STM32学习心得二十七：PWM DAC数模转换实验及PWM知识复习

记录一下，方便以后翻阅~
主要内容：
1） PWM原理复习；
2） DAC PWM数模转换原理；
3） 相关实验代码解读。
实验功能：系统启动后，PA8输出PWM波形，经二阶RC滤波后转化为DAC输出，按WK_UP键输出电压变大，按KEY1键，输出电压降低。每次按键，ADC采集输出电压值并传至串口调试助手上。
官方资料：《STM32中文参考手册V10》第12章——数字模拟转换DAC和第14章——通用定时器
硬件连接

定时器1通道1输出PWM,通过PA8输出,经过二阶RC滤波后输出电压。
1. PWM复习
也可参考《STM32学习心得十八：通用定时器基本原理及相关实验代码解读》实验二部分知识，基本一样。
1.1 PWM工作原理复习
脉冲宽度调制（PWM——Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术。简单一点，就是对脉冲宽度的控制。
PWM工作逻辑可参考下图理解：

上图中，
ARR为自动重装载寄存器（TIMx_ARR）的位[0:15]设定值，
CCRx为某个捕获比较寄存器（TIMx_CRRx）的位[0:15]设定值，
黑线为计数器寄存器（TIMx_CNT）的位[0:15]实时值，记CNT。
当CNT小于CCRx时，可设输出低电平，反之输出高电平。因此可以认为：脉宽调制（PWM）信号的周期由ARR决定，占空比由CCRx决定。
以通道1为例，寄存器主要包括：
1） 捕获比较(值)寄存器（TIMx_CCRx（x=1,2,3,4)），用来设置比较值；
2） 捕获/比较模式寄存器 1（TIMx_CCMR1），位[4:6]，输出比较1模式（OC1M）：
在PWM方式下，设置PWM模式1（110），在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0)，否则为有效电平(OC1REF=1)；
或在PWM方式下，设PWM模式2（111），在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效电平(OC1REF=1)，否则为无效电平(OC1REF=0)。
3） 捕获/比较使能寄存器(TIMx_CCER)，位1，输入/捕获1输出极性CC1P：
当CC1通道配置为输出时，0：高电平有效，1：低电平有效；
4） 捕获/比较使能寄存器(TIMx_CCER)，位0，输入/捕获1输出使能CC1E：
当CC1通道配置为输出时，0：关闭，1：打开。
1.2 计数模式有哪些？
1） 向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值(TIMx_ARR计数器的值)，然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件；
2） 向下计数模式：计数器从自动装入的值 (TIMx_ARR计数器的值)开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始并且产生一个计数器向下溢出的事件；
3） 中央对齐模式(向上/向下计数) ：计数器从0开始计数到自动加载的值（TIMx_ARR寄存器的值−1），产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器下溢事件，然后再从0开始重新计数。
1.3 STM32哪些定时器可用于PWM输出？

由上图可知，除了基本定时器TIM6和TIM7，其他的定时器都可以用来产生PWM输出。其中，高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达7路的PWM输出。而通用定时器也能同时产生多达4路的PWM输出。
1.4 STM32 定时器输出通道引脚整理（可参考数据手册）

1.5 对自动重载的预装载寄存器的理解
自动装载寄存器是预先装载的，写或读自动重装载寄存器将访问预装载寄存器。根据在TIMx_CR1寄存器中的自动装载预装载使能位(ARPE)的设置，预装载寄存器的内容被立即或在每次的更新事件UEV时传送到影子寄存器。
影子寄存器保存的是定时器当前的计数值（或者溢出值），这个值是立即生效的值，这个计数值是从预装载寄存器（ARR）传过来的，但ARR什么时候把计数值传给影子寄存器呢？这儿就有个预装载使能位（ARPE）：当ARPE=0的时候，你写入ARR的值马上就传到影子寄存器，也就立即生效当ARPE=1的时候，ARR的值就是直接传过去了，而是等到定时器更新事件发生，才把这个值传到影子寄存器，也就起到一个缓冲作用。
举例说明：

如上图所示，当ARPE=1时，自动加载寄存器值从F5改为36时，计数器寄存器值从F0增加至F5时产生更新事件，说明自动加载寄存器值从F5改为36时就已生效。

如上图所示，当ARPE=0时，自动加载寄存器值从FF改为36时，计数器寄存器值从31增加至36时产生更新事件，说明自动加载寄存器值从F5改为36时未即使生效，要等下个比较周期生效。
简单的说：
ARPE=1，ARR立即生效；
APRE=0，ARR下个比较周期生效。
1.6 PWM输出配置一般步骤（以TIM3_CH2为例）
1.6.1 使能定时器3和相关IO口时钟：
使能定时器3时钟：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

使能GPIOB时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

1.6.2 初始化IO口为复用推挽输出。函数：GPIO_Init();

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;      

