【安富莱二代示波器教程】第12章 示波器设计—DAC信号发生器的实现

席萌0209

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第12章      示波器设计—DAC信号发生器的实现

    本章节为大家讲解二代示波器中信号发生器的实现。这个功能还是比较实用的，方便为二代示波器提供测试信号。实现了正弦波，方波和三角波的频率，幅度以及占空比设置。

12.1   DAC的输出阻抗和使能缓冲问题

12.2   DAC驱动实现

12.3   信号发生器配置界面设计

12.4   信号发生器波形显示效果

12.5   总结

12.1  DAC的输出阻抗和使能缓冲问题

    我们这里把F429的输出阻抗和使能缓冲问题放在最前面说。

    使能了多缓冲后发现有失真问题，即满幅输出的时候有削顶和削底，而禁止了输出缓冲会导致输出阻抗仅有10KΩ左右，外接负载很容易造成分压（可以根据实际情况，外接运放输出）。

    F429的手册中对于DAC的几个关键特性说明如下：

1、开启缓冲的时候，外接的负载阻抗最小得是5KΩ。

2、禁止缓冲的时候，DAC输出阻抗最大可达15KΩ，比如要实现1%精度的输出，外接负载阻抗至少得是1.5MΩ。

3、开启缓冲的时候，最小输出电压0.2V，最大Vdda - 0.2V，这个应该是造成削顶问题的根本原因。

4、禁止缓冲的时候，最小输出电压的典型值是0.5mV，最大输出是Vref - 1LSB。基本正好满幅输出，所以效果比较好。

F429数据手册中几个关键参数的截图：

                              

缓冲和外接负载时的框图：

禁止缓冲时，满幅输出效果比较漂亮：

使能缓冲时，满幅输出效果，出现削顶问题：

有了上面的感性认识后，下面为大家讲解DAC的驱动实现和相应的GUI界面实现。

席萌0209

12.2  DAC驱动实现

    F429带有两个DAC，分别是DAC1和DAC2，我们这里使用了DAC1，驱动中还需要用到TIM6和DMA，方便我们配置不同的的频率，占空比和幅值。

12.2.1  第1步：引脚配置和DAC配置

    配置代码如下，使用的PA4引脚做输出：

1. /*
   
2. 
   
3. *********************************************************************************************************
   
4. 
   
5. *    函 数 名: bsp_InitDAC1
   
6. 
   
7. *    功能说明: 配置PA4/DAC1
   
8. 
   
9. *    形    参: 无
   
10. 
    
11. *    返 回 值: 无
    
12. 
    
13. *********************************************************************************************************
    
14. 
    
15. */
    
16. 
    
17. void bsp_InitDAC1(void)
    
18. 
    
19. {   
    
20. 
    
21.      /* 配置GPIO */
    
22. 
    
23.      {
    
24. 
    
25.          GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
26. 
    
27.         
    
28. 
    
29.          RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    
30. 
    
31.         
    
32. 
    
33.          /* 配置DAC引脚为模拟模式  PA4 / DAC_OUT1 */
    
34. 
    
35.          GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    
36. 
    
37.          GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
    
38. 
    
39.          GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;
    
40. 
    
41.          GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
42. 
    
43.      }   
    
44. 
    
45. 
    
46. 
    
47.      /* DAC通道1配置 */
    
48. 
    
49.      {
    
50. 
    
51.          DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
    
52. 
    
53.         
    
54. 
    
55.          /* 使能DAC时钟 */
    
56. 
    
57.          RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);   
    
58. 
    
59. 
    
60. 
    
61.          DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;  /* 选择软件触发, 软件修改DAC数据寄存器 */
    
62. 
    
63.          DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
    
64. 
    
65.          DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
    
66. 
    
67.          //DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;
    
68. 
    
69.          DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
    
70. 
    
71.          DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
    
72. 
    
73.          DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
    
74. 
    
75.      }
    
76. 
    
