原创 【连载】【ALIENTEK 战舰STM32开发板】STM32开发指南--第二十五章 PWM DAC实验

二十五章 PWM DAC实验     

        上一章，我们介绍了STM32自带DAC模块的使用，但不是每个STM32都有DAC模块的，对于那些没有DAC模块的芯片，我们可以通过PWM+RC滤波来实一个PWM DAC。本章我们将向大家介绍如何使用STM32的PWM来设计一个DAC。我们将使用按键（或USMART）控制STM32的PWM输出，从而控制PWM DAC的输出电压，通过ADC1的通道1采集PWM DAC的输出电压，并在LCD模块上面显示ADC获取到的电压值以及PWM DAC的设定输出电压值等信息。本章将分为如下几个部分：

25.1 PWM DAC简介

25.2 硬件设计

25.3 软件设计

25.4 下载验证

25.1 PWM DAC简介

虽然大容量的STM32F103具有内部DAC，但是更多的型号是没有DAC的，不过STM32所有的芯片都有PWM输出，因此，我们可以用PWM+简单的RC滤波来实现DAC输出，从而节省成本。

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，如图25.1.1所示：

图25.1.1 实际电路典型PWM波形

       图25.1.1的PWM波形可以用分段函数表示为式①：

       其中：T是单片机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。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。

       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。

战舰STM32开发板的PWM DAC输出采用二阶RC滤波，该部分原理图如图25.1.2所示：

图25.1.2 PWM DAC二阶RC滤波原理图

       二阶RC滤波截止频率计算公式为：

f=1/2πRC

       以上公式要求R28*C37=R29*C38=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的原理部分，就为大家介绍到这里。

25.2硬件设计

本章用到的硬件资源有：

1）  指示灯DS0

2）  WK_UP和KEY1按键

3）  串口

4）  TFTLCD模块

5）  ADC

6）  PWM DAC

本章，我们使用STM32的TIM4_CH1(PB6)输出PWM，经过二阶RC滤波后，转换为直流输出，实现PWM DAC。同上一章一样，我们通过ADC1的通道1（PA1）读取PWM DAC的输出，并在LCD模块上显示相关数值，通过按键和USMART控制PWM DAC的输出值。我们需要用到ADC采集DAC的输出电压，所以需要在硬件上将PWM DAC和ADC短接起来，PWM DAC部分原理图如图25.2.1所示：

图25.2.1 PWM DAC原理图

       在硬件上，我们还需要用跳线帽短接多功能端口的PDC和ADC，如图25.2.2所示：

图25.2.2 硬件连接示意图

实在要吐槽下EDN China的编辑器，没输入几个字就不行了，我也没办法了，大家下载附件看吧。sorry。