【二代示波器教程】第12章 示波器设计—DAC信号发生器的实现

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。

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：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: bsp_InitDAC1

*    功能说明: 配置PA4/DAC1

*    形    参: 无

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void bsp_InitDAC1(void)

{   

     /* 配置GPIO */

     {

         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

         RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

         /* 配置DAC引脚为模拟模式  PA4 / DAC_OUT1 */

         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;

         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;

         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;

         GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

     }   

     /* DAC通道1配置 */

     {

         DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;

         /* 使能DAC时钟 */

         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);    

         DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;  /* 选择软件触发, 软件修改DAC数据寄存器 */

         DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;

         DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;

         //DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;

         DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;

         DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);

         DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);

     }

}

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：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: dac1_InitForDMA

*    功能说明: 配置PA4 为DAC_OUT1, 启用DMA2

*    形    参: _BufAddr : DMA数据缓冲区地址

*               _Count   : 缓冲区样本个数

*             _DacFreq  : DAC样本更新频率

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void dac1_InitForDMA(uint32_t _BufAddr, uint32_t _Count, uint32_t _DacFreq)

{   

     uint16_t usPeriod;

     uint16_t usPrescaler;

     uint32_t uiTIMxCLK;

     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

     DMA_Cmd(DMA1_Stream5, DISABLE);

     DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, DISABLE);

     TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);

     /* TIM6配置 */

     {

         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);

         uiTIMxCLK = SystemCoreClock / ;

         if (_DacFreq < )

         {

              usPrescaler =  - ;                         /* 分频比 = 10000 */

              usPeriod =  (uiTIMxCLK / ) / _DacFreq  - ; /* 自动重装的值 */

         }

         else if (_DacFreq < )

         {

              usPrescaler =  - ;                         /* 分频比 = 100 */

              usPeriod =  (uiTIMxCLK / ) / _DacFreq  - ; /* 自动重装的值 */

         }

         else /* 大于4K的频率，无需分频 */

         {

              usPrescaler = ;                     /* 分频比 = 1 */

              usPeriod = uiTIMxCLK / _DacFreq - ; /* 自动重装的值 */

         }

         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = usPeriod;

         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = usPrescaler;

         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = ;

         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

         TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0x0000;        /* TIM1 和 TIM8 必须设置 */

         TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure);

          /* 选择TIM6做DAC的触发时钟 */

         TIM_SelectOutputTrigger(TIM6, TIM_TRGOSource_Update);

     }

     /* DAC通道1配置 */

     {

         DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;

         /* 使能DAC时钟 */

         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);    

         DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T6_TRGO;

         DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;

         DAC_InitStructure.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;

         //DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable;

         DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;

         DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);

         DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);

     }

     /* DMA1_Stream5配置 */

     {

         DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

         RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);

         /* 配置DMA1 Stream 5 channel 7用于DAC1 */

         DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_7;

         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&DAC->DHR12R1;

         DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = _BufAddr; 

         DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;     

         DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = _Count;

         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;

         DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;

         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;

         DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;

         DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;

         DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;

         DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;

         DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;

         DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;

         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;

         DMA_Init(DMA1_Stream5, &DMA_InitStructure);

         DMA_Cmd(DMA1_Stream5, ENABLE);

         /* 使能DAC通道1的DMA */

         DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, ENABLE);

     }

     /* 使能定时器 */

     TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);

}

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：

/*

********************************************************************************

system_stm32f4xx.c 文件中 void SetSysClock(void) 函数对时钟的配置如下：

HCLK = SYSCLK / 1     (AHB1Periph)

PCLK2 = HCLK / 2      (APB2Periph)

PCLK1 = HCLK / 4      (APB1Periph)

因为APB1 prescaler != 1, 所以 APB1上的TIMxCLK = PCLK1 x 2 = SystemCoreClock / 2;

因为APB2 prescaler != 1, 所以 APB2上的TIMxCLK = PCLK2 x 2 = SystemCoreClock;

APB1 定时器有 TIM2, TIM3 ,TIM4, TIM5, TIM6, TIM7, TIM12, TIM13, TIM14

APB2 定时器有 TIM1, TIM8 ,TIM9, TIM10, TIM11

TIM 更新周期是 = TIMCLK / （TIM_Period + 1）/（TIM_Prescaler + 1）

********************************************************************************

*/

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：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: dac1_SetSinWave

*    功能说明: DAC1输出正弦波

*    形    参: _vpp : 幅度 0-4095;

*               _freq : 频率

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void dac1_SetSinWave(uint16_t _vpp, uint32_t _freq)

{   

     uint32_t i;

     uint32_t dac;

     TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);

     /* 调整正弦波幅度 */       

     for (i = ; i < ; i++)

     {

         dac = (g_SineWave128[i] * _vpp) / ;

         if (dac > )

         {

              dac = ;  

         }

         g_Wave1[i] = dac;

     }

     dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, , _freq * );

}

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：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: dac1_SetRectWave

*    功能说明: DAC1输出方波

*    形    参: _low  : 低电平时DAC,

*               _high : 高电平时DAC

*               _freq : 频率 Hz

*               _duty : 占空比 2% - 98%, 调节步数 1%

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void dac1_SetRectWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)

{   

     uint16_t i;

     TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);

     for (i = ; i < (_duty * ) / ; i++)

     {

         g_Wave1[i] = _high;

     }

     for (; i < ; i++)

     {

         g_Wave1[i] = _low;

     }

     dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, , _freq * );

}

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：

/*

*********************************************************************************************************

*    函 数 名: dac1_SetTriWave

*    功能说明: DAC1输出三角波

*    形    参: _low : 低电平时DAC,

*               _high : 高电平时DAC

*               _freq : 频率 Hz

*               _duty : 占空比

*    返 回 值: 无

*********************************************************************************************************

*/

void dac1_SetTriWave(uint16_t _low, uint16_t _high, uint32_t _freq, uint16_t _duty)

{   

     uint32_t i;

     uint16_t dac;

     uint16_t m;

     TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);

     /* 构造三角波数组，128个样本，从 _low 到 _high */      

     m = (_duty * ) / ;

     if (m == )

     {

         m = ;

     }

     if (m > )

     {

         m = ;

     }

     for (i = ; i < m; i++)

     {

         dac = _low + ((_high - _low) * i) / m;

         g_Wave1[i] = dac;

     }

     for (; i < ; i++)

     {

         dac = _high - ((_high - _low) * (i - m)) / ( - m);

         g_Wave1[i] = dac;

     }   

     dac1_InitForDMA((uint32_t)&g_Wave1, , _freq * );

}

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)。

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://forum.armfly.com/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://forum.armfly.com/forum.php?mod=viewthread&tid=23687 。

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：

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。