【STM32 CubeMX】DAC 输出正弦波

实验器材	备注说明	链接
STM32F407VE 开发板	F4系列DAC共两个通道（PA4， PA5）	【链接】
示波器	带宽50MHz、采样率1Gsa/s	【链接】
探头	使用1X档位	机配

二、正弦波频率公式

在开始操作之前，先看看正弦波频率的计算公式：

正弦波频率 = TIM时钟频率 ÷ PSC ÷ ARR ÷ 波点数

|-------------|--------------------------|
| 正弦波频率 | 希望输出的正弦波频率（单位：Hz） |
| TIM时钟频率 | 触发DAC的定时器的时钟频率（单位：Hz） |
| PSC | 定时器时钟的预分频器值 |
| ARR | 定时器的自动重载值。多少个定时器脉冲触发一次事件 |
| 波点数 | 一个正弦波周期的采样点数（波形数据表的长度） |

实例计算：输出10kHz正弦波

为了让大家更直观地理解，以STM32F407为例，规划一组参数来实现 10kHz 的正弦波。

正弦波频率： 10,000 Hz
**TIM 时钟频率：**本篇使用 TIM6 。通常，F103的TIM6是72MHz, F407的TIM6是84MHz。
**PSC 预分频器：**通常设置为1，即不分频，以方便计算，并获得最高的触发频率。
**ARR 周期值：**分频后的TIM时钟，产生N个脉冲数后，触发一次DAC转换。
波点数：这里用128，即一个正弦波由128个样本点组成。样本点数越多，波形越细腻。

