【STM32开发之寄存器版】（十）-数模转换DAC

标签：输出 12 DAC STM32 电压寄存器数模转换通道

一、前言

本次DEMO目标：

本文将使用STM32F103ZET6的DAC1来输出电压，通过ADC1的通道1采集DAC输出电压信息（需要将开发板的ADC PA1和DAC PA4短接起来），通过串口打印在上位机XCOM上。

二、数模转换原理与基本概念

2.1 数模转换的基本概念

数模转换器（DAC）将数字信号转换为模拟信号，广泛用于音频、视频和通信等领域。它的工作原理通常涉及将数字输入值转换成对应的电压或电流输出。

2.2 数模转换的分类

在常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒T形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。在D/A转换器数字量的输出方式上也有并行输出和串行输入两种类型。

2.3 数模转换的特性参数

数模转换的特性参数主要分为转换精度和转换时间。其中，描述转换精度的特征量为分辨率和转换误差，描述转换时间的特征量是建立时间。

分辨率

DAC的分辨率以位数表示，决定了它能表示的离散电压值的数量。分辨率越高，DAC能够生成的输出电压级别越多。例如，12位DAC可以输出2^12=4,096个不同的电压级别。高分辨率DAC在细节再现方面表现更佳，适用于音频处理和高精度仪器。

转换误差

转换误差是DAC实际输出电压与理论电压之间的偏差。主要包括：

增益误差：输出电压与理想值的比例偏差。
偏移误差：输出电压的基准偏差。
线性度误差：通过积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）衡量，描述输出电压与输入数字值之间的线性关系的准确性。

建立时间

建立时间是DAC从输入数字值变化到输出电压稳定所需的时间。它直接影响系统的响应速度和信号处理能力。建立时间越短，DAC能更快地响应输入变化，适用于需要高速转换的应用场景。

三、STM32的DAC

3.1 STM32的DAC简介

STM32的数字/模拟转换模块(DAC)是12位数字输入，电压输出的数字/模拟转换器。DAC可以配置为8位或12位模式，也可以与DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC模块有2个输出通道，每个通道都有单独的转换器。在双DAC模式下，2个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新2个通道的输出。DAC可以通过引脚输入参考电压VREF+以获得更精确的转换结果。

3.2 STM32的DAC特点

STM32的DAC特点如下：

2个DAC转换器，每个转换器对应1个输出通道
8位或者12位单调输出
12位模式下数据左对齐或者右对齐
同步更新功能
噪声波形生成
三角波形生成
双DAC通道同时或者分别转换
每个通道都有DMA功能
外部触发转换
输入参考电压VREF+

3.3 STM32的DAC原理解析

3.3.1 DAC通道框图

单个DAC通道的框图如下所示：

图中 VDDA 和 VSSA 为 DAC 模块模拟部分的供电，而 Vref+则是 DAC 模块的参考电压。DAC_OUTx 就是 DAC 的输出通道了（对应 PA4 或者 PA5 引脚）。DAC 输出是受 DORx 寄存器直接控制的，但是我们不能直接往DORx 寄存器写入数据，而是通过 DHRx 间接的传给 DORx 寄存器，实现对 DAC 输出的控制。

3.3.2 DAC数据对齐

STM32 的 DAC 支持 8/12 位模式，8 位模式的时候是固定的右对齐的，而 12 位模式又可以设置左对齐/右对齐。单 DAC 通道 x，总共有 3 种情况：

8 位数据右对齐：用户将数据写入 DAC_DHR8Rx[7:0]位（实际是存入 DHRx[11:4] 位）。
12 位数据左对齐：用户将数据写入 DAC_DHR12Lx[15:4]位（实际是存入 DHRx[11:0] 位）。
12 位数据右对齐：用户将数据写入DAC_DHR12Rx[11:0]位（实际是存入DHRx[11:0] 位）。

本文使用的就是单 DAC 通道 1，采用 12 位右对齐格式，所以采用第3种情况。

3.3.3 DAC模块转换时间

若未选中硬件触发(寄存器 DAC_CR1 的 TENx 位置’0’)，存入寄存器 DAC_DHRx的数据会在一个 APB1 时钟周期后自动传至寄存器 DAC_DORx。如果选中硬件触发(寄存器DAC_CR1 的 TENx 位置’1’)，数据传输在触发发生以后 3 个 APB1 时钟周期后完成。一旦数据从 DAC_DHRx 寄存器装入 DAC_DORx 寄存器，在经过时间之后，输出即有效，这段时间的长短依电源电压和模拟输出负载的不同会有所变化。我们可以从STM32F103ZET6 的数据手册查到的典型值为 3us，最大是 4us。所以 DAC 的转换速度最快是 250K 左右。

本章我们将不使用硬件触发（TEN=0），其转换的时间框图如图所示：

3.3.4 DAC输出电压

当 DAC 的参考电压为 Vref+的时候，DAC 的输出电压是线性的从 0~Vref+，12 位模式下 DAC 输出电压与 Vref+以及 DORx 的计算公式如下：

