STM32学习和实践笔记（36）：DAC数模转换实验

news2024/10/6 10:26:41

1.STM32F1 DAC简介

  DAC（Digital to analog converter）即数字模拟转换器，它可以将数字信号转换为模拟信号。它的功能与ADC相反。在常见的数字信号系统中，大部分传感器信号被转化成电压信号，而 ADC 把电压模拟信号转换成易于计算机存储、处理的数字编码，由计算机处理完成后，再由 DAC 输出电压模拟信号，该电压模拟信号常常用来驱动某些执行器件，使人类易于感知。如音频信号的采集及还原就是这样一个过程。 

STM32F1 DAC模块是 12 位电压输出数模转换器，它可以配置为 8 位或 12 位模式，也可以与DMA 控制器配合使用。DAC工作在 12 位模式下，数据可以采用左对齐或右对齐。DAC工作在8位模式下，数据只有右对齐方式。

DAC 有两个输出通道，每个通道各有一个转换器。在 DAC 双通道模式下，每个通道可以单独进行转换；当两个通道组合在一起同步执行更新操作时，也可以同时进行转换。DAC可通过一个输入参考电压引脚 VREF+ （与ADC 共享）来提高转换后的数据精度。         

STM32F1 DAC主要特性：

● 2个DAC转换器：每个转换器对应1个输出通道

● 8位或者12位单调输出

● 12位模式下数据左对齐或者右对齐

● 同步更新功能

● 噪声波形生成

● 三角波形生成

● 双DAC通道同时或者分别转换

● 每个通道都有DMA功能

● 外部触发转换

● 输入参考电压VREF+       

1.2 STM32F1 DAC结构框图

  STM32F1 DAC拥有这么多功能，是由DAC内部结构决定。要更好的理解STM32F1的DAC，就需要了解它内部的结构。如图所示：（大家也可以查看《STM32F10x中文参考手册》-12数模转换器（DAC）-12.3章节内容）。    

  

（1）标号1：电源和参考电压引脚

  同ADC一样，VDDA与VSSA是DAC模块的供电引脚，而VREF+是DAC模块的参考电压，开发板上已经将VREF+连接到VDDA，所以参考电压范围是0-3.3V。

（2）标号2：DAC转换

  DAC 输出是受 DORx 寄存器直接控制的，但是我们不能直接往DORx 寄存器写入数据，而是通过 DHRx 间接的传给 DORx 寄存器，实现对 DAC 输出的控制。

如果未选择硬件触发，也就是软件触发时（ DAC_CR 寄存器中的 TENx 位复位），那么经过一个 APB1 时钟周期后，DAC_DHRx 寄存器中存储的数据将自动转移到 DAC_DORx 寄存器。

如果选择硬件触发（置位DAC_CR 寄存器中的 TENx 位）且触发条件到来，将在三个 APB1 时钟周期后进行转移。

当 DAC_DORx 加载了 DAC_DHRx 内容时，模拟输出电压将在一段时间 tSETTLING 后可用，具体时间取决于电源电压和模拟输出负载。我们可以从STM32F103ZET6 的数据手册查到的典型值为 3us，最大是 4us。所以 DAC 的转换速度最快是 250K 左右。

软件触发，即不使用硬件触发时（TENx=0），其转换时序图如图

  DHRx内装载着我们要输出的数据，前面我们提到，STM32F1 的 DAC 支持 8/12 位模式，8 位模式的时候数据是固定的右对齐的，而 12 位模式数据可以设置左对齐/右对齐。对于DAC单通道 x，总共有 3 种情况：

