《STM32H7R7开发指南 V1.1 》第三十五章 PWM DAC实验

正点原子运营

第三十五章 PWM DAC实验

1）实验平台：正点原子STM32H7R7开发板

2）章节摘自【正点原子】STM32H7R7开发指南 V1.1

3）购买链接： https://detail.tmall.com/item.htm?id=820823382459

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32h7rx.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）正点原子STM32开发板技术交流群：756580169





虽然STM32H7R7L8H6H没有内部DAC，通常情况下，可以采用专用的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STM32H7R7的PWM来设计一个DAC。我们将使用按键控制STM32H7R7的PWM输出，从而控制PWMDAC的输出电压，通过ADC1的通道9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。

图35.1.1.1 PWM波形的等效

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。

图35.1.1.2 PWM波形的时域表示

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STM32H7R7系列中大部分是16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300Mhz，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分。
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300Mhz的频率为例，8位分辨率的时候，PWM频率为300M/256=117.19Khz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率为2.66Khz，如果是2阶RC滤波，则要求截止频率为33.62Khz。

35.2 硬件设计

1. 例程功能
我们将设计一个8位的DAC，使用按键控制STM32H7R7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9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 – PD14
2）独立按键
       KEY1 – PE8
       KEY_UP – PC13
3）PWM输出通道
       我们的例程中使用TIM15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9 – PB0

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：

图35.2.1 PWM DAC连接原理设计

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。

图35.2.2 PCB对应PWM DAC的位置

我们把PWM的输出引到排针P1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PDC和ADC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 程序解析

1.PWM DAC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：

1. /* PWM DAC定义 */
   
2. #define PWMDAC_TIMX                         TIM15
   
3. #define PWMDAC_TIMX_CLK_ENABLE()            
   
4.                             do{ __HAL_RCC_TIM15_CLK_ENABLE();} while (0)
   
5. #define PWMDAC_TIMX_CHY                     TIM_CHANNEL_2
   
6. #define PWMDAC_TIMX_CHY_GPIO_PORT           GPIOA
   
7. #define PWMDAC_TIMX_CHY_GPIO_PIN            GPIO_PIN_3
   
8. #define PWMDAC_TIMX_CHY_GPIO_AF             GPIO_AF4_TIM15
   
9. #define PWMDAC_TIMX_CHY_GPIO_CLK_ENABLE()   
   
10.                             do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();} while (0)

复制代码

我们使用pwmdac_init来进行定时器15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：

1. /**
   
2. * @brief   初始化PWM DAC
   
3. * [url=home.php?mod=space&uid=271674]@param[/url]   arr: 自动重装载值
   
4. * @param   psc: 预分频系数
   
5. * @retval  无
   
6. */
   
7. void pwmdac_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
   
8. {
   
9.     TIM_OC_InitTypeDef timx_oc_pwm_struct = {0};
   
10.    
    
11.     /* 初始化TIM PWM */
    
12.     g_pwmdac_timx_handle.Instance = PWMDAC_TIMX;
    
13.     g_pwmdac_timx_handle.Init.Prescaler = psc;
    
14.     g_pwmdac_timx_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    
15.     g_pwmdac_timx_handle.Init.Period = arr;
    
16.     g_pwmdac_timx_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    
17. g_pwmdac_timx_handle.Init.AutoReloadPreload =
    
18. TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    
19.     HAL_TIM_PWM_Init(&g_pwmdac_timx_handle);
    
20.    
    
21.     /* 配置TIM PWM通道 */
    
22.     timx_oc_pwm_struct.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    
23.     timx_oc_pwm_struct.Pulse = (arr + 1) >> 1;
    
24.     timx_oc_pwm_struct.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    
25. HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_pwmdac_timx_handle, &timx_oc_pwm_struct,
    
26. PWMDAC_TIMX_CHY);
    
27.    
    
28.     /* 开启TIM PWM输出 */
    
29.     HAL_TIM_PWM_Start(&g_pwmdac_timx_handle, PWMDAC_TIMX_CHY);
    
30. }

复制代码

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：

1. /**
   
2. * @brief   设置PWMDAC输出电压
   
3. * @param   voltage: 输出电压（单位：mV）
   
4. * @retval  无
   
5. */
   
6. void pwmdac_set_voltage(uint16_t voltage)
   
7. {
   
8.     uint16_t value;
   
9.    
   
