DAC

Posted 2022-11-28 Bruceoxl

开发环境：
MDK：Keil 5.30
开发板：GD32F207I-EVAL
MCU：GD32F207IK

13.1 DAC工作原理

13.1.1 DAC介绍

数字/模拟转换模块(DAC)是12位数字输入，电压输出的数字/模拟转换器。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位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。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。

13.1.2 DAC主要特征

● 2个DAC转换器：每个转换器对应1个输出通道
● 8位或者12位单调输出
● 12位模式下数据左对齐或者右对齐
● 同步更新功能
● 噪声波形生成或三角波形生成
● 双DAC通道同时或者分别转换
● 每个通道都有DMA功能
● 外部触发转换
● 输入参考电压VREF+

【注意】一旦使能DACx通道，相应的GPIO引脚(PA4或者PA5)就会自动与DAC的模拟输出相连(DAC_OUTx)。为了避免寄生的干扰和额外的功耗，引脚PA4或者PA5在之前应当设置成模拟输入(AIN)。

13.1.3 DAC功能描述

使能DAC通道

将DAC_CTL 寄存器中的 DENx 位置 ’1’ 即可打开对DAC通道x 的供电。经过一段启动时间tWAKEUP，DAC通道x 即被使能。

注意：DENx位只会使能DAC通道x的模拟部分，即便该位被置’0’，DAC通道x的数字部分仍然工作。

使能DAC输出缓存

DAC集成了2个输出缓存，可以用来减少输出阻抗，无需外部运放即可直接驱动外部负载。每个DAC通道输出缓存可以通过设置 DAC_CTL 寄存器的 DBOFFx 位来开启或者关闭缓冲区。

DAC输出电压

数字输入经过DAC被线性地转换为模拟电压输出，其范围为0到VREF+。任一DAC通道引脚上的输出电压满足下面的关系：

DAC输出 = VREF x (DAC_DO / 4096)

【注】官方手册有问题的，这里应该是4096

DAC数据格式

根据选择的配置模式，数据按照下文所述写入指定的寄存器：
●8位数据右对齐：用户须将数据写入寄存器DACx_R8DH [7:0]位
●12位数据左对齐：用户须将数据写入寄存器DACx_L12DH[15:4]位
●12位数据右对齐：用户须将数据写入寄存器DACx_R12DH[11:0]位

经过相应的移位后，写入的数据被转存到DACx_DH寄存器中。随后，DACx_DH寄存器的内容或被自动地传送到DACx_DO寄存器，或通过软件触发或外部事件触发被传送到DACx_DO寄存器。

DAC转换

如果使能了外部触发（通过设置 DAC_CTL 寄存器的 DTENx 位），根据已经选择的触发事件，DAC 保持数据（DACx_DH）会被转移到 DAC 数据输出寄存器（DACx_DO）。否则，在外部触发没有使能的情况下， DAC 保持数据（DACx_DH）会被自动转移到 DAC 数据输出寄存器（DACx_DO）。

当 DAC 保持数据（DACx_DH）加载到 DACx_DO 寄存器时，经过 tSETTLING 时间之后，模拟输出变得有效， tSETTLING 的值与电源电压和模拟输出负载有关。

选择DAC触发

通过设置 DAC_CTL 寄存器中 DTENx 位来使能 DAC 外部触发。触发源可以通过 DAC_CTL寄存器中 DTSELx 位来进行选择。

TIMERx_TRGO 信号是由定时器生成的，而软件触发是通过设置 DAC_SWT 寄存器的 SWTRx位生成的。

13.2 DAC寄存器描述

我们介绍一下要实现 DAC 输出，需要用到的一些寄存器。首先是 DAC控制寄存器DAC_CTL，该寄存器的各位描述如下图所示。

DAC_CTL的低 16 位用于控制通道0，而高 16 位用于控制通道 1，我们这里仅列出比较重要的最低 8 位的详细描述。

首先，我们来看 DAC 通道0使能位(DEN0)，该位用来控制 DAC 通道 0使能的，本章我们就是用的 DAC 通道 0，所以该位设置为 1。

再看关闭 DAC 通道 0输出缓存控制位（DBOFF0），这里 GD32 的 DAC 输出缓存做的有些不好，如果使能的话，虽然输出能力强一点，但是输出没法到 0，这是个很严重的问题。所以本章我们不使用输出缓存。即设置该位为 1。DAC 通道0触发使能位（DTEN0），该位用来控制是否使用触发，里我们不使用触发，所以设置该位为 0。DAC 通道 0触发选择位（DTSEL0 [2:0]），这里我们没用到外部触发，所以设置这几个位为 0就行了。DAC 通道 0噪声/三角波生成使能位（DWM0 [1:0]），这里我们同样没用到波形发生器，故也设置为 0 即可。DAC 通道0噪声波位宽（DWBW0 [3:0]），这些位仅在使用了波形发生器的时候有用，本章没有用到波形发生器，故设置为 0 就可以了。