DACx 输出电压=Vref*（DORx/4095）

四、时钟树解析

DAC1是APB1下的外设，APB1预分频后最大给予PCLK1的时钟频率是36MHz。故系统时钟为72MHz，AHB不分频，APB1二分频后给予DAC 36MHz的时钟频率，具体时钟树分析如下所示：

五、寄存器介绍

对DAC1的控制主要涉及以下寄存器：

寄存器	作用
DAC_CR	DAC控制寄存器
DAC_DHR12R1	DAC通道1的12位右对齐数据保持寄存器

下面将对这两个寄存器进行分别介绍。

5.1 DAC_CR控制寄存器

《STM32中文参考手册》对DAC_CR寄存器的描述如下：

该寄存器功能较多，我们需关注以下位：[12]DMAEN1、[11:8]MAMP1、[7:6]WAVE1、 [5:3]TSEL1、[2]TEN1、[1]BOFF1、[0]EN1。下面对其进行一一介绍：

[12]DMAEN1

DMA通道1 DMA使能。本位设置为0，关闭DAC1 DMA模式。

[11:8]MAMP1

DAC通道1屏蔽/幅值选择器。设置为0000。

[7:6]WAVE1

DAC通道1噪声/三角波发生使能，本位设置为00，关闭波形发生。

[5:3]TSEL1

DAC通道1的外部触发事件，本位设置为000，TIM6 TRGO事件，但是需要TEN=1才行。

[2]TEN1

使能/关闭DAC通道1的触发，本位设置位0，关闭DAC通道1的触发。

[1]BOFF1

关闭DAC通道1输出缓存，本位设置为1，关闭DAC通道1输出缓存。

[0]EN1

DAC通道1使能，本位设置为1，使能DAC通道1.

5.2 DAC通道1的12位右对齐数据保持寄存器

《STM32中文参考手册》对DAC_DHR12R1寄存器的描述如下：

该位由软件写入，表示DAC通道1的12位数据。

六、程序设计

本次demo的程序设计主要分为DAC1初始化、设置DAC输出电压以及轮询主函数。

6.1 DAC1初始化

该函数位于HARDWARE/dac.c/Dac1_Init()；主要功能是初始化PA和DAC时钟，设置PA4管脚复用、使能并设置DAC1等。具体代码如下所示：

//DAC通道1输出初始化
void Dac1_Init(void)
{
	RCC->APB2ENR|=1<<2;    	//使能PORTA时钟	  	
	RCC->APB1ENR|=1<<29;   	//使能DAC时钟	  	
	   	 
	GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF; 
	GPIOA->CRL|=0X00000000;	//PA4 模拟输入    

	DAC->CR|=1<<0;			//使能DAC1
	DAC->CR|=1<<1;			//DAC1输出缓存不使能 BOFF1=1
	DAC->CR|=0<<2;			//不使用触发功能 TEN1=0
	DAC->CR|=0<<3;			//DAC TIM6 TRGO,不过要TEN1=1才行
	DAC->CR|=0<<6;			//不使用波形发生
	DAC->CR|=0<<8;			//屏蔽、幅值设置
	DAC->CR|=0<<12;			//DAC1 DMA不使能    

	DAC->DHR12R1=0;
}

6.2 设置DAC输出电压

该函数位于HARDWARE/dac.c/Dac1_Set_Vol()；主要功能是通过寄存器DAC->DHR12R1设置DAC输出电压，具体代码如下所示：

//设置通道1输出电压
//vol:0~3300,代表0~3.3V
void Dac1_Set_Vol(u16 vol)
{
	float temp=vol;
	temp/=1000;
	temp=temp*4096/3.3;		//计算DAC输出寄存器值
	DAC->DHR12R1=temp;
}

6.3 轮询主函数

该函数位于USER/test.c；主要功能是使用ADC将DAC输出的电压值采集回来，并通过串口打印在上位机XCOM上。具体代码如下所示：

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h" 
#include "led.h" 		 	 
#include "lcd.h" 
#include "key.h"
#include "adc.h"
#include "dac.h" 
#include "usmart.h" 	 

int main(void)
{		 	
	u16 adcx;
	float temp;
	u16 dacval=2048;
    Stm32_Clock_Init(9);	//系统时钟设置
	uart_init(72,115200);	//串口初始化为115200
	delay_init(72);	   	 	//延时初始化 
	Adc_Init(); 			//adc初始化	
	Dac1_Init();		 	//DAC通道1初始化	   	
	//显示提示信息											          	      
	while(1)
	{
		
		DAC->DHR12R1=dacval;	            //设置DAC输出；
		adcx=Get_Adc_Average(ADC_CH1,10);	//得到ADC转换值；
		temp=(float)adcx*(3.3/4096);			//得到DAC电压值；
		printf("ADC采集到的DAC输出电压为：%4.3fV\r\n",temp);   //串口打印输出结果。

	}
}

七、上机实验

将代码下载至STM32F103ZET6，当DAC设置为2048时，ADC采集回的电压为1.65V，与预期相同。具体情况如下图所示：

至此完成本次DEMO！

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