二十五章 PWM DAC實(shí)驗(yàn)

上一章，我們介紹了STM32自帶DAC模塊的使用，但不是每個STM32都有DAC模塊的，對于那些沒有DAC模塊的芯片，我們可以通過PWM+RC濾波來實(shí)一個PWM DAC。本章我們將向大家介紹如何使用STM32的PWM來設(shè)計(jì)一個DAC。我們將使用按鍵（或USMART）控制STM32的PWM輸出，從而控制PWM DAC的輸出電壓，通過ADC1的通道1采集PWM DAC的輸出電壓，并在LCD模塊上面顯示ADC獲取到的電壓值以及PWM DAC的設(shè)定輸出電壓值等信息。本章將分為如下幾個部分：

25.1 PWM DAC簡介

25.2 硬件設(shè)計(jì)

25.3 軟件設(shè)計(jì)

25.4 下載驗(yàn)證

25.1 PWM DAC簡介

雖然大容量的STM32F103具有內(nèi)部DAC，但是更多的型號是沒有DAC的，不過STM32所有的芯片都有PWM輸出，因此，我們可以用PWM+簡單的RC濾波來實(shí)現(xiàn)DAC輸出，從而節(jié)省成本。

PWM本質(zhì)上其實(shí)就是是一種周期一定，而高低電平占空比可調(diào)的方波。實(shí)際電路的典型PWM波形，如圖25.1.1所示：

圖25.1.1 實(shí)際電路典型PWM波形

圖25.1.1的PWM波形可以用分段函數(shù)表示為式①：

其中：T是單片機(jī)中計(jì)數(shù)脈沖的基本周期，也就是STM32定時器的計(jì)數(shù)頻率的倒數(shù)。N是PWM波一個周期的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)，也就是STM32的ARR-1的值。n是PWM波一個周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)，也就是STM32的CCRx的值。VH和VL分別是PWM波的高低電平電壓值，k為諧波次數(shù)，t為時間。我們將①式展開成傅里葉級數(shù)，得到公式②：

從②式可以看出，式中第1個方括弧為直流分量，第2項(xiàng)為1次諧波分量，第3項(xiàng)為大于1次的高次諧波分量。式②中的直流分量與n成線性關(guān)系，并隨著n從0到N，直流分量從VL到VL+VH之間變化。這正是電壓輸出的DAC所需要的。因此，如果能把式②中除直流分量外的諧波過濾掉，則可以得到從PWM波到電壓輸出DAC的轉(zhuǎn)換，即：PWM波可以通過一個低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。式②中的第2項(xiàng)的幅度和相角與n有關(guān)，頻率為1/（NT），其實(shí)就是PWM的輸出頻率。該頻率是設(shè)計(jì)低通濾波器的依據(jù)。如果能把1次諧波很好過濾

掉，則高次諧波就應(yīng)該基本不存在了。

通過上面的了解，我們可以得到PWM DAC的分辨率，計(jì)算公式如下：

分辨率=log2（N）

這里假設(shè)n的最小變化為1，當(dāng)N=256的時候，分辨率就是8位。而STM32的定時器都是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。不過我們在本章要設(shè)計(jì)的DAC分辨率為8位。

在8位分辨條件下，我們一般要求1次諧波對輸出電壓的影響不要超過1個位的精度，也就是3.3/256=0.01289V。假設(shè)VH為3.3V，VL為0V，那么一次諧波的最大值是2*3.3/π=2.1V，這就要求我們的RC濾波電路提供至少-20lg(2.1/0.01289)=-44dB的衰減。