STM32 定时器 输入捕获 滤波器/中断输入 毛刺/信号捕获

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关于STM32定时器中的输入捕获滤波器的功能描述，在中文参考手册中描述如下：

我不理解官方的说明，在网上搜了老半天，基本都是下面这几句话:
1）当滤波器连续采样到N次个有效电平时，认为一次有效的输入电平。
2）该数字滤波器实际上是个事件计数器，它记录到N个事件后会产生一个输出的跳变。
例如：当f(CK_INT) = 72MHz, CKD[1:0] = 01时，选择f(DTS) = f(CK_INT)/2 = 36MHz;
而ETF[3:0] = 0100,则采样频率f(SAMPLING) = f(DTS) / 2 = 18MHz, N = 6,此时高于3MHz的信号
将被这个滤波器滤除，这样就有效地屏蔽了高于3MHz的干扰。

看了这些说法，我还是不理解这个数字滤波器到底是如何工作的，问题如下：
问题1：当滤波器连续采样到N次个有效电平时，是输出这个电平？还是输出一个跳变？
问题2：当滤波器没有连续采样到N次个有效电平时，输出是的什么？

带着这两个问题，我们来分析一下，下面以TIM3为例：
首先可以肯定输入捕获过程如下：详细信息见参考手册中的14.2节，通用定时器框图
TIM3_CH1(PA.6) ----> TI1(外部信号) ------->  输入滤波器IC1F[3:0] ----->  IC1(滤波器输出信号) -------> 输入捕获预分频器IC1PSC[1:0] ----> 捕获/比较1寄存器CCR1
从上面的过程可以知道，
1）发生输入捕获所需要的跳变沿是由滤波器输出产生的。
2）滤波器和预分频器可软件编程，如果IC1F[3:0] = 0x0，则滤波器全通，即TI1 和 IC1是同一个信号。

借助这两点分析，我假设的滤波器的工作原理是：
问题1猜测答案：当滤波器连续采样到N次个有效电平时，就输出这个有效电平。
问题2猜测答案：当滤波器没有连续采样到N次个有效电平时，再从0开始计数，输出一直保持上一次输出的有效电平。例如：滤波器上一次输出是高电平，本次连续采样到N-1个高低平，但第N是个低电平，那么滤波器仍然保持上次输出的高电平，并重新开始计数，记录1次低电平，如果在其后采样的N-1个也是低电平，此时滤波才输出低电平，于是一个下降沿才出现在IC1上。

举例：如果我们产生一个f = 1MHz的占空比为50%的方波信号，滤波器的采样频率f(SAMPLING) = 18MHz，那么如果滤波器要想监测的1MHz信号，并且滤除高频干扰，则理论上 N <= 9 ，
即 f(SAMPLING) / N  >= 2 * f，这让我想起了《信号与系统》中的“奈圭斯特采样频率”。
如下图所示：

