第二十七章 PWM DAC实验

[mw_shl_code=c,true]1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0 [/mw_shl_code]
      
上一章，我们介绍了STM32F4自带DAC模块的使用，但有时候，可能两个DAC不够用，此时，我们可以通过PWM+RC滤波来实一个PWM DAC。本章我们将向大家介绍如何使用STM32F4的PWM来设计一个DAC。我们将使用按键（或USMART）控制STM32F4的PWM输出，从而控制PWM DAC的输出电压，通过ADC1的通道5采集PWM DAC的输出电压，并在LCD模块上面显示ADC获取到的电压值以及PWM DAC的设定输出电压值等信息。本章将分为如下几个部分： 27.1 PWM DAC简介 27.2 硬件设计 27.3 软件设计 27.4 下载验证  

27.1 PWM DAC简介

有时候，STM32F4自带的2路DAC可能不够用，需要多路DAC，外扩DAC成本又会高不少。此时，我们可以利用STM32F4的PWM+简单的RC滤波来实现DAC输出，从而节省成本。 在精度要求不是很高的时候，PWM+RC滤波的DAC输出方式，是一种非常廉价的解决方案。 PWM本质上其实就是是一种周期一定，而高低电平占空比可调的方波。实际电路的典型PWM波形，如图27.1.1所示：
图27.1.1 实际电路典型PWM波形        图27.1.1的PWM波形可以用分段函数表示为式①：

       其中：T是单片机中计数脉冲的基本周期，也就是STM32F4定时器的计数频率的倒数。N是PWM波一个周期的计数脉冲个数，也就是STM32F4的ARR-1的值。n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数，也就是STM32F4的CCRx的值。VH和VL分别是PWM波的高低电平电压值，k为谐波次数，t为时间。我们将①式展开成傅里叶级数，得到公式②： 从②式可以看出，式中第1个方括弧为直流分量，第2项为1次谐波分量，第3项为大于1次的高次谐波分量。式②中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0到N，直流分量从VL到VL+VH之间变化。这正是电压输出的DAC所需要的。因此，如果能把式②中除直流分量外的谐波过滤掉，则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换，即：PWM波可以通过一个低通滤波器进行解调。式②中的第2项的幅度和相角与n有关，频率为1/（NT），其实就是PWM的输出频率。该频率是设计低通滤波器的依据。如果能把1次谐波很好过滤 掉，则高次谐波就应该基本不存在了。        通过上面的了解，我们可以得到PWM DAC的分辨率，计算公式如下： 分辨率=log2（N）        这里假设n的最小变化为1，当N=256的时候，分辨率就是8位。而STM32F4的定时器大部分都是16位的（TIM2和TIM5是32位），可以很容易得到更高的分辨率，分辨率越高，速度就越慢。不过我们在本章要设计的DAC分辨率为8位。        在8位分辨条件下，我们一般要求1次谐波对输出电压的影响不要超过1个位的精度，也就是3.3/256=0.01289V。假设VH为3.3V，VL为0V，那么一次谐波的最大值是2*3.3/π=2.1V，这就要求我们的RC滤波电路提供至少-20lg(2.1/0.01289)=-44dB的衰减。        STM32F4的定时器最快的计数频率是168Mhz，某些定时器只能到84M，所以我们以84M频率为例介绍，8为分辨率的时候，PWM频率为84M/256=328.125Khz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率2.07Khz，如果为2阶RC滤波，则要求截止频率为26.14Khz。 探索者STM32F4开发板的PWM DAC输出采用二阶RC滤波，该部分原理图如图27.1.2所示： 图27.1.2 PWM DAC二阶RC滤波原理图        二阶RC滤波截止频率计算公式为： f=1/2πRC        以上公式要求R28*C37=R29*C38=RC。根据这个公式，我们计算出图27.1.2的截止频率为：33.8Khz超过了26.14Khz，这个和我们前面提到的要求有点出入，原因是该电路我们还需要用作PWM DAC音频输出，而音频信号带宽是22.05Khz，为了让音频信号能够通过该低通滤波，同时为了标准化参数选取，所以确定了这样的参数。实测精度在0.5LSB左右。        PWM DAC的原理部分，就为大家介绍到这里。  

27.2 硬件设计

本章用到的硬件资源有： 1）  指示灯DS0 2）  KEY_UP和KEY1按键 3）  串口 4）  TFTLCD模块 5）  ADC 6）  PWM DAC 本章，我们使用STM32F4的TIM9_CH2(PA3)输出PWM，经过二阶RC滤波后，转换为直流输出，实现PWM DAC。同上一章一样，我们通过ADC1的通道5（PA5）读取PWM DAC的输出，并在LCD模块上显示相关数值，通过按键和USMART控制PWM DAC的输出值。我们需要用到ADC采集DAC的输出电压，所以需要在硬件上将PWM DAC和ADC短接起来，PWM DAC部分原理图如图27.2.1所示： 图27.2.1 PWM DAC原理图        从上图可知PWM_DAC的连接关系，但是这里有个特别需要注意的地方：因为PWM_DAC和USART2_RX共用了PA3引脚，所以在做本例程的时候，必须拔了P9上面PA3(RX)的跳线帽（左侧跳线帽），否则会影响PWM转换结果！！！        在硬件上，我们还需要用跳线帽短接多功能端口的PDC和ADC，如图27.2.2所示： 图27.2.2 硬件连接示意图

