本帖最后由 正点原子运营 于 2023-8-11 16:20 编辑
第三十五章 PWM DAC实验
1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板
2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1
6）STM32技术交流QQ群:151941872
前面的章节，我们介绍了STM32F407自带DAC模块的使用，虽然STM32F407ZGT6具有内部DAC，但是也仅仅只有两条DAC通道，而STM32还有其他的很多型号是没有DAC的。通常情况下，采用专用的D/A芯片来实现，但是这样就会带来成本的增加。不过STM32所有的芯片都有PWM输出，并且PWM输出通道很多，资源丰富。因此，我们可以使用PWM+简单的RC滤波来实现DAC的输出从而节省成本。 本章我们将向大家介绍如何使用STM32F407的PWM来设计一个DAC。我们将使用按键（或USMART）控制STM32F407的PWM输出，从而控制PWMDAC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分为如下几个小节： 35.1 PWM DAC技术的实现原理 35.2 硬件设计 35.3 程序设计 35.4 下载验证
35.1 PWM DAC技术的实现原理从前面的学习我们知道DAC是根据我们的源电压，按指定的8位、12位、16位等精度对源电压进行分割，其输出按最小精度LSB（即1/28、1/212、1/216等）的倍数输出，即得到我们需要的DAC电压。最后，我们得到的DAC的电压为直流有效信号。
我们来分析一下PWM波形的特性。从电做功的角度，可以把一个PWM波等效成一个“总有效值为0”的交流波形和一个直流的电信号的叠加，直流部分的特性可根据占空比的改变而改变，这符合DAC的特性，如图35.1.1.1所示。 上面的等效原理我们从图形上就很容易等效出来，下面我们简单介绍一下这个现象的数学原理，我们知道对于一个典型的PWM波型，它的输出波形和时间的关系如图35.1.1.2所示。 对于上面的PWM波形，下面根据高数与信号与系统课程的知识我们作一个简单的推导，感兴趣的同学可以查阅对应的知识，如果不感兴趣，直接跳过推导过程看最后的结论即可。
我们可以把PWM波形用分段函数①表示出来。占空比可以用②的表达式来表示。 PWM是一个周期信号，我们令周期为NT，由傅里叶变换的知识可知任意周期信号都可按频域展开，我们把分段表达式按频域展开。得到如③的表达式,④⑤⑥为展开系数： 我们知道PWM的幅度为VH-VL，占空比为p，代入公式③~⑥求对应的积分，可以求出f(t)的展开系数分别如下： 根据展开得到的频率参数，由此可得出PWM信号及其占空比在时域上的表达式。 公式⑩正好验证了图35.1.1.1的PWM等效原理。由此我们可知PWM的输出波形为一个与占空比有关的直流等效信号，同时伴有多个不同频率的信号的叠加。如果能把这些频率信号尽可能过滤掉，那么我们通过调整PWM的占空比即可方便实现我们需要的DAC结果，即VDAC=(VH-VL)*p。
分辨率也是DAC一个重要的参数，它可以表示DAC输出的最小精度。存在两个主要误差源影响PWM方式DAC分辨率。首先，PWM信号的占空比只能表示有限的分辨率。这是因为STM32的PWM的占空比是输出比较寄存器CCRx与TIMx_CNT进行比较的结果，而CCRx在STM32F4系列中大部分是16位的（TIM2和TIM5是32位的）。那么很显然地，用PWM实现的DAC分辨率就与TIMx_CNT有关，即定时器的时钟频率越高则CCRx可以设置的值越多，分辨率相应地越高。定时器最高时钟是168Mhz，而某些定时器只能到84Mhz，定时器的频率越高，DAC的速度越慢。
第二个误差源是PWM信号中不期望的谐波分量产生的峰峰值。前面PWM的频域展开公式⑩说明PWM信号需要通过滤波器才能输出一个纹波较小的直流信号，但实际上对于简单设计的滤波器对交流信号的过滤能力是有限的，所以输出信号还会带有一定的交流成份。 根据公式⑧，将k=1代入我们可以算出PWM的一次谐波幅度： 当sin(πp-π)=1时滤波器需要达到衰减峰值，可知PWM占空比为50%时，一次谐波的幅度最大。为了减少这个基波的影响，我们希望滤波器在这个最大幅度下也能把基波的交流影响衰减到1/2LSB以下，即后外围滤波器至少需要满足以下条件才能避免DAC输出干扰过大： 根据公式1112可知
，当DAC为12位精度时，代入Y=12可知我们设计的滤波器需要衰减74dB以上，当为8位精度时，衰减需要达到50dB。 我们知道一阶RC电路截止频率计算公式为： 把电容等效成一个电阻，对于一阶分压时电压的等效衰减的表达式可以是： 根据以上公式就能很好地设计一个满足我们需要的滤波器参数了。为了实现低成本的RC电路，我们使用两个一阶RC电路串联起来作为滤波器。
我们以84Mhz的频率为例，8位分辨率的时候，PWM频率为84M/256=328125Hz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率为2.07Khz，如果是2阶RC滤波，则要求截止频率为26.14Khz。
35.2 硬件设计
1. 例程功能我们将设计一个8位的DAC，使用按键（或USMART）控制STM32F407的PWM输出（占空比），从而控制PWM DAC的输出电压。为了得知PWM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。
2. 硬件资源1）LED灯 LED0 – PF9 2）独立按键 KEY0 – PE4 KEY_UP – PA0 3）PWM输出通道 我们的例程中使用TIM9的通道2，对应IO是PA3 4）设计一个对PWM输出的DAC信号进行滤波的滤波电路 5）ADC ADC1 通道5 – PA5
3. 原理图根据前面分析的原理，在硬件设计上就比较简单了，PWM可以由STM32定时器输出，我们只需要在外围增加一个滤波电路即可。我们使用的是二阶RC滤波电路，所以电路设计如下： 根据我们的设计，输出8位DAC时，经过二阶滤波后DAC输出的交流信号大概的衰减可以达到50dB，可见我们设计是符合要求的。 我们把PWM的输出引到排针P11上，它在开发板上与ADC相邻。我们需要使用ADC功能，来测量我们的PWM输出的DAC值，所以用跳线把它们两个连接到一起即可。
35.3 程序设计前面学习了用PWM实现DAC的原理，下面我们将结合之前学习的知识，实战一下PWM DAC的实现。
35.3.1 程序流程图 35.3.2 程序解析1. PWMDAC驱动代码 这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。PWM DAC驱动源码包括两个文件：pwmdac.c和pwmdac.h。
为方便修改，我们在pwmdac.h中使用宏定义PWM的输出控制外设，它们列出如下： - /*
- *PWMDAC 默认是使用 PA3, 对应的定时器为 TIM9_CH2, 如果你要修改成其他IO输出, 则相应
