【连载】【ALIENTEK 战舰STM32开发板】STM32开发指南--第二十五章 PWM DAC实验

正点原子-90136 · 发表于 2013-3-13 21:26:43

第二十五章 PWM DAC实验

上一章，我们介绍了STM32自带DAC模块的使用，但不是每个STM32都有DAC模块的，对于那些没有DAC模块的芯片，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STM32的PWM来设计一个DAC。我们将使用按键（或USMART）控制STM32的PWM输出，从而控制PWM DAC的输出电压，通过ADC1的通道1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：
25.1 PWM DAC简介
25.2 硬件设计
25.3 软件设计
25.4 下载验证

25.1 PWM DAC简介
虽然大容量的STM32F103具有内部DAC，但是更多的型号是没有DAC的，不过STM32所有的芯片都有PWM输出，因此，我们可以用PWM+简单的RC滤波来实现DAC输出，从而节省成本。
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25.1.1所示：

图25.1.1 实际电路典型PWM波形

图25.1.1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STM32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STM32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STM32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STM32的定时器都是16位的，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。
       STM32的定时器最快的计数频率是72Mhz，8为分辨率的时候，PWM频率为72M/256=281.25Khz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率为1.77Khz，如果为2阶RC滤波，则要求截止频率为22.34Khz。
战舰STM32开发板的PWM DAC输出采用二阶RC滤波，该部分原理图如图25.1.2所示：

图25.1.2 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25.1.2的截止频率为：33.8Khz超过了22.34Khz，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以内。
       PWM DAC的原理部分，就为大家介绍到这里。

25.2硬件设计
本章用到的硬件资源有：
1）  指示灯DS0
2）  WK_UP和KEY1按键
3）  串口
4）  TFTLCD模块
5）  ADC
6）  PWM DAC
本章，我们使用STM32的TIM4_CH1(PB6)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1（PA1）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25.2.1所示：

图25.2.1 PWM DAC原理图

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25.2.2所示：

图25.2.2 硬件连接示意图

25.3 软件设计
找到上一章的工程，然后打开USER文件夹下的工程，打开之前的timer.c文件，在最后添加一个新的函数：TIM4_PWM_Init，该函数代码如下：
//TIM4 CH1 PWM输出设置
//PWM输出初始化
//arr：自动重装值
//psc：时钟预分频数
void TIM4_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
       RCC->APB1ENR|=1ARR=arr;                        //设定计数器自动重装值
       TIM4-&gt

SC=psc;                        //预分频器分频设置
       TIM4->CCMR1|=7CCR1
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc);
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc);
void TIM4_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif
该部分代码在原有基础上添加了TIM4_PWM_Init函数的声明，并添加PWM_DAC_VAL宏定义，用于改变TIM4_CH1的PWM占空比，从而控制PWM DAC的输出。
接下来我们在test.c里面，修改代码如下：
//设置输出电压
//vol:0~330,代表0~3.3V
void PWM_DAC_Set(u16 vol)
{
       float temp=vol;
       temp/=100;
       temp=temp*256/3.3;
       PWM_DAC_VAL=temp;
}
int main(void)
{
       u16 adcx; u8 key;
       float temp; u8 t=0; u16 pwmval=0;
      Stm32_Clock_Init(9);    //系统时钟设置
       uart_init(72,9600);      //串口初始化为9600
       delay_init(72);                  //延时初始化
       LED_Init();                //初始化与LED连接的硬件接口
       LCD_Init();                  //初始化LCD
       usmart_dev.init(72);      //初始化USMART
       KEY_Init();                  //按键初始化
      Adc_Init();                  //ADC初始化
       TIM4_PWM_Init(255,0);//TIM4 PWM初始化, Fpwm=72M/256=281.25Khz.
      POINT_COLOR=RED;         //设置字体为红色
       LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"WarShip STM32");
       LCD_ShowString(60,70,200,16,16,&quot

WM DAC TEST");
       LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
       LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2012/9/8");
       LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"WK_UP:+ KEY1:-");
       //显示提示信息
       POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
       LCD_ShowString(60,150,200,16,16,&quot

WM VAL:");
       LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"DAC VOL:0.000V");
       LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"ADC VOL:0.000V");
       PWM_DAC_VAL=pwmval;//初始值为0
       while(1)
       {
              t++;
              key=KEY_Scan(0);
              if(key==4)
              {
                     if(pwmval10)pwmval-=10;
                     else pwmval=0;
                     PWM_DAC_VAL=pwmval;        //输出
              }
              if(t==10||key==2||key==4)          //WK_UP/KEY1按下了,或者定时时间到了
              {
                    adcx=PWM_DAC_VAL;
                     LCD_ShowxNum(124,150,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(124,170,temp,1,16,0);        //显示电压值整数部分
                    temp-=adcx; temp*=1000;
                     LCD_ShowxNum(140,170,temp,3,16,0x80);     //显示电压值的小数部分
                    adcx=Get_Adc_Average(ADC_CH1,20);           //得到ADC转换值
                     temp=(float)adcx*(3.3/4096);                                   //得到ADC电压值
                     adcx=temp;
                    LCD_ShowxNum(124,190,temp,1,16,0);        //显示电压值整数部分
                    temp-=adcx; temp*=1000;
                     LCD_ShowxNum(140,190,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WK_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WK_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。
不过此部分代码还有一个PWM_DAC_Set函数，用于USMART调用，从而通过串口控制PWM DAC的输出，所以还需要将PWM_DAC_Set函数加入USMART控制，方法前面已经有详细的介绍了，大家这里自行添加，或者直接查看我们光盘的源码。
25.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32开发板上，可以看到LCD显示如图25.4.1所示：

图25.4.1 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WK_UP按键，可以看到输出电压增大，按KEY1则变小。
大家可以试试在USMART调用PWM_DAC_Set函数，来设置PWM DAC的输出电压，如图25.4.2所示：

图25.4.2 通过usmart设置PWM DAC的电压输出

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