从上图中我们可以看到，对于1MHz的信号，当采样频率为18MHz时，N最大为9。当N大于9时，是不可能连续采样到大于10个的有效电平的。

下面我们验证这个猜测：
按照这个猜想，我们先求一下这个数字低通滤波器的最小通带截止频率。
令 CKD[1:0] = 01b, 即f(DTS) = f(CK_INT) / 4 = 18MHz;
    IC1F[3:0] = 1111b, 即f(SAMPLING) = f(DTS) / 32 = 562.5KHz,   N = 8;
由公式 f(SAMPLING) / N  >= 2 * f 可得: f <= 35.156KHz，
也就是说理论上：滤波器可以监测到输入信号频率小于35.156KHz，占空比为50%的方波信号的跳变沿，换句话说，大于35.156KHz的此类信号将被滤除掉。
下面是STM32定时器输出频率的计算公式：f(OC1) = 72,000,000 / (ARR - 1)*(PSC - 1);
50%的PWM波不同频率的计算值如下表：
_______________________________________________________________________
  f Hz           |         ARR        |        PSC      |       理论上                 |      实际上
40K             |      1800 - 1     |         0        |       监测不到跳变沿      |      监测不到跳变沿
36K             |      2000 - 1     |         0        |       监测不到跳变沿      |      监测到跳变沿
35.156K       |      2048 - 1     |         0        |       临界值                 |      监测到跳变沿
35K             |      2057 - 1     |         0        |       可检测到跳变沿      |      监测到跳变沿
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下面是源代码：
配置TIM3的通道1(PA.6)输出不同频率的占空比50%的方波，配置TIM3的通道2(PA.7)为输入捕获模式，并使能捕获中断，在中断中输出捕获的值，将PA.6和PA.7短接。
在测试时请注意修改：宏定义ARR的常量值。
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void RCC_Configure(void)
{
        /* 开启辅助时钟 */        
        /* 使能GPIOA，Pin8 50MHz 推免输出 LED0*/
        /* 使能GPIOD，Pin2 50MHz 推免输出 LED1*/
        /* 使能GPIOA.9 GPIOA.10串口时钟 */
        /* GPIOA_Pin_0~3 for ADC1_Channel_10~13 */
        /* GPIOC_Pin_6~10 and GPIOB.all for TFT_LCD */
        RCC->APB2ENR  |= RCC_APB2Periph_GPIOA;

        /* 复位USART1，再结束复位 */
        RCC->APB2RSTR |= RCC_APB2Periph_USART1;
        RCC->APB2RSTR &= ~RCC_APB2Periph_USART1;
        RCC->APB2ENR  |= RCC_APB2Periph_USART1;        

        /* TIM3 */
        RCC->APB1ENR  |= RCC_APB1Periph_TIM3;
        RCC->APB1RSTR |= RCC_APB1Periph_TIM3;
        RCC->APB1RSTR &= ~RCC_APB1Periph_TIM3;

        }


void GPIO_Configure(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /* 设置USART1复用端口----------------------------------------------------- */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;    /* TXD */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;    /* RXD */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

void NVIC_Configure(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
   
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    /* TIM3_CC_IRQHandler  */
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel =TIM3_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

#define ARR                     //1800, 2000, 2048, 2057

void Tim_Configure( void )
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef        TIM_OCInitStructure;
    TIM_ICInitTypeDef        TIM_ICInitStucture;
   
    /*  TIM3 Configration */
    /* Time Base configuration f =  */
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ARR - 1;   //ARR = 1800, 2000, 2048, 2057
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV4;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
   
    /* Channel 1 Configuration in PWM mode */
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ARR / 2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_ICInitStucture.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStucture.TIM_ICFilter = 0x0F;
    TIM_ICInitStucture.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStucture.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStucture.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStucture);

    TIM3->CR1  |= TIM_CR1_CEN;
    TIM3->DIER |= TIM_IT_CC2;        
}

void TIM3_IRQHandler ( void )
{
    if (TIM3->DIER & TIM_IT_CC2)
    {
        TIM3->SR = (uint16_t)~TIM_IT_CC2;
        printf("%d\r\n", TIM3->CCR2);     
    }
}

void main (void)
{
        //初始化RCC
        //初始化NVIC
        //初始化GPIO
        //初始化USART
        //初始化TIM
        while(1){}
}
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在串口输出的数据中，我们捕获的数值不等于 ARR / 2， 这是因为输入捕获发生在上升沿，这个上升沿来自滤波器的输出，而滤波器在第一次监测
到由高到低的电平后，还要再连续确认N = 8次，才最终输出低电平，这很显然滤波器输出给捕获器预分频的上升沿要比原始信号延时了，那么这个
延时到底有多大哪？
在上面我们计算数字滤波器的最小通带截止频率 f 时，3个公式中的所有分母依次是：4, 32, N,
已知N = 8，则最大延迟为： 4 * 32 * N = 1024，所以我们捕获到的值 < ARR / 2  +　1024

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转载 调试补充

注意文章中提示的实际的一个信号流程。理解每个配置项实际的含义