最后是 DAC 通道0 DMA 使能位（DDMAEN0）。

在 DAC_CTL设置好之后， DAC 就可以正常工作了， 我们仅需要再设置 DAC 的数据保持寄存器的值，就可以在 DAC 输出通道得到你想要的电压了（对应 IO 口设置为模拟输入）。假设我们用的是 DAC 通道 0的 12 位右对齐数据保持寄存器：DAC0_R12DH，该寄存器各位描述如下图所示。

该寄存器用来设置 DAC 输出，通过写入 12 位数据到该寄存器，就可以在 DAC 输出通道0得到我们所要的结果。

13.3 DAC应用代码实现

13.3.1 DAC普通方式输出

本章我们将使用库函数的方法来设置 DAC 模块的通道0来输出模拟电压，其详细设置步骤如下：
1）开启 PA 口时钟，设置 PA4为模拟输入。

GD32F207的 DAC 通道0在 PA4上，所以，我们先要使能PA4的时钟， 然后设置 PA4为模拟输入。DAC 本身是输出，但是为什么端口要设置为模拟输入模式呢？因为一但使能 DACx 通道后，相应的 GPIO 引脚（PA4 或者 PA5）会自动与 DAC 的模拟输出相连，设置为输入，是为了避免额外的干扰。
使能 GPIOA 时钟：

rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

设置 PA5为模拟输入只需要设置初始化参数即可：

gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AIN, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5);

2）使能 DAC时钟。
同其他外设一样，要想使用，必须先开启相应的时钟。DAC 模块时钟是由 APB1提供的。

rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC); //使能 DAC 通道时钟

3）初始化 DAC,设置 DAC 的工作模式。
该部分设置全部通过 DAC_CR 设置实现，包括：DAC 通道 使能、 DAC 通道输出缓存关闭、不使用触发、不使用波形发生器等设置。

/* configure the DAC0 */
dac_trigger_disable(DAC0);
dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
dac_output_buffer_enable(DAC0);

dac_trigger_disable()函数用来关闭触发功能。
dac_wave_mode_config()设置是否使用波形发生，这里我们前面同样讲解过不使用。所以值为 DAC_WAVE_DISABLE。
dac_output_buffer_enable用于缓存的配置，如果不使用输出缓存，因此使用dac_output_buffer_enable()关闭缓存。

4）使能 DAC 转换通道
初始化 DAC 之后，理所当然要使能 DAC 转换通道，库函数方法是：

dac_enable(DAC0); //使能 DAC0

5）设置 DAC 的输出值。
通过前面 4 个步骤的设置， DAC 就可以开始工作了，我们使用 12 位右对齐数据格式，所以我们通过设置 DAC0_R12DH，就可以在 DAC 输出引脚（PA4）得到不同的电压值了。 库函数的函数是：

dac_data_set(DAC0, DAC_ALIGN_12B_R, 0);

第二个参数设置对齐方式，可以为 12 位右对齐DAC_ALIGN_12B_R， 12 位左对齐DAC_ALIGN_12B_L 以及 8 位右对齐 DAC_ALIGN_8B_R方式。
第三个参数就是 DAC 的输入值了，这个很好理解，初始化设置为 0。这里，还可以读出 DAC 的数值，函数是：

dac_output_value_get (DAC0);

因此DAC0的整体配置如下：

/*
    brief      Configure the DAC peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void dac_config(void)

    /* DAC GPIO configuration */
    dac_gpio_config();
	
    /* enable the clock of DAC */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC);

    /* configure the DAC0 */
    dac_trigger_disable(DAC0);
    dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
    dac_output_buffer_enable(DAC0);

    /* enable DAC0 and set data */
    dac_enable(DAC0);

主函数如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)

    uint8_t i=0;
    uint16_t da=0;

    //systick init
    sysTick_init();

    //usart init 115200 8-N-1
    com_init(COM1);

    /*DAC初始化*/
    dac_config();//调用DAC配置

    while(1)
    
        da=0;
        
        for(i=0;i<=10;i++)
        
            da=i*400;

            dac_data_set(DAC0, DAC_ALIGN_12B_R, da);

            printf("da=%f v\\r\\n",3.3*((float)da/4096));

            //printf("%3.2f\\r\\n",3.3*((float)da/4096));

            delay_ms(1000);
        
    

这代码很简单，首先是对串口等进行初始化，接下来就是循环设置电压并输出。

如果想要使用软件触发，则需要将DAC配置为DAC_TRIGGER_SOFTWARE。

dac_trigger_source_config(DAC0, DAC_TRIGGER_SOFTWARE);
dac_trigger_enable(DAC0);

然后在主函数中需要进行软件触发。

dac_software_trigger_enable(DAC0);

