STM32 DAC + DMA + TIM 输出正弦波，三角波，方波信号

2023-11-05

硬件平台：STM32F4
库类型：标准库。
参考：【二代示波器教程】第12章示波器设计—DAC信号发生器的实现

DAC框图如下：

在这里插入图片描述
通过TIM触发DAC转换，转换完成后通过DMA输出。

DMA通道框图

在这里插入图片描述

DAC输出阻抗的问题：

DAC集成了2个输出缓存，可以用来减少输出阻抗，无须外部运放即可直接驱动外部负载。每个DAC通道输出缓存可以通过设置DAC_CR寄存器的BOFFx位来使能或者关闭，如果带载能力还不行，后面就需要接一个电压跟随器，选择运放一定要选择电流大的型号。

DAC使能输出缓冲后，DAC的最小输出电压为0.2V。最大电压为Vref±0.2（会造成削顶问题）。而未使能输出缓冲则可达到0V。
在这里插入图片描述
输出缓冲和外接负载时的框图。

DAC驱动实现

我们这里使用了DAC1，驱动中还需要用到TIM6和DMA，方便我们配置不同的的频率，占空比和幅值。

1. 引脚配置和DAC配置

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: bsp_InitDAC1
*	功能说明: 配置PA4/DAC1
*	形    参: 无
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_InitDAC1(void)
{	
	/* 配置GPIO */
	{
		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
		
		RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
		
		/* 配置DAC引脚为模拟模式  PA4 / DAC_OUT1 */
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
		GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;
		GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	}	

	/* DAC通道1配置 */
	{
		DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
		
		/* 使能DAC时钟 */
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);		

		DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;	/* 选择软件触发, 软件修改DAC数据寄存器 */
		DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
		DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
		//DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;
		DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
		DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
		DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
	}
}

特别注意。程序中关闭了DAC输出缓冲，即DAC参数成员DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer。

2. DAC的定时器触发和DMA配置：

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: dac1_InitForDMA
*	功能说明: 配置PA4 为DAC_OUT1, 启用DMA2
*	形    参: _BufAddr : DMA数据缓冲区地址
*			  _Count   : 缓冲区样本个数
*			 _DacFreq  : DAC样本更新频率
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void dac1_InitForDMA(uint32_t _BufAddr, uint32_t _Count, uint32_t _DacFreq)
{	
	uint16_t usPeriod;
	uint16_t usPrescaler;
	uint32_t uiTIMxCLK;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	
	DMA_Cmd(DMA1_Stream5, DISABLE);
	DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, DISABLE);
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
	

	/* TIM6配置 */
	{
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);

		uiTIMxCLK = SystemCoreClock / 2;
		
		if (_DacFreq < 100)
		{
			usPrescaler = 10000 - 1;						 /* 分频比 = 10000 */
			usPeriod =  (uiTIMxCLK / 10000) / _DacFreq  - 1; /* 自动重装的值 */
		}
		else if (_DacFreq < 3000)
		{
			usPrescaler = 100 - 1;							/* 分频比 = 100 */
			usPeriod =  (uiTIMxCLK / 100) / _DacFreq  - 1;	/* 自动重装的值 */
		}
		else	/* 大于4K的频率，无需分频 */
		{
			usPrescaler = 0;						/* 分频比 = 1 */
			usPeriod = uiTIMxCLK / _DacFreq - 1;	/* 自动重装的值 */
		}

		TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = usPeriod;
		TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = usPrescaler;
		TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
		TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
		TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0x0000;		/* TIM1 和 TIM8 必须设置 */	

		TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure);

		/* 选择TIM6做DAC的触发时钟 */
		TIM_SelectOutputTrigger(TIM6, TIM_TRGOSource_Update);
	}

	/* DAC通道1配置 */
	{
		DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
		
		/* 使能DAC时钟 */
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);		

		DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T6_TRGO;
		DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
		DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
		//DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;
		DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
		DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
		DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
	}

	/* DMA1_Stream5配置 */
	{
		DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

		RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);

		/* 配置DMA1 Stream 5 channel 7用于DAC1 */
		DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_7;
		DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&DAC->DHR12R1; 
		DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = _BufAddr;	
		DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;		
		DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = _Count;
		DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
		DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
		DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
		DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
		DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;								//循环模式
		DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
		DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
		DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
		DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
		DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
		DMA_Init(DMA1_Stream5, &DMA_InitStructure);
		DMA_Cmd(DMA1_Stream5, ENABLE);

