固定闸门时间，统计脉冲个数。
测周法：测量相邻同向边沿间的时间间隔，取倒数得频率。

本文以测周法为例，分析预分频（PSC）与捕获边沿（上升沿/下降沿）配置带来的误差。

二、误差来源分析

2.1 预分频引入的量化误差

定时器计数频率 fCK_CNT = fCK_PSC / (PSC+1)。捕获值 CCR 的分辨率为一个计数周期 Tcnt = 1/fCK_CNT。测周法频率计算：

freq = fCK_CNT / (CCR2 - CCR1);

量化误差：Δf/f ≈ 1/(CCR2-CCR1)。预分频越大，fCK_CNT 越低，相同信号周期内计数值越小，量化误差越大。
预分频相位不确定性：PSC 计数器与信号边沿异步，每次捕获时 PSC 相位随机，导致捕获值存在 ±1 个计数周期的抖动。

2.2 捕获边沿配置的误差

边沿抖动：信号上升/下降沿非理想，存在噪声或振铃，可能触发多次捕获。
边沿不对称：若信号占空比非 50%，上升沿与下降沿间隔不等，用不同边沿测周会引入系统误差。
输入滤波器延迟：配置了输入滤波（ICF）会引入固定延迟，影响高频测量。

2.3 其他误差

时钟源精度（HSI 偏差可达 ±1%）。
中断响应延迟（若用中断读取 CCR）。
计数器溢出处理不当。

三、配置步骤与代码示例

3.1 硬件设计

信号接入 TIMx_CH1（如 PA0）。
使用外部晶振（HSE）作为时钟源，提高基准精度。

3.2 定时器配置（以 TIM2 为例）

void TIM2_Capture_Init(void)
{
    // 1. 时钟使能
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

    // 2. GPIO 配置为复用功能
    GPIOA->MODER &= ~(3U << (0 * 2));
    GPIOA->MODER |=  (2U << (0 * 2));  // AF mode
    GPIOA->AFR[0] |= (1U << (0 * 4));  // AF1 = TIM2_CH1

    // 3. 时基配置：预分频尽量小，提高分辨率
    TIM2->PSC = 0;          // 不分频，fCK_CNT = 84MHz（假设APB1=84MHz）
    TIM2->ARR = 0xFFFF;     // 最大自动重装

    // 4. 输入捕获配置：上升沿，无滤波，无预分频
    TIM2->CCMR1 &= ~(TIM_CCMR1_CC1S | TIM_CCMR1_IC1PSC | TIM_CCMR1_IC1F);
    TIM2->CCMR1 |= (1U << 0);  // CC1S=01，IC1映射到TI1
    TIM2->CCER &= ~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP); // 上升沿捕获
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能捕获

    // 5. 使能捕获中断
    TIM2->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    // 6. 启动定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

3.3 中断服务与频率计算

volatile uint32_t cap1 = 0, cap2 = 0;
volatile uint8_t  flag = 0;
volatile float    freq = 0.0f;

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) {
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF;
        if (flag == 0) {
            cap1 = TIM2->CCR1;
            flag = 1;
        } else {
            cap2 = TIM2->CCR1;
            uint32_t diff = (cap2 > cap1) ? (cap2 - cap1) : (0x10000 + cap2 - cap1);
            if (diff > 0) {
                freq = 84000000.0f / diff;  // fCK_CNT = 84MHz
            }
            flag = 0;
        }
    }
}

四、校准方法

4.1 硬件校准

使用高精度时钟源：外部晶振（如 8MHz ±10ppm）替代 HSI。
信号调理：加施密特触发器或低通滤波，消除边沿抖动。
匹配阻抗：减少反射引起的振铃。

4.2 软件校准

多次测量取平均：连续测量 N 次，剔除异常值后平均。
动态调整预分频：根据信号频率范围自动选择 PSC，使计数值在 1000~60000 之间，平衡分辨率与溢出。
边沿一致性校验：交替捕获上升沿和下降沿，比较周期差异，判断占空比影响。
补偿固定延迟：通过已知频率信号标定，计算并扣除滤波/中断延迟。

4.3 校准代码示例

#define N 10
float measure_freq_avg(void)
{
    float sum = 0;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        flag = 0;
        while (flag == 0);  // 等待一次完整捕获
        sum += freq;
    }
    return sum / N;
}

五、注意事项

预分频不宜过大：在满足量程前提下，PSC 越小，分辨率越高。
捕获边沿选择：优先使用信号质量较好的边沿；若占空比未知，可配置双边沿捕获并计算平均周期。
防止计数器溢出：测周法需处理 ARR 溢出，建议使能溢出中断并扩展计数。
输入滤波配置：高频信号慎用 ICF，避免引入额外延迟；低频信号可适当开启以抑制噪声。
中断优先级：捕获中断应设为较高优先级，减少响应延迟。

通过合理配置预分频与捕获边沿，并结合软硬件校准，可将测频误差控制在 0.1% 以内，满足大多数嵌入式应用需求。

STM32定时器输入捕获测频率：预分频与捕获边沿配置的误差来源与校准方法