13.3.2 DAC正弦波输出实现

本章我们还要通过DAC实现正弦波输出，那么就需要找到正弦波的曲线散点，其计算方式如下所示：

原系统时钟周期：T_Systick=1/120M（单位：秒）

因为定时时钟预分频：Prescaler=0

所以定时时钟周期：T_TIMER=T_Systick*(Prescaler+1)=1/120M（单位：秒）

因为设置的定时更新周期：Period=19

所以定时器更新周期：T_update=T_TIMER*(Period+1)=20/120M

而DAC数据更新率等于定时器更新速率：即DAC的数据更新周期为：
DAC_update=T_update=20/120M

本实验有32个数据点，则正弦波的周期为：
T_sin=DAC_update*点数=640/120M

最后求的正弦波的频率为：
f_sin=1/T_sin=187500Hz

因此正弦波的频率为：
f_sin=1/T_Systick/(Prescaler+1)/(Period+1)/点数

其波形数据如下：

const uint16_t Sine12bit[32] = 
    2448,2832,3186,3496,3751,3940,4057,4095,4057,3940,
    3751,3496,3186,2832,2448,2048,1648,1264,910,600,345,
    156,39,0,39,156,345,600,910,1264,1648,2048
;

接下来看看主函数。

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)

    //systick init
    sysTick_init();

    //usart init 115200 8-N-1
    com_init(COM1);

    /*DAC初始化*/
    dac_mode_init();

    while(1)
    
        delay_ms(1000);
    

主函数很简单，那我们进入DAC_Mode_Init()看看吧。

/*
    brief      Configure the DAC mode
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void dac_mode_init(void)

    // dac 配置
    dac_config();
	
    //DMA配置
    dma_config();

    // TIMER配置并启动
    timer_config();

dac_mode_init()函数初始化了DAC、DMA和TIMER，启动定时器，利用定时器的触发DAC数据更新。
完整配置代码如下：

/*
    brief      Configure the GPIO peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
static void dac_gpio_config(void)

    /* enable the clock of GPIO */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

    /* config the GPIO as analog mode */
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AIN, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_4);


/*
    brief      Configure the DAC peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
static void dac_config(void)

    /* DAC GPIO configuration */
    dac_gpio_config();
	
    /* enable the clock of DAC */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC);

    dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
    dac_output_buffer_disable(DAC0);
    /* configure the DAC0 */
    dac_trigger_source_config(DAC0, DAC_TRIGGER_T1_TRGO);

    /* DAC的DMA功能使能 */
    dac_dma_enable(DAC0);

    dac_trigger_enable(DAC0);
    /* enable DAC0 and set data */
    dac_enable(DAC0);


/*
    brief      configure the DMA peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
static void dma_config(void)

    dma_parameter_struct dma_init_struct;

    /* enable DMA CLK */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
	
    /* deinitialize DMA1 channel2 */
    dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
	
    dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;/* 存储器到外设方向 */
	  dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)Sine12bit;		/* 存储器基地址 */
    dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_16BIT;
    dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_16BIT;
    //dma_init_struct.periph_addr = ((uint32_t)(DAC0_R12DH_ADDRESS));		/* 外设基地址 */
	  dma_init_struct.periph_addr = ((uint32_t)(&DAC0_R12DH));
    dma_init_struct.number = 32;						/* 传输数据个数 */	
    dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
    dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);

    /* configure DMA mode 存储器到存储器DMA传输禁能*/
    dma_memory_to_memory_disable(DMA1, DMA_CH2);

    //DMA循环模式开启
    dma_circulation_enable(DMA1, DMA_CH2);
	
    dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH2);


/*
    brief      configure the TIMER peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
static void timer_config(void)

    timer_parameter_struct timer_initpara;

	  //Enable TIMER clock
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER1);

    timer_deinit(TIMER1);

    /* TIMER configuration */
    timer_initpara.prescaler         = 0;
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 19;
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_init(TIMER1, &timer_initpara);

		//定时器主输出触发源选择
    timer_master_output_trigger_source_select(TIMER1,TIMER_TRI_OUT_SRC_UPDATE);

    //定时器更新事件使能
    timer_update_event_enable(TIMER1);

    /* TIMER enable */
    timer_enable(TIMER1);

当然也可使用TIMER中断来更新数据，从而也可实现正弦波，但是会消耗CPU资源，建议使用笔者给出的方式。

13.4实验现象

13.4.1 DAC普通方式输出

将程序编译好后下载到板子中，通过串口助手可以看到在接收区有电压值输出。这个和ADC输入不同，我们使用DAC的目的是通过板子得到相应的模拟电压值，看到串口的输出值只是我们的调试手段，要想确认实验是否成功，是需要通过电压表测量PA4的电压值是否串口的输出一致。我们设置的步进是400，因此电压值也是在以400*3.3/4096的电压步进。

当然啦，还需要万用表测量引脚电压即可。你可以使用一个固定值，或者延时更长这样便于测量。为了更好的测量，笔者将转换电压设置为固定值，因此在循环体的前面加了一句话。

da = 2048;

接下来看看实验结果：

当然也可以使用万用表测量实际电压。

13.4.2 DAC正弦波输出

将程序编译好后下载到板子中，通过示波器可看到波形输出。

这里测量出的正弦波的频率是187.42kHz，和计算结果相符。

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