27.3 软件设计

打开本章的实验工程可以看到，我们本章并没有增加其他新的库函数文件支持。主要是使用了adc和定时器相关的库函数支持。因为我们是使用定时器产生PWM信号作为PWM DAC的输入信号经过二阶RC滤波从而产生一定幅度模拟信号，所以我们需要添加定时器相关的库函数支持。在HARDWARE分组下，我们新建了pwmdac.c源文件和对应的头文件用来初始化定时器9的PWM。接下来我们看看pwmdac.c源文件内容： void TIM9_CH2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) {                   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;        TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;        TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;               RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM9,ENABLE);  //TIM9时钟使能           RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PA时钟        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; //GPIOA3        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;      //速度100MHz        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出        GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉        GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA3          GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_TIM9);  //PA3复用位定时器9 AF3        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;  //定时器分频        TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;   //自动重装载值        TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;        TIM_TimeBaseInit(TIM9,&TIM_TimeBaseStructure);//初始化定时器9          //初始化TIM14 Channel1 PWM模式         TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;       TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能        TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性高        TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0;        TIM_OC2Init(TIM9, &TIM_OCInitStructure);  //初始化外设TIM9 OC2          TIM_OC2PreloadConfig(TIM9, TIM_OCPreload_Enable); //使能预装载寄存器     TIM_ARRPreloadConfig(TIM9,ENABLE);//ARPE使能        TIM_Cmd(TIM9, ENABLE);  //使能TIM9 } 该函数用来初始化TIM9_CH2的PWM输出（PA3），其原理同之前介绍的PWM输出一模一样，只是换过一个定时器而已。这里就不细说了。 pwmdac.h头文件内容主要是函数申明，这里不做过多讲解。 接下来我们看看主函数内容： int main(void) {        u16 adcx, pwmval=0;        float temp;  u8 t=0,key;            NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2        delay_init(168);   //初始化延时函数        uart_init(115200);  //初始化串口波特率为115200        LED_Init();                                //初始化LED       LCD_Init();                                //LCD初始化        Adc_Init();                         //adc初始化        KEY_Init();                        //按键初始化        TIM9_CH2_PWM_Init(255,0);//TIM4 PWM初始化, Fpwm=168M/256=656.25Khz.        POINT_COLOR=RED;        LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");              LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"PWM DAC TEST");         LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");        LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/5/6");              LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"WK_UP:+  KEY1:-");           POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝 {MOD}                    LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"DAC VAL:");                 LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"DAC VOL:0.000V");                    LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"ADC VOL:0.000V");     TIM_SetCompare2(TIM9,pwmval);     //初始值                          while(1)        {               t++;               key=KEY_Scan(0);                                     if(key==4)               {                                 if(pwmval<250)pwmval+=10;                      TIM_SetCompare2(TIM9,pwmval);     //输出                   }else if(key==2)                   {                      if(pwmval>10)pwmval-=10;                      else pwmval=0;                      TIM_SetCompare2(TIM9,pwmval);     //输出               }                   if(t==10||key==2||key==4)           //WKUP/KEY1按下了,或者定时时间到了               {                           adcx=TIM_GetCapture2(TIM9);;                      LCD_ShowxNum(94,150,adcx,3,16,0);          //显示DAC寄存器值                      temp=(float)adcx*(3.3/256);;               //得到DAC电压值                      adcx=temp;                     LCD_ShowxNum(94,170,temp,1,16,0);          //显示电压值整数部分                     temp-=adcx;  temp*=1000;                      LCD_ShowxNum(110,170,temp,3,16,0x80);      //显示电压值的小数部分                     adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_5,20);   //得到ADC转换值                              temp=(float)adcx*(3.3/4096);                     //得到ADC电压值                      adcx=temp;                     LCD_ShowxNum(94,190,temp,1,16,0);          //显示电压值整数部分                     temp-=adcx;  temp*=1000;                      LCD_ShowxNum(110,190,temp,3,16,0x80);      //显示电压值的小数部分                      t=0; LED0=!LED0;                        }                       delay_ms(10);        } } 此部分代码，同上一章的基本一样，先对需要用到的模块进行初始化，然后显示一些提示信息，本章我们通过KEY_UP和KEY1（也就是上下键）来实现对PWM脉宽的控制，经过RC滤波，最终实现对DAC输出幅值的控制。按下KEY_UP增加，按KEY1减小。同时在LCD上面显示TIM4_CCR1寄存器的值、PWM DAC设计输出电压以及ADC采集到的实际输出电压。同时DS0闪烁，提示程序运行状况。

27.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示如图27.4.1所示： 图27.4.1 PWM DAC实验测试图 同时伴随DS0的不停闪烁，提示程序在运行。此时，我们通过按KEY_UP按键，可以看到输出电压增大，按KEY1则变小。特别提醒：此时PA3不能接其他任何外设，如果没有拔了P9排针上面PA3的跳线帽，那么PWM DAC将有很大误差！

 实验详细手册和源码下载地址：http://www.openedv.com/posts/list/41586.htm  正点原子探索者STM32F407开发板购买地址：http://item.taobao.com/item.htm?id=41855882779