现在，公式中的5个成员，仅剩 ARR 为未知数。

我们将数值代入公式进行计算（正弦波频率 = TIM时钟频率 ÷ PSC ÷ ARR ÷ 波点数）：

10000 = 84000000 ÷ 1 ÷ ARR ÷ 128

计算过程：ARR = 84000000 ÷ 1 ÷ 128 ÷ 10000 = 65.625

寄存器值必须是整数 ，取整 ARR = 66。

因此，实际的波形频率将是：正弦波频率 = 84000000 ÷ 1 ÷ 66 ÷ 128 = 9943Hz

这与我们的目标10kHz存在微小误差，这是由于ARR必须为整数所致。

解释、提示

设计目标是输出 10,000 Hz 的正弦波，但根据最终参数计算出的实际频率约为 9,943 Hz。

这不是错误，而是一个刻意展示的关键现象。

寄存器值必须是整数。当ARR的计算不能整除，取整后，将无法实现精准波形频率的输出！

不必担心，这种微小的误差（约0.57%）在绝大多数应用中是完全可以接受的。

下文也将详细示范如何通过联动调整样本点数（波点数）与 ARR，来寻找最优解，从而实现对特定目标频率的精准输出。

三、CubeMX 配置

本节基于一个已建立的CubeMX工程进行讲解。若需了解新建工程的基础操作，可参考：

以下将在现有工程基础上，添加正弦波生成所需的DAC、DMA 和 TIM 配置。

1、DAC 基础配置

实现步骤：

使能：打勾通道
Output Buffer：Disable 禁用
Trigger：Timmer 6 Trigger Out event

解释、 提示

1、输出通道 OUT1、OUT2

STM32系列的大部分型号，DAC通常包含两个独立通道：

OUT1 对应引脚 PA4

OUT2 对应引脚 PA5

勾选需要的通道后，CubeMX 会自动配置对应引脚的工作模式，无需手动设置。

为演示方便，本示例同时启用了两个通道。

2、Output Buffer (输出缓冲器)：Disable。

这个功能很有意思。好些网上教程对此项的描述过于偏理论了。稍作解释。

把这个"输出缓冲器"理解为：在DAC核心与输出引脚之间，有一个片内集成运算放大器。

输出的信号是否启用 (经过) 这个输出缓冲放大器，是影响输出性能的关键选择。

使能--输出缓冲 Enabled

优势：提供更大的驱动电流，可直接驱动如耳机、小功率扬声器等负载；

缺点：略有噪声、输出电压范围受限（约0.2V~3.1V）

适用场景：长电缆驱动、耳机、功率器件等对驱动能力要求高而对精度要求不严的场合

禁用--输出缓冲 Disabled

优势：噪声更低、线性度更好、输出电压范围更宽（接近0V~VDDA）

缺点：驱动负载时需外接运放电路

适用场景：高精度测量、传感器校准、示波器等需要满幅输出的应用

本篇是把信号直接输出至示波器探头，因此禁用输出缓冲器: Disabled。

3、Trigger (触发源)： Timer 6 Trigger Out event。

为使DAC能自动、周期性地进行转换，需要为其配置一个硬件触发源。

此处选择 Timer 6 Trigger Out event。

触发源在项目中用得比较少，这里也稍作解释。

每当Timer的计数器达到设定值，产生"更新事件"（Update Event）时，通过内部的TRGO线路向外发送一个脉冲信号。DAC被连接至此脉冲信号后，每个脉冲都会自动启动一次DAC转换。

结合下面的DMA功能，CPU只需启动传输，即可由定时器"指挥"DMA将波形数据数组自动、同步地搬运给DAC，从而高效、精准地输出连续波形，无需CPU持续干预。

2、DMA 传输配置

实现步骤：

点击Add：添加DAC1、DAC2
Mode： Circular
Memory：打勾
数据宽度： HalfWord

注意！别漏了添加DAC2，不然PA5会没信号输出。

解释、 提示

1、Mode 传输模式

Circular 循环传输 --- 输出连续波形必需

每当 DMA 传输完指定数量的数据后，会重新、从头开始传输。这是输出连续、周期性波形 （如正弦波）的必需设置。

2、Increment Address 地址增量控制

Peripheral 外设地址：不勾选。DAC数据寄存器是硬件，地址是固定的。

Memory 内存地址：勾选。波形数组地址自动递增。

3、Data Width 数据宽度

Half Word ：**半字, 16位。**DAC 的数据寄存器是 12 位，用16 位即可对齐访问。

程序中的波形样本数组，应定义为uint16_t类型，与此处设置保持一致

3、TIM 定时器配置

实现步骤：

使能 TIM6：勾选 Activated
PSC (预分频器值)： 1-1 (TIM的分频从0起，0即1分频，即不分频）
ARR (周期脉冲数)：66-1 (TIM计数从0起; 即66个脉冲为一周期)
Trigger Event Selection (触发事件)：Update Event (更新事件)

解释、 提示

TIM的配置，目的是将定时器配置为一个精准的"节拍器"，每个"节拍"（更新事件），触发DAC进行一次转换。

1、为什么上图里用 n-1 的写法？而不直接写 0、65？

因为定时器硬件的计数机制是从0开始的。

寄存器值 = 期望值 - 1 。

权威解释请参阅《STM32参考手册》中关于TIM寄存器 TIMx_PSC 和 TIMx_ARR 的详细描述。

2、TIM 的使能方式

在CubeMX中，使能定时器的方式因TIM而异，常见有三种：

Activated 复选框：勾选即可使能（TIM6、TIM7等基础定时器）

Internal Clock 复选框：勾选即可使能内部时钟（部分通用定时器）

Clock Source 多选框：选择"Internal Clock"选项（多数高级定时器）

对于本篇使用的TIM6 ，只需勾选Activated复选框即可完成使能。

3、预分频器（ Prescaler, PSC ）

作用：对输入时钟进行分频，得到供给计数器CNT的计数时钟。

每接收 PSC (Prescaler+1)个时钟脉冲，才产生1个计数脉冲。

在使用 TIM 触发 DAC 转换的应用中，通常将 Prescaler设置为 0（PSC=0+1，1分频即不分频）

不分频的好处是简化计算，并允许定时器以最高频率运行。

4、自动重载值 (Period， ARR )

设定定时器的计数周期，是决定触发频率的关键参数。

工作原理：

计数器CNT从0开始，每个脉冲加1

当CNT值达到ARR设定值时，定时器发生溢出

CNT自动清零，并产生一个更新事件 (Update Event)

