2019年03月12日 | 【STM32】PWM DAC基本原理（实验：PWM实现DAC）

虽然STM32F103ZET6具有内部DAC，但是也仅仅只有两条DAC通道，并且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。

PWM DAC

PWM DAC的构成原理

PWM本质上其实就是是一种周期一定，而高低电平占空比可调的方波。实际电路的典型PWM波形，如下图所示：

针对PWM的波形进行以下分析：

高电平阶段：计数器当前值从0-CCRx阶段（总时间=CCRx*每两个计数之间的间隔时间）；

低电平阶段：计数器当前值从CCRx-ARR-1阶段（总时间=（ARR-1-CCRx）*每两个计数之间的间隔时间）。

如果PWM内容如果不太懂，可以参考链接：【STM32】通用定时器的PWM输出（实例：PWM输出）。

根据PWM的波形，可以用分段函数来进行表示：

其中：T是STM32中计数脉冲的基本周期，也就是STM32定时器的计数频率的倒数；N是PWM波一个周期的计数脉冲个数，也就是STM32的ARR-1的值；n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数，也就是STM32的CCRx的值；VH和VL分别是PWM波的高低电平电压值；k为谐波次数；t为时间。

我们将分段函数①式展开成傅里叶级数，得到公式②：

从②式可以看出，式中第1个方括弧为直流分量，第2项为1次谐波分量，第3项为大于1次的高次谐波分量。

式②中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0到N，直流分量从VL到VL+VH之间变化。而STM32的DAC功能也就是电压输出，这正是电压输出的DAC所需要的。

因此，如果能把式②中除直流分量外的谐波过滤掉，则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换，即：PWM波可以通过一个低通滤波器进行解调。式②中的第2项的幅度和相角与n有关，频率为1/（NT），其实就是PWM的输出频率。该频率是设计低通滤波器的依据。如果能把1次谐波很好过滤掉，则高次谐波就应该基本不存在了。

PWM DAC的具体实现

通过上面的了解，我们可以得到PWM DAC的分辨率，计算公式如下：分辨率=log2（N）

这里假设n的最小变化为1，当N=256的时候，分辨率就是8位。而STM32的定时器都是16位的，可以很容易得到更高的分辨率，分辨率越高，速度就越慢。不过我们在本章要设计的DAC分辨率为8位。

在8位分辨条件下，我们一般要求1次谐波对输出电压的影响不要超过1个位的精度，也就是3.3/256=0.01289V。假设VH为3.3V，VL为0V，那么一次谐波的最大值是2*3.3/π=2.1V，这就要求我们的RC滤波电路提供至少-20lg(2.1/0.01289)=-44dB的衰减。

STM32的定时器最快的计数频率是72Mhz，8为分辨率的时候，PWM频率为72M/256=281.25Khz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率为1.77Khz，如果为2阶RC滤波，则要求截止频率为22.34Khz。

二阶RC滤波截止频率计算公式为：f=1/2πRC

以上公式要求R55=R56=R，C63=C64=C(R55*C63=R56*C64=RC)。根据这个公式，我们计算出图25.1.2的截止频率为：33.8Khz超过了22.34Khz，这个和我们前面提到的要求有点出入，原因是该电路我们还需要用作PWM DAC音频输出，而音频信号带宽是22.05Khz，为了让音频信号能够通过该低通滤波，同时为了标准化参数选取，所以确定了这样的参数。实测精度在0.5LSB以内。

PWM DAC实例

硬件连接

单片机：STM32F103ZET6

硬件资源：指示灯DS0，WK_UP和KEY1按键，ADC，PWM DAC

具体的硬件连接的图如下所示：

STM32控制程序

//设置输出电压

//vol:0~330,代表0~3.3V

void PWM_DAC_Set(u16 vol)

{

float temp=vol;

temp/=100;

temp=temp*256/3.3;

TIM_SetCompare1(TIM1,temp);

}

 int main(void)

 {  

u16 adcx;

float temp;

  u8 t=0;  

u16 pwmval=0;

u8 key;

delay_init();     //延时函数初始化   

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级

uart_init(115200); //串口初始化为115200

KEY_Init();   //KEY初始化

  LED_Init();      //LED端口初始化

usmart_dev.init(72); //初始化USMART

LCD_Init(); //LCD初始化

  Adc_Init();   //ADC初始化

TIM1_PWM_Init(255,0); //TIM1 PWM初始化, Fpwm=72M/256=281.25Khz.

  TIM_SetCompare1(TIM1,100);//初始值为0

  POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色 

LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"WarShip STM32");

LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"PWM DAC TEST");

LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");

LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2015/1/15");

LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"WK_UP:+  KEY1:-");

//显示提示信息       

POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色

LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"PWM VAL:");       

LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"DAC VOL:0.000V");       

LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"ADC VOL:0.000V");

TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval);//初始值           

while(1)

{

t++;

key=KEY_Scan(0);   

if(key==WKUP_PRES)

{  

if(pwmval<250)pwmval+=10;

TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval); //输出

}else if(key==KEY1_PRES)

{

if(pwmval>10)pwmval-=10;

else pwmval=0;

TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval); //输出

}  

if(t==10||key==KEY1_PRES||key==WKUP_PRES) //WKUP/KEY1按下了,或者定时时间到了

{   

adcx=TIM_GetCapture1(TIM1);

LCD_ShowxNum(124,150,adcx,4,16,0);      //显示DAC寄存器值

temp=(float)adcx*(3.3/256); //得到DAC电压值

adcx=temp;

  LCD_ShowxNum(124,170,temp,1,16,0);      //显示电压值整数部分

  temp-=adcx;

temp*=1000;

LCD_ShowxNum(140,170,temp,3,16,0x80); //显示电压值的小数部分

  adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,20);  //得到ADC转换值   

temp=(float)adcx*(3.3/4096); //得到ADC电压值

adcx=temp;

  LCD_ShowxNum(124,190,temp,1,16,0);      //显示电压值整数部分

  temp-=adcx;

temp*=1000;

LCD_ShowxNum(140,190,temp,3,16,0x80); //显示电压值的小数部分

t=0;

LED0=!LED0;    

}     

delay_ms(10);

}

 }