77. }

复制代码

特别注意。程序中关闭了DAC输出缓冲，即DAC参数成员DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer。关于DAC的缓冲问题，看前面12.1小节说明即可。

12.2.2 第2步：DAC的定时器触发和DMA配置

    DAC的定时器触发和DMA配置如下：

1. /*
   
2. 
   
3. *********************************************************************************************************
   
4. 
   
5. *    函 数 名: dac1_InitForDMA
   
6. 
   
7. *    功能说明: 配置PA4 为DAC_OUT1, 启用DMA2
   
8. 
   
9. *    形    参: _BufAddr : DMA数据缓冲区地址
   
10. 
    
11. *               _Count   : 缓冲区样本个数
    
12. 
    
13. *             _DacFreq  : DAC样本更新频率
    
14. 
    
15. *    返 回 值: 无
    
16. 
    
17. *********************************************************************************************************
    
18. 
    
19. */
    
20. 
    
21. void dac1_InitForDMA(uint32_t _BufAddr, uint32_t _Count, uint32_t _DacFreq)
    
22. 
    
23. {   
    
24. 
    
25.      uint16_t usPeriod;
    
26. 
    
27.      uint16_t usPrescaler;
    
28. 
    
29.      uint32_t uiTIMxCLK;
    
30. 
    
31.      TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    
32. 
    
33.    
    
34. 
    
35.      DMA_Cmd(DMA1_Stream5, DISABLE);
    
36. 
    
37.      DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, DISABLE);
    
38. 
    
39.      TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
    
40. 
    
41.    
    
42. 
    
43. 
    
44. 
    
45.      /* TIM6配置 */
    
46. 
    
47.      {
    
48. 
    
49.          RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);
    
50. 
    
51. 
    
52. 
    
53.          uiTIMxCLK = SystemCoreClock / 2;
    
54. 
    
55.         
    
56. 
    
57.          if (_DacFreq < 100)
    
58. 
    
59.          {
    
60. 
    
61.               usPrescaler = 10000 - 1;                         /* 分频比 = 10000 */
    
62. 
    
63.               usPeriod =  (uiTIMxCLK / 10000) / _DacFreq  - 1; /* 自动重装的值 */
    
64. 
    
65.          }
    
66. 
    
67.          else if (_DacFreq < 3000)
    
68. 
    
69.          {
    
70. 
    
71.               usPrescaler = 100 - 1;                         /* 分频比 = 100 */
    
72. 
    
73.               usPeriod =  (uiTIMxCLK / 100) / _DacFreq  - 1; /* 自动重装的值 */
    
74. 
    
75.          }
    
76. 
    
77.          else /* 大于4K的频率，无需分频 */
    
78. 
    
79.          {
    
80. 
    
81.               usPrescaler = 0;                     /* 分频比 = 1 */
    
82. 
    
83.               usPeriod = uiTIMxCLK / _DacFreq - 1; /* 自动重装的值 */
    
84. 
    
85.          }
    
86. 
    
87. 
    
88. 
    
89.          TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = usPeriod;
    
90. 
    
91.          TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = usPrescaler;
    
92. 
    
93.          TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    
94. 
    
95.          TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    
96. 
    
97.          TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0x0000;        /* TIM1 和 TIM8 必须设置 */
    
98. 
    
99. 
    
100. 
     
101.          TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure);
     
102. 
     
103. 
     
104. 
     
105.           /* 选择TIM6做DAC的触发时钟 */
     
106. 
     
107.          TIM_SelectOutputTrigger(TIM6, TIM_TRGOSource_Update);
     
108. 
     
109.      }
     
110. 
     
111. 
     
112. 
     
113.      /* DAC通道1配置 */
     
114. 
     
115.      {
     
116. 
     
117.          DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
     
118. 
     
119.         
     
120. 
     
121.          /* 使能DAC时钟 */
     
122. 
     
123.          RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);   
     
124. 
     
125. 
     
126. 
     