此过程周而复始，形成稳定周期。

数值关系：

CubeMX界面或代码里的Period项填写值：66-1

实际寄存器值：65（第66个脉冲溢出触发更新事件）

5、触发事件选择 ( Trigger Event Selection )

选择：Update Event 更新事件

解释：此配置将定时器内部的更新事件映射到其TRGO（Trigger Output）引脚上。每次定时器溢出产生更新事件时，都会通过TRGO线路发送一个精准的脉冲信号，用于触发DAC进行数据转换。这些操作将由硬件自动完成。

信号路径：

定时器计数溢出 → 产生更新事件 → TRGO输出脉冲 → 触发DAC转换

这种硬件级触发方式确保了转换时序的精确性和稳定性，无需CPU干预。

配置阶段已完成。

点击 "**GENERATE CODE"**按钮，令CubeMX 把 DAC、DMA 、TIM6 的初始化代码生成到工程中。

接下来，我们将进入 代码实现 部分。

四、代码实现 --- 正弦表数组法输出信号

在使用CubeMX完成DAC、DMA和TIM的配置后，用户需要编写的代码量极少。主要步骤为：

准备正弦波数据表（数组）
启动定时器（TIM）
启动DAC的DMA传输

1、波形样本数组

实现步骤：

在/* USER CODE BEGIN PV */和/* USER CODE END PV */之间，添加正弦波数据数组。

cpp 复制代码

#define WAVE_POINTS    128         // 正弦波一个周期的采样点数

/* 1、正弦波数据表 (12位DAC，数值范围0~4095)
 * 使用数组法的优点：减少每次启动时的计算时间，保证波形精度
 * 注意事项：若将数组定义在函数内部，建议使用static修饰，避免栈溢出
 */
static const uint16_t sineData[WAVE_POINTS] =     
{
    /* 0°~90° 上升段 (n=0~31) */
    2048, 2148, 2248, 2348, 2447, 2545, 2642, 2737,
    2831, 2923, 3013, 3100, 3185, 3267, 3346, 3423,
    3495, 3565, 3630, 3692, 3750, 3804, 3853, 3898,
    3939, 3975, 4007, 4034, 4056, 4073, 4085, 4093,

    /* 90°~180° 下降段 (n=32~63) */
    4095, 4093, 4085, 4073, 4056, 4034, 4007, 3975,
    3939, 3898, 3853, 3804, 3750, 3692, 3630, 3565,
    3495, 3423, 3346, 3267, 3185, 3100, 3013, 2923,
    2831, 2737, 2642, 2545, 2447, 2348, 2248, 2148,

    /* 180°~270° 下降段 (n=64~95) */
    2048, 1947, 1847, 1747, 1648, 1550, 1453, 1358,
    1264, 1172, 1082,  995,  910,  828,  749,  672,
     600,  530,  465,  403,  345,  291,  242,  197,
     156,  120,   88,   61,   39,   22,   10,    2,

    /* 270°~360° 上升段 (n=96~127) */
       0,    2,   10,   22,   39,   61,   88,  120,
     156,  197,  242,  291,  345,  403,  465,  530,
     600,  672,  749,  828,  910,  995, 1082, 1172,
    1264, 1358, 1453, 1550, 1648, 1747, 1847, 1947
};

复制添加后，位置如下图：

解释、提示

数组sineData存储了一个完整正弦周期的128个采样点，对应12位DAC的数值范围（0~4095）。

若将数组定义在函数内部，尽量使用static，否则数组会在栈上分配，当样本数组过大时可能导致栈溢出，并且每次函数调用都会重新初始化。

如果想修改波点数，不能直接修改这里的宏定义，还需要波点数重新计算每一个样本值。下文中提供了计算函数。

2、启动定时器、DAC的DMA传输

实现步骤：

在main函数的/* USER CODE BEGIN 2 */和/* USER CODE END 2 */之间（即在while(1)循环之前），添加以下代码：

cpp 复制代码

/* 2、启动定时器 TIM6 */
HAL_TIM_Base_Start(&htim6);                                                                    // 启动TIM。每个更新事件(计数达到一周期)，由硬件发出脉冲信号触发DAC转换一次

