DAC数模转换

1. DAC简介

DAC（digital to analog converter）即数模转换器，它可以将数字信号转换为模拟信号，它的功能与ADC相反。在常见的数字信号系统中，大部分传感器信号被转化成电压信号，而ADC把电压模拟信号转换成易于计算机存储、处理的数字编码，由计算机处理完成后，再由DAC输出电压模拟信号来驱动某些执行器件，使人类易于感知。如音频信号的采集和还原就是这样的一个过程
STM32F1的DAC模块是12位数字输入，电压输出型的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位模式下时，数据可以设置为左对齐或右对齐。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。DAC结构框图如下示：

STM32CubeMX系列|DAC数模转换_单片机
STM32CubeMX系列|DAC数模转换_stm32_02

  • VDDA和VSSA是DAC模块的供电引脚，VREF+是DAC模块的参考电压，DAC_OUTx是DAC的输出通道；当参考电压为VREF+时，DAC的输出电压是线性的（0~ VREF+），12位模式下DAC输出电压计算公式如下：

DACx 输出电压 = VREF+ * ( DORx / 4095 )

  • DAC输出是受DORx 寄存器直接控制的，但是不能直接往DORx 寄存器写入数据，而是要通过DHRx间接的传给DORx 寄存器，实现对DAC输出的控制。如果未选择硬件触发，1个APB1时钟周期后，DHRx中存储的数据将自动转移到DORx 寄存器；如果选择硬件触发，将在3个APB1时钟周期后进行转移
  • 当DORx加载了DHRx内容时，模拟输出电压将在一端时间tSETTING后可用，具体取决于电源电压和模拟输出负载，可以从数据手册查到tSETTING的典型值为3us，最大值为4us，因此DAC的转换速度最快是250K左右

STM32CubeMX系列|DAC数模转换_c语言_03

  • DAC可通过外部事件（定时器、外部中断线）触发转换，外部触发源列表如下示

STM32CubeMX系列|DAC数模转换_数据_04

2. 硬件设计

本实验通过D1指示灯来提示系统运行状态，K_UP用来增加DAC输入值，K_DOWN用来减少DAC输入值，输入值的改变将控制DAC_OUT1的电压输出，通过USART1将输出的电压值打印出来

  • D1指示灯
  • DAC_OUT1（PA4）
  • USART1串口
  • K_UP和K_DOWN按键

3. 软件设计

3.1 STM32CubeMX设置
  • RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
  • PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
  • USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位
  • PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE3设置为GPIO输入模式、上拉模式
  • 激活DAC_OUT1，关闭输出缓冲，不使用触发功能

STM32CubeMX系列|DAC数模转换_单片机_05

  • 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码
3.2 MDK-ARM编程
  • 在dac.c文件中可以看到DAC初始化相关函数
void MX_DAC_Init(void){
  DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  /** DAC Initialization */
  hdac.Instance = DAC;
  if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
  /** DAC channel OUT1 config */
  sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;	//不使用触发功能
  sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_DISABLE;	//输出缓冲关闭
  if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* dacHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(dacHandle->Instance==DAC)  {
  /* DAC clock enable */
  __HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();	//使能DAC时钟
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();	
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;	//模拟
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}
  • 创建按键驱动文件key.c 和相关头文件key.h
uint8_t KEY_Scan(uint8_t mode){
	static uint8_t key = 1;		
	if(mode == 1){						
		key = 1;
	}
	
	if(key&&(KEY_UP==1||KEY_DOWN==0||KEY_LEFT==0||KEY_RIGHT==0)){
		HAL_Delay(10);					
		key = 0;
		if(KEY_UP==1)				return KEY_UP_PRES;
		else if(KEY_DOWN==0)		return KEY_DOWN_PRES; 
		else if(KEY_LEFT==0)		return KEY_LEFT_PRES; 
		else if(KEY_RIGHT==0)		return KEY_RIGHT_PRES; 
	}
	else if(KEY_UP==0&&KEY_DOWN==1&&KEY_LEFT==1&&KEY_RIGHT==1){
		key = 1;
	}	
	return 0;
}
  • 在main.c文件下编写DAC测试代码
int main(void){
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint16_t dac_val;		//读取的DAC值
  float dac_vol;		//转换后的电压值
  uint8_t t = 0;
  uint16_t dac_setval = 0;	//DAC设置值
  uint8_t key;
  /* USER CODE END 1 */
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_DAC_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_DAC_Start(&hdac,DAC_CHANNEL_1);	//开启DAC通道1
  HAL_DAC_SetValue(&hdac,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,0);	//设置初始值为0
  /* USER CODE END 2 */
  while (1){
    t++;
		key = KEY_Scan(0);
		if(key == KEY_UP_PRES){
			if(dac_setval < 4000)
				dac_setval += 200;
			HAL_DAC_SetValue(&hdac,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,dac_setval);
		}
		else if(key == KEY_DOWN_PRES){
			if(dac_setval > 200)
				dac_setval -= 200;
			else
				dac_setval = 0;
			HAL_DAC_SetValue(&hdac,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,dac_setval);
		}
		
		if(t == 10 || key == KEY_UP_PRES || key == KEY_DOWN_PRES){	//按键按下了或定时时间到
			dac_val = HAL_DAC_GetValue(&hdac,DAC_CHANNEL_1);
			printf("DAC_OUT1 DAC value: %d\r\n",dac_val);
			dac_vol = dac_val * (3.3/4096);
			printf("DAC_OUT1 VOL value: %.2fV\r\n",dac_vol);
			printf("\r\n");
			t = 0;
		}
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
		HAL_Delay(100);
  }
}

4. 下载验证

编译无误后下载到开发板，可用看到D1指示灯不断闪烁，同时打印出DAC通道1的DAC值和电压值，当按下K_UP按键输出电压增大，按下K_DOWN按键输出电压减小

STM32CubeMX系列|DAC数模转换_c语言_06

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STM32CubeMX系列|DAC数模转换_stm32_07