127.          DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T6_TRGO;
     
128. 
     
129.          DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
     
130. 
     
131.          DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
     
132. 
     
133.          //DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;
     
134. 
     
135.          DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
     
136. 
     
137.          DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
     
138. 
     
139.          DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
     
140. 
     
141.      }
     
142. 
     
143. 
     
144. 
     
145.      /* DMA1_Stream5配置 */
     
146. 
     
147.      {
     
148. 
     
149.          DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
     
150. 
     
151. 
     
152. 
     
153.          RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);
     
154. 
     
155. 
     
156. 
     
157.          /* 配置DMA1 Stream 5 channel 7用于DAC1 */
     
158. 
     
159.          DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_7;
     
160. 
     
161.          DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&DAC->DHR12R1;
     
162. 
     
163.          DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = _BufAddr;
     
164. 
     
165.          DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;     
     
166. 
     
167.          DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = _Count;
     
168. 
     
169.          DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
     
170. 
     
171.          DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
     
172. 
     
173.          DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
     
174. 
     
175.          DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
     
176. 
     
177.          DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
     
178. 
     
179.          DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
     
180. 
     
181.          DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
     
182. 
     
183.          DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
     
184. 
     
185.          DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
     
186. 
     
187.          DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
     
188. 
     
189.          DMA_Init(DMA1_Stream5, &DMA_InitStructure);
     
190. 
     
191.          DMA_Cmd(DMA1_Stream5, ENABLE);
     
192. 
     
193. 
     
194. 
     
195.          /* 使能DAC通道1的DMA */
     
196. 
     
197.          DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
     
198. 
     
199.      }
     
200. 
     
201. 
     
202. 
     
203.      /* 使能定时器 */
     
204. 
     
205.      TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);
     
206. 
     
207. }

复制代码

通过这个函数可以方便的设置DAC的输出波形频率。计算方法是：

配置的定时器触发频率 / DMA的缓冲个数 = 输出波形频率

其中DMA缓冲数据的个数就是输出波形一个周期的采样点数。程序中统一将其配置为128个点代表一个周期的波形，大家实际应用中配置的点数不要太少，否则波形不够漂亮。比如我们要出10KHz的波形，这个函数的配置就是：dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1,128, 10000 * 128); 数组g_Wave1里面是128个波形采样点。

   关于这个驱动代码，要注意TIM6的配置。F429的定时器从TIM1到TIM14的主频如下：

1. /*
   
2. 
   
3. ********************************************************************************
   
4. 
   
5. system_stm32f4xx.c 文件中 void SetSysClock(void) 函数对时钟的配置如下：
   
6. 
   
7. 
   
8. 
   
9. HCLK = SYSCLK / 1     (AHB1Periph)
   
10. 
    
11. PCLK2 = HCLK / 2      (APB2Periph)
    
12. 
    
13. PCLK1 = HCLK / 4      (APB1Periph)
    
14. 
    
15. 
    
16. 
    
17. 因为APB1 prescaler != 1, 所以 APB1上的TIMxCLK = PCLK1 x 2 = SystemCoreClock / 2;
    
18. 
    
19. 因为APB2 prescaler != 1, 所以 APB2上的TIMxCLK = PCLK2 x 2 = SystemCoreClock;
    
20. 
    
21. 
    
22. 
    
23. APB1 定时器有 TIM2, TIM3 ,TIM4, TIM5, TIM6, TIM7, TIM12, TIM13, TIM14
    
24. 
    
25. APB2 定时器有 TIM1, TIM8 ,TIM9, TIM10, TIM11
    
26. 
    
27. 
    
28. 
    
29. TIM 更新周期是 = TIMCLK / （TIM_Period + 1）/（TIM_Prescaler + 1）
    
30. 
    
31. ********************************************************************************
    
32. 
    