/* 3、启动DAC的DMA传输 */
HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t *)sine12bit, WAVE_POINTS, DAC_ALIGN_12B_R);  // 启动DAC通道1（对应PA4）的DMA传输
HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_2, (uint32_t *)sine12bit, WAVE_POINTS, DAC_ALIGN_12B_R);  // 启动DAC通道2（对应PA5）的DMA传输

编写后，位置如下图：

解释、提示

1、HAL_TIM_Base_Start(&htim6)：启动定时器TIM6

定时器开始从0计数，当计数值达到ARR（即66）时产生更新事件。

2、HAL_DAC_Start_DMA ( )：启动DAC的DMA传输。

参数依次为：

&hdac：DAC句柄

DAC_CHANNNEL_1：DAC通道1（对应PA4）

(uint32_t*)sineData：波形数据数组的首地址（需转换为uint32_t指针）

WAVE_POINTS：传输数据个数（即数组长度）

DAC_ALIGN_12B_R：数据右对齐，12位有效位（因为DAC数据寄存器是12位的）

注意：如果只使用一个通道（例如只使用PA4），则只需调用一次HAL_DAC_Start_DMA，并选择对应的通道。

3、运行效果

编译、烧录到STM32F407开发板，

使用示波器采集 PA5 引脚 (或PA4)，即可观察到输出的10kHz正弦波。

效果如下：

解释、提示

真实频率应该是9.943KHz，不是10KHz。

上面截图显示10KHz，是因为示波器 Freq 值在小幅跳动，拍照时刚好卡点10K而已。

为什么真实频率是9.943，在上文中已有说明：

因为寄存器必须用整数，而计算结果 ARR=65.6，ARR取值66，因此无法达成10KHz。

可参考下文，通过联动调整样本点数（波点数）与 ARR，寻找最优解，实现精准输出。

五、进阶---频率调整实战

想输出其他频率，只需在核心公式中调整参数即可：

回顾公式：

正弦波频率 = TIM时钟频率 ÷ PSC ÷ ARR ÷ 波点数

当使用相同TIM时钟且PSC=1时，调整原则如下：

提高频率：减小ARR值，或减小波点数
降低频率：增大ARR值，或增加波点数

下面通过 100kHz 和 500Hz 两个实例，演示具体操作及常见误区。

1、编写可调式波形函数

为便于调试，我们将波形生成过程封装为函数，

并把启动TIM 、启动DAC的DMA传输这两条执行语句，也封装进去，以简化调试过程。

实现步骤：

在 main.c 的 /* USER CODE BEGIN 0 */ 与 /* USER CODE END 0 */ 之间添加函数

cpp 复制代码

/******************************************************************************
 * 函数名 : DAC_SineStart
 * 功  能 : 启动DAC正弦波输出 (动态计算波形表) 
 * 备  注 : 1. 波点数可通过宏定义WAVE_POINTS灵活调整; 
 *          2. 波点数的取值，建议根据 TIM时钟频率即值，如84MHz时钟下，取值21、42、84、168等，能令公式整除，以达到精准的波形频率
 *          2. 输出幅值：[MIN_VALUE, MAX_VALUE]（默认 0-4095）
 *          3. 直流偏置：OFFSET（默认 0）
 *          4. TIM6 更新事件触发，DMA 循环模式
 *          5. 上电重新计算表，调试方便；若需提速，可在调试成型后改用 const 静态表
 * 参  数 : 无 (由函数内宏定义控制)
 * 返回值 : 无
 ******************************************************************************/
#include "math.h"