		/* 使能DAC通道1的DMA */
		DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
	}

	/* 使能定时器 */
	TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);
}

通过这个函数可以方便的计算DAC的输出波形频率。计算方法如下：

输出波形频率 = 配置的定时器触发频率 / DMA的缓冲个数。

其中，DMA缓冲数据的个数就是输出波形一个周期的采样点数。程序中统一将其配置为128个点代表一个周期的波形。实际应用中，配置的点数不要太少，否则波形不够漂亮。

比如，我们需要输出 10KHz的波形，这个函数的配置就是：

dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1,128, 10000 * 128)

数组g_Wave1里面是128个波形采样点。通过修改触发频率来实现波形频率。

关于这个驱动代码，要注意TIM6的配置。F4的定时器从TIM1到TIM14的主频如下：

/*
 
********************************************************************************
 
system_stm32f4xx.c 文件中 voidSetSysClock(void) 函数对时钟的配置如下：

HCLK = SYSCLK / 1     (AHB1Periph)
 
PCLK2 = HCLK / 2      (APB2Periph)
 
PCLK1 = HCLK / 4      (APB1Periph)
 
因为APB1 prescaler != 1, 所以 APB1上的TIMxCLK = PCLK1 x 2 = SystemCoreClock/ 2;
 
因为APB2 prescaler != 1, 所以 APB2上的TIMxCLK = PCLK2 x 2 =SystemCoreClock;
 
APB1 定时器有 TIM2, TIM3,TIM4, TIM5, TIM6, TIM7, TIM12, TIM13, TIM14
 
APB2 定时器有 TIM1, TIM8,TIM9, TIM10, TIM11
 
TIM 更新周期是 = TIMCLK / （TIM_Period + 1）/（TIM_Prescaler+ 1）
********************************************************************************
*/

由此可知，TIM6的主频是SystemCoreClock / 2。当主频是168MHz时，TIM6的时钟就是84MHz，TIM6更新周期 = TIM6CLK / （TIM_Period + 1）/（TIM_Prescaler+ 1），其中

TIM_Period就是定时器结构体成员TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period。

TIM_Prescaler就是定时器结构体成员TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler。

另外还有非常重要的一点，TIM6是16位定时器，这两个参范围是0-65535，切不要超过65535。正是因为这个原因，程序中对不同的输出频率做了范围区分。

3. 正弦波输出配置：

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: dac1_SetSinWave
*	功能说明: DAC1输出正弦波
*	形    参: _vpp : 幅度 0-4095;
*			  _freq : 频率
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void dac1_SetSinWave(uint16_t _vpp, uint32_t _freq)
{	
	uint32_t i;
	uint32_t dac;
	
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
		
	/* 调整正弦波幅度 */		
	for (i = 0; i < 128; i++)
	{
		dac = (g_SineWave128[i] * _vpp) / 4095;
		if (dac > 4095)
		{
			dac = 4095;	
		}
		g_Wave1[i] = dac;
	}
	
	dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
}

正弦波输出128个采样点代表一个周期，同时程序里面增加了一个幅值设置功能，范围0到4095。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数 dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095正弦波，那么配置就是：dac1_SetSinWave(4095, 10000)。

生成正弦波数据表

要输出正弦波，实质是要控制 DAC 以 v=sin(t)的正弦函数关系输出电压，其中 v 为电压输出，t 为时间。而由于模拟信号连续而数字信号是离散的，所以使用 DAC 产生正弦波时，只能按一定时间间隔输出正弦曲线上的点，在该时间段内输出相同的电压值，若缩短时间间隔，提高单个周期内的输出点数，可以得到逼近连续正弦波的图形，见下图 37-3，若在外部电路加上适当的电容滤波，可得到更完美的图形。
在这里插入图片描述
由于正弦曲线是周期函数，所以只需要得到单个周期内的数据后按周期重复即可，而单个周期内取样输出的点数又是有限的，所以为了得到呈 v=sin(t)函数关系电压值的数据通常不会实时计算获取，而是预先计算好函数单个周期内的电压数据表，并且转化成以 DAC 寄存器表示的值。如 sin 函数值的范围为[-1: +1]，而 STM32 的 DAC 输出电压范围为[0~3.3]V，按 12 位 DAC 分辨率表示的方法，可写入寄存器的最大值为 212 = 4096，即范围为[0:4096]。所以，实际输出时，会进行如下处理：

抬升 sin 函数的输出为正值：v = sin(t)+1 ，此时，v 的输出范围为[0:2]；

扩展输出至 DAC 的全电压范围: v = 3.3*(sin(t)+1)/2 ，此时，v 的输出范围为[0:3.3]，正是 DAC 的电压输出范围，扩展至全电压范围可以充分利用 DAC 的分辨率；

把电压值以 DAC 寄存器的形式表示：Reg_val = 212/3.3 * v = 211*(sin(t)+1)，此时，存储到 DAC 寄存器的值范围为[0:4096]；