33. */

复制代码

由此可知，TIM6的主频是SystemCoreClock / 2。当主频是168MHz时，TIM6的时钟就是84MHz，TIM6更新周期 = TIM6CLK / （TIM_Period + 1）/（TIM_Prescaler+ 1），其中

TIM_Period就是定时器结构体成员TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period。

TIM_Prescaler就是定时器结构体成员TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler。

另外还有非常重要的一点，TIM6是16位定时器，这两个参范围是0-65535，切不要超过65535。正是因为这个原因，程序中对不同的输出频率做了范围区分。

12.2.3 第3步：正弦波输出配置

    正弦波的输出配置如下：

1. /*
   
2. 
   
3. *********************************************************************************************************
   
4. 
   
5. *    函 数 名: dac1_SetSinWave
   
6. 
   
7. *    功能说明: DAC1输出正弦波
   
8. 
   
9. *    形    参: _vpp : 幅度 0-4095;
   
10. 
    
11. *               _freq : 频率
    
12. 
    
13. *    返 回 值: 无
    
14. 
    
15. *********************************************************************************************************
    
16. 
    
17. */
    
18. 
    
19. void dac1_SetSinWave(uint16_t _vpp, uint32_t _freq)
    
20. 
    
21. {   
    
22. 
    
23.      uint32_t i;
    
24. 
    
25.      uint32_t dac;
    
26. 
    
27.    
    
28. 
    
29.      TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
    
30. 
    
31.         
    
32. 
    
33.      /* 调整正弦波幅度 */      
    
34. 
    
35.      for (i = 0; i < 128; i++)
    
36. 
    
37.      {
    
38. 
    
39.          dac = (g_SineWave128[i] * _vpp) / 4095;
    
40. 
    
41.          if (dac > 4095)
    
42. 
    
43.          {
    
44. 
    
45.               dac = 4095;  
    
46. 
    
47.          }
    
48. 
    
49.          g_Wave1[i] = dac;
    
50. 
    
51.      }
    
52. 
    
53.    
    
54. 
    
55.      dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
    
56. 
    
57. }

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正弦波输出128个采样点代表一个周期，同时程序里面增加了一个幅值设置功能，范围0到4095。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095正弦波，那么配置就是：dac1_SetSinWave(4095, 10000)。

12.2.4 第4步：方波输出配置

    方波的输出配置如下：

1. /*
   
2. 
   
3. *********************************************************************************************************
   
4. 
   
5. *    函 数 名: dac1_SetRectWave
   
6. 
   
7. *    功能说明: DAC1输出方波
   
8. 
   
9. *    形    参: _low  : 低电平时DAC,
   
10. 
    
11. *               _high : 高电平时DAC
    
12. 
    
13. *               _freq : 频率 Hz
    
14. 
    
15. *               _duty : 占空比 2% - 98%, 调节步数 1%
    
16. 
    
17. *    返 回 值: 无
    
18. 
    
19. *********************************************************************************************************
    
20. 
    
21. */
    
22. 
    
23. void dac1_SetRectWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)
    
24. 
    
25. {   
    
26. 
    
27.      uint16_t i;
    
28. 
    
29.      TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
    
30. 
    
31.    
    
32. 
    
33.      for (i = 0; i < (_duty * 128) / 100; i++)
    
34. 
    
35.      {
    
36. 
    
37.          g_Wave1[i] = _high;
    
38. 
    
39.      }
    
40. 
    
41.      for (; i < 128; i++)
    
42. 
    
43.      {
    
44. 
    
45.          g_Wave1[i] = _low;
    
46. 
    
47.      }
    
48. 
    
49.    
    
50. 
    
51.      dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
    
52. 
    
53. }

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方波也是输出128个采样点代表一个周期，同时支持幅值和占空比的配置，其中占空比可以配置2%到98%，直接填数值2到98就可以了。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095，占空比50%的方波，那么配置就是：

dac1_SetRectWave(0, 4095, 10000, 50)。

12.2.5 第5步：三角波输出配置

    三角波的输出配置如下：

1. /*
   
2. 
   
