STM32G474单片机开发入门(十七)DAC详解及输出电压和正弦波实战

文章目录

• • 一.概要
  • 二.STM32G474RET6单片机DAC外设特点
  • 三.STM32单片机DAC内部结构图
  • 四.STM32单片机DAC基本操作
  • 五.CubeMX配置一个DAC输出电压例程
  • • 1.硬件准备
    • 2.创建CubeMX工程
    • 3.实验效果
  • 六.CubeMX配置一个DAC输出1KHZ正弦波例程
  • • 1.硬件准备
    • 2.创建CubeMX工程
    • 3.实验效果
  • 七.小结

一.概要

DAC(Digital to analog converter)即数字模拟转换器，它可以将数字信号转换为模拟信号。它的功能与ADC相反，单片机普通I/O口只能输出高或者低，DAC引脚就能输出0~3.3V内任意电压值的电平。

STM32单片机的DAC功能通过内置于芯片内部的数模转换器实现，能够将数字信号转换为模拟信号，这在音频处理和波形生成中发挥着关键作用。

DAC的主要应用场景包括：

‌音频处理‌：STM32的DAC模块支持立体声音频输出，可以应用于各种音频应用，如安全警报系统、蓝牙耳机、发声玩具、答录机、人机接口以及低成本的音乐播放器等。通过配置适当的引脚和外设，STM32能够方便地实现音频信号的生成和播放。

‌波形生成‌：DAC还可以用于生成各种模拟波形，包括正弦波、方波等。例如，通过配置DAC输出正弦波，可以应用于科学实验、教育演示等领域，作为刺激源来测试听觉系统或其他系统的响应。此外，通过数学运算准备数字模式的波形数据，STM32能够生成高质量的正弦波形，用于精确的测量和控制应用。

‌模拟控制‌：除了音频和波形生成，DAC还可用于各种需要模拟信号控制的场景，如电机控制、温度调节、灯光亮度调整等。通过输出不同的模拟电压，可以实现对这些设备的精细控制。

二.STM32G474RET6单片机DAC外设特点

DAC 模块是 12 位电压输出数模转换器。DAC 可以8位或12 位模式进行配置，并且可与DMA 控制器配合使用。

STM32G474RET6的DAC（数模转换器）具有以下特点：

1. ‌通道配置‌
   提供7个12位DAC通道，其中3个为缓冲外部输出通道，4个为无缓冲内部通道。
   内部通道支持直接连接至片上外设（如运算放大器或比较器），简化电路设计。
2. ‌性能参数‌
   ‌外部通道‌：最高1MHz输出速率，支持轨到轨输出。
   ‌内部通道‌：最高15MHz输出速率，适合高速信号生成。
   支持单端或差分输出模式，灵活适配不同应用场景。
3. ‌功能特性‌
   集成硬件加速的DMA传输，实现高效数据流处理。
   支持与定时器同步触发，确保精确时序控制（如PWM波形生成）。
   内置偏移补偿和增益校准功能，提升输出精度。
4. ‌应用优势‌
   可直接驱动外部负载或配合运算放大器构建模拟电路（如程控放大器）。
   在电机控制、电源管理等场景中，与PWM、ADC协同实现闭环控制。

三.STM32单片机DAC内部结构图

DAC内部结构图如下

DAC相关引脚说明

四.STM32单片机DAC基本操作

DAC 通道使能

将 DAC_CR 寄存器中的相应 ENx 位置 1，即可接通对应 DAC 通道。经过一段启动时间

tWAKEUP 后，DAC 通道被真正使能。

DAC 转换

DAC_DORx 无法直接写入，任何数据都必须通过加载 DAC_DHRx 寄存器（写入

DAC_DHR8Rx、DAC_DHR12Lx、DAC_DHR12Rx、DAC_DHR8RD、DAC_DHR12LD 或DAC_DHR12LD）才能传输到 DAC 通道 x。

DAC 输出电压

经过线性转换后，数字输入会转换为 0 到 VREF+ 之间的输出电压。

各 DAC 通道引脚的模拟输出电压通过以下公式确定：

程序中调用Hal库代码，以下关键语句就能使PA4引脚输出1.65V直流电压值。

  MX_DAC1_Init();//PA4作为DAC1_OUT1输出引脚
	HAL_DAC_SetValue(&hdac1,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,2048);//DAC引脚输出电压值为2048*3300/4096
	HAL_DAC_Start(&hdac1,DAC_CHANNEL_1);//使能DAC1通道1