实践证明，在 sin(t)的单个周期内，取 32 个点进行电压输出已经能较好地还原正弦波形，所以在 t∈[0:2π]区间内等间距根据上述 Reg_val 公式运算得到 32 个寄存器值，即可得到正弦波表；

控制 DAC 输出时，每隔一段相同的时间从上述正弦波表中取出一个新数据进行输出，即可输出正弦波。改变间隔时间的单位长度，可以改变正弦波曲线的周期。

生成的正弦波数据表：

/*  正弦波数据，12bit，1个周期128个点, 0-4095之间变化 */
const uint16_t g_SineWave128[] = {
	2047 ,  2147 ,	2248 ,	2347 ,	2446 ,	2544 ,	2641 ,	2737 ,
	2830 ,  2922 ,	3012 ,	3099 ,	3184 ,	3266 ,	3346 ,	3422 ,
	3494 ,  3564 ,	3629 ,	3691 ,	3749 ,	3803 ,	3852 ,	3897 ,
	3938 ,	3974 ,	4006 ,	4033 ,	4055 ,	4072 ,	4084 ,	4092 ,
	4094 ,	4092 ,	4084 ,	4072 ,	4055 ,	4033 ,	4006 ,	3974 ,
	3938 ,	3897 ,	3852 ,	3803 ,	3749 ,	3691 ,	3629 ,	3564 ,
	3494 ,	3422 ,	3346 ,	3266 ,	3184 ,	3099 ,	3012 ,	2922 ,
	2830 ,	2737 ,	2641 ,	2544 ,	2446 ,	2347 ,	2248 ,	2147 ,
	2047 ,	1947 ,	1846 ,	1747 ,	1648 ,	1550 ,	1453 ,	1357 ,
	1264 ,	1172 ,	1082 ,	995  ,	910  ,	828  ,	748  ,	672  ,
	600  ,	530  ,	465  ,	403  ,	345  ,	291  ,	242  ,	197  ,
	156  ,	120  ,	88   ,	61   ,	39   ,	22   ,	10   ,	2    ,
	0    ,	2    ,	10   ,	22   ,	39   ,	61   ,	88   ,	120  ,
	156  ,	197  ,	242  ,	291  ,	345  ,	403  ,  465  ,	530  ,
	600  ,	672  ,	748  ,	828  ,	910  ,	995  ,	1082 ,	1172 ,
	1264 ,	1357 ,	1453 ,	1550 ,	1648 ,	1747 ,	1846 ,	1947
};

4. 方波输出配置：

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: dac1_SetRectWave
*	功能说明: DAC1输出方波
*	形    参: _low  : 低电平时DAC, 
*			  _high : 高电平时DAC
*			  _freq : 频率 Hz
*			  _duty : 占空比 2% - 98%, 调节步数 1%
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void dac1_SetRectWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)
{	
	uint16_t i;
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
	
	for (i = 0; i < (_duty * 128) / 100; i++)
	{
		g_Wave1[i] = _high;
	}
	for (; i < 128; i++)
	{
		g_Wave1[i] = _low;
	}
	
	dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
}

方波也是输出128个采样点代表一个周期，同时支持幅值和占空比的配置，其中占空比可以配置2%到98%，直接填数值2到98就可以了。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095，占空比50%的方波，那么配置就是：dac1_SetRectWave(0, 4095, 10000, 50)。

5. 三角波输出配置：

/*
*********************************************************************************************************
*	函 数 名: dac1_SetTriWave
*	功能说明: DAC1输出三角波
*	形    参: _low : 低电平时DAC, 
*			  _high : 高电平时DAC
*			  _freq : 频率 Hz
*			  _duty : 占空比
*	返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void dac1_SetTriWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)
{	
	uint32_t i;
	uint16_t dac;
	uint16_t m;
	
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
		
	/* 构造三角波数组，128个样本，从 _low 到 _high */		
	m = (_duty * 128) / 100;
	
	if (m == 0)
	{
		m = 1;
	}
	
	if (m > 127)
	{
		m = 127;
	}
	for (i = 0; i < m; i++)
	{
		dac = _low + ((_high - _low) * i) / m;
		g_Wave1[i] = dac;
	}
	for (; i < 128; i++)
	{
		dac = _high - ((_high - _low) * (i - m)) / (128 - m);
		g_Wave1[i] = dac;
	}	
	
	dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
}

三角波也是输出128个采样点代表一个周期，同时支持幅值和占空比的配置，其中占空比可以配置0%到100%，不过程序中对0%和100%做了一个特殊处理。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095，占空比50%的三角波，那么配置就是：dac1_SetTriWave (0, 4095, 10000, 50)。

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