- * 的定时器及通道也要进行修改. 请根据实际情况进行修改.
- */
- #define PWMDAC_GPIO_PORT GPIOA
- #define PWMDAC_GPIO_PIN GPIO_PIN_3
- /* PA口时钟使能 */
- #define PWMDAC_GPIO_CLK_ENABLE() do{__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)
- #define PWMDAC_GPIO_AFTIMX GPIO_AF3_TIM9
- #define PWMDAC_TIMX TIM9
- #define PWMDAC_TIMX_CHY TIM_CHANNEL_2 /* 通道Y, 1<= Y <= 4 */
- #define PWMDAC_TIMX_CCRX PWMDAC_TIMX->CCR2 /* 通道Y的输出比较寄存器 */
- /* TIM9 时钟使能 */
- #define PWMDAC_TIMX_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_TIM9_CLK_ENABLE(); }while(0)
我们使用pwmdac_init来进行定时器9及其PWM输出通道的设置的输出使能，下面我们具体来看一下该函数的实现： - /**
- * @brief PWM DAC初始化, 实际上就是初始化定时器
- * @note
- * 定时器的时钟来自APB1 / APB2, 当APB1 / APB2 分频时, 定时器频率自动翻倍
- * 所以, 一般情况下, 我们所有定时器的频率, 都是84Mhz 等于系统时钟频率
- * 定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc +1)) / Ft us.
- * Ft = 定时器工作频率, 单位: Mhz
- *
- * @param arr: 自动重装值
- * @param psc: 时钟预分频数
- * @retval 无
- */
- void pwmdac_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
- {
- g_tim9_handler.Instance = PWMDAC_TIMX; /* 定时器9 */
- g_tim9_handler.Init.Prescaler = psc; /* 定时器分频 */
- g_tim9_handler.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 向上计数模式 */
- g_tim9_handler.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
- HAL_TIM_PWM_Init(&g_tim9_handler); /* 初始化PWM */
- g_tim9_ch2handler.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; /* CH1/2 PWM模式1 */
- /* 设置比较值，此值用来确定占空比，默认比较值为自动重装载值的一半，即占空比为50% */
- g_tim9_ch2handler.Pulse = arr / 2;
- g_tim9_ch2handler.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; /* 输出比较极性为高 */
- HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_tim9_handler, &g_tim9_ch2handler,
- PWMDAC_TIMX_CHY); /* 配置TIM9通道2 */
- HAL_TIM_PWM_Start(&g_tim9_handler, PWMDAC_TIMX_CHY); /* 开启PWM通道2 */
- }
调用时HAL_TIM_PWM_Init会调用回调接口HAL_TIM_PWM_MspInit，同样地，我们把用到的DAC引脚的初始化在回调函数里完成，代码如下： - /**
- * @brief 定时器底层驱动，时钟使能，引脚配置
- * @note
- * 此函数会被HAL_TIM_PWM_Init()调用
- * @param htim:定时器句柄
- * @retval 无
- */
- voidHAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
- {
- GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
- if (htim->Instance == PWMDAC_TIMX)
- {
- PWMDAC_TIMX_CLK_ENABLE(); /* 使能定时器 */
- PWMDAC_GPIO_CLK_ENABLE(); /* PWM DAC GPIO 时钟使能 */
- gpio_init_struct.Pin = PWMDAC_GPIO_PIN;
- gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
- gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
- gpio_init_struct.Alternate = PWMDAC_GPIO_AFTIMX;
- /* TIMX PWM CHY 引脚模式设置 */
- HAL_GPIO_Init(PWMDAC_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
- }
- }
我们需要通过重设占空比来调整DAC的输出有效值，为了方便设置电压，需要把目标电压作为我们的形参，我们把参数放大100倍设成整型而不使用浮点数来加快运算。根据需要的比例来调整输出比较值来达到重设占空比的目的，所以设计函数如下： - /**
- * @brief 设置PWM DAC输出电压
- * @param vol : 0~3300,代表0~3.3V
- * @retval 无
- */
- void pwmdac_set_voltage(uint16_t vol)
- {
- float temp = vol;
- temp /= 100; /* 缩小100倍, 得到实际电压值 */
- temp = temp * 256 / 3.3; /* 将电压转换成PWM占空比 */
- __HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_tim9_handler, PWMDAC_TIMX_CHY, temp);/*设置新的占空比*/
- }