void DAC_SineStart(void)
{
    /* 1、定义参数 */
    #define WAVE_POINTS     128                      // 正弦数据点数; 取值建议根据 TIM时钟频率即值，如84MHz时钟下，取值21、42、84、168等，能令公式整除，以达到精准的波形频率
    #define MIN_VALUE         0                      // 正弦数据最小值; 即，波底的DAC值; 取值范围：0~4095 (对应0V~3.3V); 用于适配不同设备的工作安全范围，减少硬件电路的设计修改;
    #define MAX_VALUE      4095                      // 正弦数据最大值; 即，波顶的DAC值; 取值范围：0~4095 (对应0V~3.3V); 用于适配不同设备的工作安全范围，减少硬件电路的设计修改;
    #define OFFSET            0                      // 偏移量; 控制波形的直流偏置 (垂直位置)
    #define SCALE ((MAX_VALUE - MIN_VALUE) / 2.0)    // 缩放系数; 控制波形的幅度 (振幅大小)
    
    /* 2、开辟缓存 */
    static uint16_t sineData[WAVE_POINTS] = { 0 };   // 存储正弦波点值

    /* 3、生成无缝正弦表
          计算法：上电实时算表
          优点：调试阶段可随时改 WAVE_POINTS / MIN / MAX，方便灵活调试出需要的波形、振幅
          缺点：每次上电运行都得跑一遍 sin()，启动时间随点数线性增加; 调试定型后建议改用 const 静态表，上电即用，零计算延时  
    */
    for (uint16_t i = 0; i < WAVE_POINTS; i++)
    {
        double x = (double)i * (2.0 * 3.14159265 / WAVE_POINTS);              // 周期内均匀采样; 将索引转换为0到2π之间的值
        double sinValue = sin(x);                                             // 计算正弦值
        sineData[i] = (uint16_t)(lround((sinValue + 1.0) * SCALE + OFFSET));  // 缩放和平移正弦值        
        
    }
 
    /* 4、启动 TIM */
    HAL_TIM_Base_Start(&htim6);                                               // 启动TIM。每个更新事件(计数达到一周期)，由硬件发出脉冲信号触发DAC转换一次

    /* 5、启动DAC的DMA传输 */
    HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t *)sineData, WAVE_POINTS, DAC_ALIGN_12B_R);    // 启动DAC通道1的DMA传输，数据输出至PA4引脚
    HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_2, (uint32_t *)sineData, WAVE_POINTS, DAC_ALIGN_12B_R);    // 启动DAC通道2的DMA传输，数据输出至PA5引脚
}

解释、提示

sin() 和 lround() 需要添加文件引用： #include "math.h"

波点样本数，为了示范，也用 128 个波点数。

其余几个参数用于限制振幅，以适用于不同的方案场景，本篇不述。

使用这种实时计算波点样本，可便于调试。定型后改为静态const数组能提升性能。

编写后，位置如下图：

实现步骤：

在main函数的初始化后、while之前, 调用刚才编写的函数

cpp 复制代码

 DAC_SineStart();                 // 启动波形输出

编写完成后，位置如下：

2、实例一：输出100kHz正弦波（高频挑战）

初次尝试。

使用100KHz、128个样本点。

参数计算： (TIM6时钟=84MHz、PSC=1、波点数=128、波形频率=100000)

得到 ARR = 84000000 ÷ 1 ÷ 128 ÷ 100000 = 6.56

寄存器必须是整数，取整后 ARR = 7。

如何修改ARR的值呢？两种操作方法：

CubeMX修改：打开工程文件夹的ioc文件进入CubeMX，修改TIM的period值为 7-1，生成。
代码修改：在keil里双击打开 tim.c 文件，找到MX_TIM6_Init()函数，修改 Period = 7-1

建议使用修改代码的方法，更省工夫。

操作步骤：

打开tim.c文件，找到TIM的初始化函数：MX_TIM6_Init（ )
修改 TIM 初始化中的 htim6.Init.Period = 7-1

修改完成。

编译、烧录，运行效果如下图：

示波器实测，只有46.7KHz, 远远达不到100Khz！

问题根源 ：DAC转换时间不足！

在调试摸索中总结：F407 的 DAC 的转换时间需90ns。

而当前的触发周期：7 ÷ 84MHz ≈ 83ns < 90ns

触发过快导致了转换错误！

疑惑

这个转换时间的测试数据，与芯片手册中的理论转换时间，差距甚大。

若有朋友知道其中原因，望分享。

正确方案：减少采样点数、加大ARR值

将采样点由128减至42。

参数计算： (TIM6时钟=84MHz、PSC=1、波点数=42、波形频率=100000)