3. *********************************************************************************************************
   
4. 
   
5. *    函 数 名: dac1_SetTriWave
   
6. 
   
7. *    功能说明: DAC1输出三角波
   
8. 
   
9. *    形    参: _low : 低电平时DAC,
   
10. 
    
11. *               _high : 高电平时DAC
    
12. 
    
13. *               _freq : 频率 Hz
    
14. 
    
15. *               _duty : 占空比
    
16. 
    
17. *    返 回 值: 无
    
18. 
    
19. *********************************************************************************************************
    
20. 
    
21. */
    
22. 
    
23. void dac1_SetTriWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)
    
24. 
    
25. {   
    
26. 
    
27.      uint32_t i;
    
28. 
    
29.      uint16_t dac;
    
30. 
    
31.      uint16_t m;
    
32. 
    
33.    
    
34. 
    
35.      TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);
    
36. 
    
37.          
    
38. 
    
39.      /* 构造三角波数组，128个样本，从 _low 到 _high */      
    
40. 
    
41.      m = (_duty * 128) / 100;
    
42. 
    
43.    
    
44. 
    
45.      if (m == 0)
    
46. 
    
47.      {
    
48. 
    
49.          m = 1;
    
50. 
    
51.      }
    
52. 
    
53.    
    
54. 
    
55.      if (m > 127)
    
56. 
    
57.      {
    
58. 
    
59.          m = 127;
    
60. 
    
61.      }
    
62. 
    
63.      for (i = 0; i < m; i++)
    
64. 
    
65.      {
    
66. 
    
67.          dac = _low + ((_high - _low) * i) / m;
    
68. 
    
69.          g_Wave1[i] = dac;
    
70. 
    
71.      }
    
72. 
    
73.      for (; i < 128; i++)
    
74. 
    
75.      {
    
76. 
    
77.          dac = _high - ((_high - _low) * (i - m)) / (128 - m);
    
78. 
    
79.          g_Wave1[i] = dac;
    
80. 
    
81.      }   
    
82. 
    
83.    
    
84. 
    
85.      dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, 128, _freq * 128);
    
86. 
    
87. }

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三角波也是输出128个采样点代表一个周期，同时支持幅值和占空比的配置，其中占空比可以配置0%到100%，不过程序中对0%和100%做了一个特殊处理。实际DAC输出的波形频率由前面第2步函数dac1_InitForDMA实现。比如我们要实现频率10KHz，幅值4095，占空比50%的三角波，那么配置就是：dac1_SetTriWave (0, 4095, 10000, 50)。

席萌0209

12.3 信号发生器配置界面设计

    信号发生器的界面设计如下：

                              

这个操作界面简单易用，支持正弦波，方波和三角波的切换，支持占空比设置，支持幅值设置，同时也支持频率设置，限制频率范围1Hz到50KHz。超过50KHz的话，波形效果会变的越来越差。

    关于这个对话框的代码实现就不在教程里面做讲解了，我们这里主要讲解下对话框上的小键盘实现。这里小键盘是一个独立的窗口，父窗口是信号发生器主窗口，通过函数WM_SendMessageNoPara发自定义消息给父窗口，在父窗口里面更新Graph控件的波形和波形信息，同时DAC的波形输出也得到更新。了解了这知识点后，再看代码就比较容易了。

知识点拓展：

    新版emWin教程第51章：实用的官方小键盘实例讲解：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=19834 。

    另外还有emWin提高篇例子的第一期ATM机里面也有用到小键盘。

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=23687 。

席萌0209

12.4 信号发生器波形显示效果

    下面为大家展示信号发生器输出波形效果：

方波：

                              

正弦波：

三角波：

席萌0209

12.5   总结

    本章节为大家讲解的信号发生器还是比较实用的，建议实际动手操作下，有兴趣的话，还可以进一步优化升级。

1393068761

h750最大可以输出多少hz的正弦波

1393068761

h750最大可以输出多少HZ的正弦波？