本部分用定时器输出PWM的知识可以参考我们定时器PWM关联的章节，我们需要关心的就是PWM的精度设计的部分的知识。
2. main.c代码 在main.c文件代码如下： - extern TIM_HandleTypeDefg_tim9_handler;
- int main(void)
- {
- uint16_t adcx;
- float temp;
- uint8_t t = 0;
- uint8_t key;
- uint16_t pwmval= 0;
- HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
- sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟, 168Mhz */
- delay_init(168); /* 延时初始化 */
- usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
- usmart_dev.init(84); /* 初始化USMART */
- led_init(); /* 初始化LED */
- lcd_init(); /* 初始化LCD */
- key_init(); /* 初始化按键 */
- adc_init(); /* 初始化ADC */
- pwmdac_init(256 - 1, 0); /* PWM DAC初始化, Fpwm = 84Mhz/256 = 328.125Khz */
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
- lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "PWM DACTEST", RED);
- lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY_UP:+ KEY1:-", RED);
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "PWM VAL:", BLUE);
- lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "DAC VOL:0.000V", BLUE);
- lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, "ADC VOL:0.000V", BLUE);
- __HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_tim9_handler, PWMDAC_TIMX_CHY, pwmval);
- while (1)
- {
- t++;
- key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
- if (key == WKUP_PRES) /* PWM占空比调高 */
- {
- if (pwmval < 250) /* 范围限定 */
- {
- pwmval += 10;
- }
- /* 输出新的PWM占空比 */
- __HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_tim9_handler, PWMDAC_TIMX_CHY, pwmval);
- }
- else if (key == KEY1_PRES) /* PWM占空比调低 */
- {
- if (pwmval > 10) /* 范围限定 */
- {
- pwmval -= 10;
- }
- else
- {
- pwmval = 0;
- }
- /* 输出新的PWM占空比 */
- __HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_tim9_handler, PWMDAC_TIMX_CHY, pwmval);
- }
- if (t == 10 || key == KEY1_PRES || key == WKUP_PRES)
- { /* WKUP / KEY1 按下了, 或者定时时间到了 */
- /* PWM DAC 定时器输出比较值 */
- adcx =__HAL_TIM_GET_COMPARE(&g_tim9_handler,PWMDAC_TIMX_CHY);
- lcd_show_xnum(94, 130, adcx, 3, 16, 0, BLUE); /* 显示CCRX寄存器值 */
- temp = (float)adcx * (3.3 / 256); /* 得到DAC电压值 */
- adcx = temp;
- lcd_show_xnum(94, 150, temp, 1, 16, 0, BLUE); /* 显示电压值整数部分 */
- temp -= adcx;
- temp *= 1000;
- lcd_show_xnum(110, 150, temp, 3, 16, 0X80, BLUE);/* 电压值的小数部分 */
- adcx =adc3_get_result_average(ADC3_CHY, 10); /* ADC3通道1的转换结果 */
- temp = (float)adcx * (3.3 / 4096); /* 得到ADC电压值(adc是12bit的) */
- adcx = temp;
- lcd_show_xnum(94, 170, temp, 1, 16, 0, BLUE); /* 显示电压值整数部分 */
- temp -= adcx;
- temp *= 1000;
- lcd_show_xnum(110, 170, temp, 3, 16, 0X80, BLUE);/* 电压值的小数部分 */
- LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
- t = 0;
- }
- delay_ms(10);
- }
- }
main函数初始化了LED和LCD用于显示效果，初始化按键和ADC用于修改ADC的占空比，辅助显示ADC。
35.4 下载验证下载代码后，LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。我们按下KEY_UP/KEY1调整PWM的占空比,可以看到输出电压随PWM VAL发生变化,也可以把PA3和PWM DAC的最终输出接到示波器观察滤波后的区别。 注意：因为PWM_DAC和USART2共用了PA3引脚，所以在本例程不能使用串口2的接收功能，否则可能会影响PWM转换结果！！！
PWM 实现DAC的知识我们就讲解到这里，大家可以试试其它精度或者更换定时器输出通道测试。 |
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发表于 2023-8-12 10:02:39