DAC 输出正弦波

有了DAC输出电压值，通过定时器将预先生成的正弦波数据表，按定时器触发频率逐点写入DAC寄存器，形成连续模拟信号‌，这样就形成了正弦波的波形。

以下关键语句就是使PA4引脚输出正弦波，在定时器中断时间触发DAC输出正弦波数据表格里的电压值。

//60个点为1个周期，所以如果需要产生1KHZ的正弦波，定时器中断频率就是60KHZ,如果定时器时钟是170MHZ，所以htim2.Init.Period就要改成2832(2833.3-1)
#define TABLE_SIZE 60 // 正弦波表的大小，决定了正弦波的分辨率和频率精度
uint16_t sinewave[TABLE_SIZE] = {
0x07ff,0x08cb,0x0994,0x0a5a,0x0b18,0x0bce,0x0c79,0x0d18,0x0da8,0x0e29,0x0e98,0x0ef4,0x0f3e,0x0f72,0x0f92,0x0f9d,
0x0f92,0x0f72,0x0f3e,0x0ef4,0x0e98,0x0e29,0x0da8,0x0d18,0x0c79,0x0bce,0x0b18,0x0a5a,0x0994,0x08cb,0x07ff,0x0733,
0x066a,0x05a4,0x04e6,0x0430,0x0385,0x02e6,0x0256,0x01d5,0x0166,0x010a,0x00c0,0x008c,0x006c,0x0061,0x006c,0x008c,
0x00c0,0x010a,0x0166,0x01d5,0x0256,0x02e6,0x0385,0x0430,0x04e6,0x05a4,0x066a,0x0733};
//定时器溢出中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 定时器中断服务例程
{
	   uint16_t sineValue = sinewave[SineTableIndex]; // 获取当前正弦波值
    if (htim->Instance == TIM2) // 检查是否是TIM2的溢出中断
    {
        HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, sineValue); // 设置DAC输出值
        SineTableIndex = (SineTableIndex + 1) % TABLE_SIZE; // 更新索引，实现循环更新正弦波值
    }
}

五.CubeMX配置一个DAC输出电压例程

1.硬件准备

STLINK接STM32G474RET6开发板，STLINK接电脑USB口，万用表一个，板子用5V USB线供电。

2.创建CubeMX工程

如下图所示，打开STM32CubeMX软件，新建工程。

如下图所示，Part Number处输入STM32G474RE，再双击就创建新的工程。

如下图所示，配置下载口引脚，PA13为SWD的SWDIO脚，PA14为SWD的SWCLK脚。

如下图所示，配置DAC1，PA4引脚为DAC1通道1。

如下图所示，配置系统主频170Mhz，使用内部16MHZ晶振。

如下图所示，配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式。

如下图所示，生成工程。

如下图所示，增加代码，实现PA4引脚输出1.65V电压。

主要代码如下

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();//SysTick配置成1ms中断

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();//16M内部晶振，170MHZ系统主频

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DAC1_Init();//PA4作为DAC1_OUT1输出引脚
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_DAC_SetValue(&hdac1,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,2048);//DAC引脚输出电压值为2048*3300/4096
	HAL_DAC_Start(&hdac1,DAC_CHANNEL_1);//使能DAC1通道1
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

3.实验效果

下载完程序后，用万用表量PA4引脚电压，可以看到电压值1.646V。

六.CubeMX配置一个DAC输出1KHZ正弦波例程

1.硬件准备

STLINK接STM32G474RET6开发板，STLINK接电脑USB口，示波器一台，板子用5V USB线供电。

2.创建CubeMX工程

跟前面的DAC输出电压工程创建方式一样，配置DAC输出，只需要添加一个定时器2中断，以下配置定时器中断频率为60KHZ。

配置定时器2中断使能。

如下图所示，增加代码，添加正弦波数据表。

如下图所示，启动TIM2与DAC输出。

主要代码如下

//60个点为1个周期，所以如果需要产生1KHZ的正弦波，定时器中断频率就是60KHZ,如果定时器时钟是170MHZ，所以htim2.Init.Period就要改成2832(2833.3-1)
#define TABLE_SIZE 60 // 正弦波表的大小，决定了正弦波的分辨率和频率精度
uint16_t sinewave[TABLE_SIZE] = {
0x07ff,0x08cb,0x0994,0x0a5a,0x0b18,0x0bce,0x0c79,0x0d18,0x0da8,0x0e29,0x0e98,0x0ef4,0x0f3e,0x0f72,0x0f92,0x0f9d,
0x0f92,0x0f72,0x0f3e,0x0ef4,0x0e98,0x0e29,0x0da8,0x0d18,0x0c79,0x0bce,0x0b18,0x0a5a,0x0994,0x08cb,0x07ff,0x0733,
0x066a,0x05a4,0x04e6,0x0430,0x0385,0x02e6,0x0256,0x01d5,0x0166,0x010a,0x00c0,0x008c,0x006c,0x0061,0x006c,0x008c,
0x00c0,0x010a,0x0166,0x01d5,0x0256,0x02e6,0x0385,0x0430,0x04e6,0x05a4,0x066a,0x0733};


/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

uint16_t SineTableIndex = 0; // 正弦波表的索引，用于循环更新正弦波值

//定时器溢出中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 定时器中断服务例程
{
	   uint16_t sineValue = sinewave[SineTableIndex]; // 获取当前正弦波值
    if (htim->Instance == TIM2) // 检查是否是TIM2的溢出中断
    {
        HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, sineValue); // 设置DAC输出值
        SineTableIndex = (SineTableIndex + 1) % TABLE_SIZE; // 更新索引，实现循环更新正弦波值
    }
}

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();//16M内部晶振，170M系统主频

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DAC1_Init();//DAC1初始化，PA4：DAC1_OUT1
  MX_TIM2_Init();//定时器2初始化，中断频率为60KHZ
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  if (HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2) != HAL_OK)//启动定时器2，并使能溢出中断
  {
    /* Counter enable error */
    Error_Handler();
  }
	HAL_DAC_Start(&hdac1,DAC_CHANNEL_1);//使能DAC1通道1

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

3.实验效果

下载完程序后，用示波器测量PA4引脚波形，可以看到1KHZ的正弦波。

七.小结

DAC外设是STM32单片机开发中的基本操作，学会了DAC，单片机就可以在波形输出，音频驱动，模拟控制‌等场合发挥作用。