ARR = 84000000 ÷ 1 ÷ 42 ÷ 100000 = 20

操作步骤：

修改 WAVE_POINTS 宏值为 42
修改 TIM 初始化中的 htim6.Init.Period = 20-1

编写完成后，如下图：

编译、烧录，实现效果如下图：

解释、提示

1、关于波点数、ARR的取值技巧

为了能精准地实现波形频率，关键在于公式中的 ARR 能被整除。

举例，如F4的TIM6，时钟频率是84MHz，波点数取 21、42、84、168等, ARR容易被整除。

2、关于波形频率的上限

细心的朋友应该发现，上图中，波顶和波底，没有达到满幅的3.3V、0V。

这是因为波点数太少了。增大波点数，如168，可令信号无限接近满幅。

但是，这又回到头痛的问题，增大波点数，需要减小ARR值。而当F407的168MHz时钟下，务必注意 ARR >= 8，即 触发时间 > 90ns，否则转换出错。

补充：有些朋友咨询，如何实现1M、4M的波形。不能！！上面100K已经不能满幅了！！

3、实例二：输出500Hz正弦波（低频实现）

高频应用关注转换速度极限，而低频实现则更侧重于波形精度与平滑度。

下面以输出500Hz正弦波为例，展示不同采样点数对波形质量的影响及参数调整方法。

参数计算：（TIM6时钟=84MHz、PSC=1、波点数=42个、波形频率=500Hz）

ARR = 84000000 ÷ 1 ÷ 42 ÷ 500 = 4000

实现步骤：

修改 WAVE_POINTS 宏值为 42
修改 TIM 初始化中的 htim6.Init.Period = 4000-1

编译、烧录运行后，波形效果如下图：

可生成500Hz正弦波，但波形呈明显阶梯状 ，平滑度差。

这是因为每个周期仅用42个点来描绘，样本点数过低，导致波形失真严重，无法满足大多数对质量有要求的应用。

改进：增加点数至168点的平滑实现

为提高波形质量，将采样点数增加至168点。

参数计算（TIM6时钟84MHz、PSC=1、波点数168个、波形频率500Hz）：

得到 ARR = 84000000 ÷ 168 ÷ 500 = 1000

实现步骤：

修改 WAVE_POINTS 宏值为 168
修改 TIM 初始化中的 htim6.Init.Period = 1000-1

输出效果，如下图：

增加点数后重新运行，波形平滑度得到显著改善。虽然会略微增加内存占用，但对于低频应用，这是提升输出信号质量的必要代价。

至此，我们已完整演示了从固定数组 到动态计算 、从10kHz 到100kHz 高频挑战及500Hz 低频实现的全过程。通过调整采样点数（N） 与定时器周期（ARR） 的配比，即可灵活生成不同频率与精度的正弦波。

教程中的方法、公式及代码均通过实际硬件验证。如有任何疑问或发现错漏，欢迎指正与交流。

【STM32 CubeMX】DAC 输出正弦波

一、前言

二、正弦波频率公式

三、CubeMX 配置

1、DAC 基础 配置

2、DMA 传输 配置

3、TIM 定时器 配置

四、代码实现 --- 正弦表数组法输出信号

1、波形样本数组

2、启动定时器、DAC的DMA传输

3、运行效果

五、进阶---频率调整实战

1、 编写可调式波形函数

2、实例一：输出100kHz正弦波（高频挑战）

3、实例二：输出500Hz正弦波（低频实现）

1、DAC 基础配置

2、DMA 传输配置

3、TIM 定时器配置

1、编写可调式波形函数