本帖最后由 正点原子 于 2013-3-13 21:16 编辑
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|=1<<2; //TIM4时钟使能 RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB时钟 GPIOB->CRL&=0X00FFFFFF; //PB6输出 GPIOB->CRL|=0X4B000000; //复用功能输出 TIM4->ARR=arr; //设定计数器自动重装值 TIM4->PSC=psc; //预分频器分频设置 TIM4->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式 TIM4->CCMR1|=1<<3; //CH1 预装载使能 TIM4->CCER|=1<<1; //OC1 低电平有效 TIM4->CCER|=1<<0; //OC1输出使能 TIM4->CR1=0x0080; //ARPE使能 TIM4->CR1|=0x01; //使能定时器3 } 该函数用来初始化TIM4_CH1的PWM输出（PB6），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。 同时在timer.h里面，修改代码如下： #ifndef __TIMER_H #define __TIMER_H #include "sys.h" //通过改变TIM3->CCR2的值来改变占空比，从而控制LED0的亮度 #define LED0_PWM_VAL TIM3->CCR2 //TIM4 CH1作为PWM DAC的输出通道 #define PWM_DAC_VAL TIM4->CCR1 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,"PWM 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,"PWM 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(pwmval<250)pwmval+=10; PWM_DAC_VAL=pwmval; //输出 }else if(key==2) { if(pwmval>10)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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