10. value = (voltage * __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&g_pwmdac_timx_handle))
    
11. / VDD_VALUE;
    
12.     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_pwmdac_timx_handle, PWMDAC_TIMX_CHY, value);
    
13. }

复制代码

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：

1. int main(void)
   
2. {
   
3.         uint8_t t = 0;
   
4.     uint8_t key;
   
5.     uint8_t pwmdac_value;
   
6.     uint16_t pwmdac_voltage = 100;
   
7.     uint32_t adc_value;
   
8.     uint32_t adc_voltage;
   
9.    
   
10.     sys_mpu_config();                   /* 配置MPU */
    
11.     sys_cache_enable();                 /* 使能Cache */
    
12.     HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    
13.     sys_stm32_clock_init(300, 6, 2);    /* 配置时钟，600MHz */
    
14.     delay_init(600);                    /* 初始化延时 */
    
15.     usart_init(115200);                 /* 初始化串口 */
    
16.     led_init();                         /* 初始化LED */
    
17.     key_init();                         /* 初始化按键 */
    
18.     hyperram_init();                    /* 初始化HyperRAM */
    
19.     lcd_init();                         /* 初始化LCD */
    
20.     adc_init();                         /* 初始化ADC */
    
21.     pwmdac_init(256 - 1, 1 - 1);        /* 初始化PWMDAC */
    
22.    
    
23.     lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    
24.     lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "PWM DAC TEST", RED);
    
25.     lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
26.    
    
27.     lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "WK_UP:+ KEY1:-", RED);
    
28.    
    
29.     lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "PWM DAC VAL:", BLUE);
    
30.     lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "PWM DAC VOL: 0.000V", BLUE);
    
31.     lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, "ADC1_CH9_VOL: 0.000V", BLUE);
    
32.    
    
33.     pwmdac_set_voltage(pwmdac_voltage); /* 设置PWMDAC输出电压 */
    
34.    
    
35.     while (1)
    
36.     {
    
37.         key = key_scan(0);
    
38.         if (key == WKUP_PRES)
    
39.         {
    
40.             /* 加大PWMDAC输出 */
    
41.             if (pwmdac_voltage < VDD_VALUE)
    
42.             {
    
43.                 pwmdac_voltage += 100;
    
44.                 pwmdac_set_voltage(pwmdac_voltage);
    
45.             }
    
46.         }
    
47.         else if (key == KEY1_PRES)
    
48.         {
    
49.             /* 减小PWMDAC输出 */
    
50.             if (pwmdac_voltage > 100)
    
51.             {
    
52.                 pwmdac_voltage -= 100;
    
53.                 pwmdac_set_voltage(pwmdac_voltage);
    
54.             }
    
55.         }
    
56.         
    
57.         if (++t == 20)
    
58.         {
    
59.             t = 0;
    
60.             
    
61.             /* 显示PWMDAC输出数字量 */
    
62.             pwmdac_value = (pwmdac_voltage * 256 - 1) / VDD_VALUE;
    
63.             lcd_show_xnum(126, 130, pwmdac_value, 3, 16, 0, BLUE);
    
64.             
    
65.             /* 显示PWMDAC输出模拟量 */
    
66.             lcd_show_xnum(134, 150, pwmdac_voltage / 1000, 1, 16, 0, BLUE);
    
67.             lcd_show_xnum(150, 150, pwmdac_voltage % 1000, 3, 16, 0x80, BLUE);
    
68.             
    
69.             /* 显示ADC采集模拟量 */
    
70.             adc_value = adc_get_result_average(ADC_ADCX_CHY, 10);
    
71.             adc_voltage = (adc_value * VREFINT_CAL_VREF) / 4095;
    
72.             lcd_show_xnum(142, 170, adc_voltage / 1000, 1, 16, 0, BLUE);
    
73.             lcd_show_xnum(158, 170, adc_voltage % 1000, 3, 16, 0x80, BLUE);
    
74.             
    
75.             LED0_TOGGLE();
    
76.         }
    
77.         
    
78.         delay_ms(10);
    
79.     }
    
80. }

复制代码

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。

图35.4.1 现象效果图

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。