① 8 位右对齐：用户必须将数据加载到 DAC_DHR8Rx [7:0] 位（存储到DHRx[11:4] 位）。

② 12 位左对齐：用户必须将数据加载到 DAC_DHR12Lx [15:4] 位（存储到DHRx[11:0] 位）。

③ 12 位右对齐：用户必须将数据加载到 DAC_DHR12Rx [11:0] 位（存储到DHRx[11:0] 位）。

  每个 DAC 通道都具有 DMA 功能。两个 DMA 通道用于处理 DAC 通道的 DMA 请求。当 DMAENx 位置 1 时，如果发生外部触发（而不是软件触发），则将产生 DAC DMA 请求。 DAC_DHRx 寄存器的值随后转移到 DAC_DORx 寄存器。在双通道模式下，如果两个 DMAENx 位均置 1，则将产生两个 DMA 请求。如果只需要一个DMA 请求，应仅将相应 DMAENx 位置 1。这样，应用程序可以在双通道模式下通过一个DMA 请求和一个特定 DMA 通道来管理两个 DAC 通道。由于DAC DMA 请求没有缓冲队列。这样，如果第二个外部触发到达时尚未收到第一个外部触发的确认，将不会发出新的请求，并且 DAC_SR 寄存器中的 DAM 通道下溢标志 DMAUDRx将置 1，以报告这一错误状况。 DMA 数据传输随即禁止，并且不再处理其他 DMA 请求。DAC 通道仍将继续转换旧有数据。这时软件应通过写入“ 1”来将 DMAUDRx 标志清零，将所用 DMA 数据流的 DMAEN 位清零，并重新初始化 DMA 和 DAC 通道，以便正确地重新开始 DMA 传输。软件应修改 DAC 触发 转换频率或减轻 DMA 工作负载，以避免再次发生 DMA 下溢。最后，可通过使能 DMA 数据 传输和转换触发来继续完成 DAC 转换。对于各 DAC 通道，如果使能 DAC_CR 寄存器中相应的 DMAUDRIEx位，还将产生中断。

（3）标号3：DAC触发选择

  如果 TENx 控制位置 1，可通过外部事件（定时计数器、外部中断线）触发转换。TSELx[2:0]控制位将决定通过 8 个可能事件中的哪一个来触发转换，外部触发源如下图

 如果选择软件触发，一旦 SWTRIG 位置 1， 转换即会开始。DAC_DHRx 寄存器的内容只需一个 APB1 时钟周期即可转移到DAC_DORx 寄存器，加载完成后，SWTRIG 即由硬件复位。

（4）标号4：DAC输出

  DAC_OUTx 就是 DAC 的输出通道，DAC1_OUT对应 PA4引脚，DAC2_OUT对应 PA5引脚。

要让DAC通道正常输出，需将 DAC_CR 寄存器中的相应 ENx 位置 1，这样就可接通对应 DAC 通道。经过一段启动时间tWAKEUP 后，DAC 通道被真正使能。使能 DAC 通道 x 后，相应 GPIO 引脚（ PA4 或 PA5）将自动连接到模拟转换器输出(DAC_OUTx)。为了避免寄生电流消耗，应首先将 PA4 或 PA5 引脚配置为模拟输入模式 (AIN)。

当 DAC 的参考电压为 Vref+的时候，DAC 的输出电压是线性的从 0~Vref+， 12 位模式下 DAC 输出电压与 Vref+以及 DORx 的计算公式

如下：

其中，DOR是送过来的要转换的二进制数据，4096是2的12次方也就是12位寄存器全部为1时的值。

2.STM32F1 DAC配置步骤

  接下来我们介绍下如何使用库函数对DAC进行配置。这个也是在编写程序中必须要了解的。具体步骤如下：（DAC相关库函数在stm32f10x_dac.c和stm32f10x_dac.h文件中）

（1）使能端口及DAC时钟，设置引脚为模拟输入

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;//模拟输入

（2）初始化DAC，设置DAC工作模式

void DAC_Init(uint32_t DAC_Channel, DAC_InitTypeDef* DAC_InitStruct);

typedef struct

{

  uint32_t DAC_Trigger;                      //DAC触发选择

  uint32_t DAC_WaveGeneration;               //DAC波形发生

  uint32_t DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude; //屏蔽/幅值选择器

  uint32_t DAC_OutputBuffer;                 //DAC输出缓存

}DAC_InitTypeDef;

以下对这个结构成体员的详细描述：

  DAC_Trigger：设置是否使用触发功能以及选定触发源。前面介绍框图时已经说了DAC具有多个触发源，有定时器触发，外部中断线9触发，软件触发和不使用触发，如下所示：    

   

  DAC_WaveGeneration：设置是否使用波形发生，有以下四个选项：

  DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude：设置屏蔽/幅值选择器。这个变量只在使用波形发生器的时候才有用，通常我们设置为 0 即可，值为DAC_LFSRUnmask_Bit0。 

   DAC_OutputBuffer：设置输出缓存控制位。通常我们不使用输出缓存功能，所以配置参数为DAC_OutputBuffer_Disable。y为什么通常不使用这个功能？因为使用这个功能虽然可以提高驱动能力，但是使用了它之后，DAC的输出不能为0！这会引起功能性的问题，所以不使用它。如果要提高驱动能力，可以DAC输出后加外围驱动电路。

DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;

DAC_InitStructure.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;  //不使用触发功能 TEN1=0

DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;//不使用波形发生

DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0;//屏蔽、幅值设置

DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;  //DAC1输出缓存关闭 BOFF1=1

DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitStructure);  //初始化DAC通道1

（3）使能DAC的输出通道

void DAC_Cmd(uint32_t DAC_Channel, FunctionalState NewState);

DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);  //使能DAC通道1

（4）设置DAC的输出值

  通过前面 4 个步骤的设置， DAC 就可以开始工作了，如果我们使用12 位右对齐数据格式，我们通过设置 DHR12R1，就可以在 DAC 输出引脚（PA4）得到不同的电压值了。设置DHR12R1 的库函数是：

  DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0);  //12位右对齐数据格式设置DAC值。

库函数中，还提供一个读取 DAC 对应通道最后一次转换的数值，函数是：uint16_t DAC_GetDataOutputValue(uint32_t DAC_Channel);

3.硬件电路

  本实验使用到硬件资源如下：

（1）D1指示灯

（2）K_UP和K_DOWN按键

（3）串口1

（4）DAC的通道1

DAC的通道1它属于STM32F1芯片内部的资源，对应芯片的PA4引脚。DAC模块电路如图

PA4输出到PWM0，PA5输出到PWM1.

U16的供电DA_VCC是5V供电（需要注意连好），用来放大DAC的驱动能力。

  D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP按键用来增加DAC输入值，K_DOWN按键用来减小DAC输入值，输入值的改变将控制DAC1_OUT电压输出。通过串口1将DAC1_OUT输出的电压值打印出来。         

4.编写DAC控制程序

  本实验所要实现的功能是：通过K_UP与K_DOWN按键控制STM32F1 DAC1输出电压，通过串口将DAC1输出的电压值打印显示，D1指示灯闪烁提示系统运行。程序框架如下：

（1）初始化DAC通道1相关参数

（2）编写主函数

main.c

#include "system.h"
#include "led.h"
#include "SysTick.h"
#include "usart.h"
#include "dac.h"
#include "key.h"




int main()
{
	u8 i=0;
	u8 key=0;
	int Dac_Val=0;
	u16 Dac_OutputValue=0;
	float voltage;


	SysTick_Init(72);
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//中断优先级分组
	LED_Init();
	USART1_Init(9600);
	key_Init();
	DAC1_Init();


		while(1)
	{
		key = KEY_Scan(0);
		
		if(key == KEY_UP)
		{
			Dac_Val+=400;//400这个值表示每次按下按键，DAC里的D增加多少，在这里可以任意自定，值越大变化越明显
			if(Dac_Val>=4000) Dac_Val = 4095;		//12位的D最大值为4096
			DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, Dac_Val);
		}
		else if(key == KEY_DOWN)
		{
			Dac_Val-=400;//
			if(Dac_Val<=0)	Dac_Val = 0;	//
			DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, Dac_Val);
		}		
		
		i++;
		if(i%20 ==0)
			{
				led1=!led1;//LED1闪，用来指示主程序循环是否运行
			}
			
		if(i%50==0)
			{
					Dac_OutputValue=DAC_GetDataOutputValue(DAC_Channel_1);
					voltage=(float)Dac_OutputValue*(3.3/4096);//转换成电压显示
					printf("DAC输出电压值为:%.2fV\r\n",voltage);				
			}
		delay_ms(10);
		
	}
		
}

dac.c

#include "dac.h"
#include "SysTick.h"

void DAC1_Init()
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
	DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//使能DAC输入引脚（PA4,PA5)的时钟

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);//使能DAC时钟

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4; //配置GPIO，PA4
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;//先配置PA4的模式为模拟输入以减少没有输出时的寄生电流
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;	//
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	DAC_InitStructure.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;//不使用外部触发功能 TEN1=0
	DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;//不使用波形发生
	DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0;//屏蔽、幅值设置
	DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;//DAC1输出缓存关闭 BOFF1=1
	DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitStructure);//初始化DAC通道1
	
	DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0);//12位右对齐数据格式，设置DAC初始值为0
	DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE); //使能DAC通道1
	
}

    程序烧写到开发上板，最开始显示是输出电压值为0V，之后按动上键和下键，输出电压值对应发生如下变化，这说明程序运行正常，实验是成功的。                           

                             

                  

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