1.6.3 开启AFIO时钟（因为要把PB5（对应LED0）作定时器的PWM输出引脚，所以要重映射配置），同时设置重映射。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);    //部分重映射，即TIM3_CH2对应PB5引脚//

1.6.4 初始化定时器，ARR,PSC等：

TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);
//TIM_TimeBaseInitTypeStruct结构体包括5个参数：//
//uint16_t TIM_Prescaler;          针对预分频器寄存器(TIMx_PSC)，值范围在0x0000到0xFFFF之间//
//uint16_t TIM_CounterMode;        计数模式，前面已讲//
//uint16_t TIM_Period;             针对自动重装载寄存器(TIMx_ARR)，确定脉宽调制信号的周期，前面已讲//
//uint16_t TIM_ClockDivision;      针对控制寄存器1(TIMx_CR1)的位[8:9]，设定时钟分频因子CKD，输入捕获用//
//uint8_t TIM_RepetitionCounter。  重复计数寄存器(TIMx_RCR)，只有高级定时器才有//

1.6.4.1 uint16_tTIM_Prescaler参数解读
用来确定最后计数器的时钟频率，其值与CK_PSC频率相关。

而CK_PSC频率与选择哪个时钟源有关，如下图所示，一般选择内部时钟CK_INT为时钟源，即CK_INT=CK_PSC。

CK_INT时钟计算方法如下图所示：

当APB1的分频系数是1时，通用定时器的时钟等于APB1时钟的1倍，否则是2倍。
举例：默认调用SystemInit函数情况下：
SYSCLK=72M
AHB时钟=72M
APB1时钟=36M
所以APB1的分频系数=AHB/APB1时钟=2；
所以，通用定时器时钟CK_INT=2*36M=72M。
1.6.4.2 uint16_tTIM_ClockDivision参数解读
针对控制寄存器1(TIM3_CR1)的位[8:9]，设定时钟分频因子CKD。若其值为01，则tDTS=2tCK_INT，说明要连续采样2次电平，且都是预期电平值，才能说明是一次有效触发，产生一次触发输入捕获中断（起滤波作用）。

1.6.5 初始化输出比较参数：

TIM_OC2Init(TIM3,&TIM_OCInitTypeStruct);
//TIM_OCInitTypeStruct结构体主要涉及4个参数：//
//uint16_t TIM_OCMode;        选择PWM模式1或者模式2//
//uint16_t TIM_OutputState;   输出使能或失能//
//uint16_t TIM_Pulse;         设比较值//
//uint16_tTIM_OCPolarity;     比较输出极性//

1.6.5.1 uint16_t TIM_OCMode参数解读
在TIMx_CCMR3寄存器中的OCxM位选择PWM模式1或模式2。
设为110时为PWM模式1，在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0)，否则为有效电平(OC1REF=1)；
设为111时为PWM模式2，在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。
1.6.5.2 uint16_t TIM_Pulse参数解读
针对捕获/比较寄存器 1(TIM3_CCR1)，若CC1通道配置为输出，CCR1包含了装入当前捕获/比较1寄存器的值(预装载值)；若CC1通道配置为输入，CCR1包含了由上一次输入捕获1事件(IC1)传输的计数器值。
1.6.5.3 uint16_t TIM_OCPolarity参数解读
针对捕获/比较使能寄存器(TIM3_CCER)，设置极性，即高电平有效或低电平有效。
1.6.6 使能预装载寄存器：

TIM_OC2PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable); 
//针对捕获/比较模式寄存器1（TIM3_CCMR1），位[11]，设置OC2PE值//

设计preload register和shadow register的好处是，所有真正需要起作用的寄存器(shadow register)可以在同一个时间(发生更新事件时)被更新为所对应的preload register的内容，这样可以保证多个通道的操作能够准确地同步。如果没有shadow register，或者preload register和shadow register是直通的，即软件更新preload register时，同时更新了shadow register，因为软件不可能在一个相同的时刻同时更新多个寄存器，结果造成多个通道的时序不能同步，如果再加上其它因素(例如中断)，多个通道的时序关系有可能是不可预知的。
1.6.7 使能定时器：

TIM_Cmd(TIM3, Enable);

1.6.8 不断改变比较值CCRx，达到不同的占空比效果：

TIM_SetCompare2(TIM3, uint16_t Compare2);
//针对捕获/比较寄存器2(TIM3_CCR2)，位[0:15]，设置捕获/比较2（CCR2）的值//

2. DAC PWM数模转换原理
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。

上图中，N为ARR-1个计数，n为CCR寄存器的值，T为周期时间，
PWM波形可以用分段函数表示为式：

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。
将上式展开成傅里叶级数，得到以下公式（不用理解如何推导）：

上式，第1项为直流分量，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。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。这是电压输出DAC所需要的。
因此，如果能把上式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。上式中的第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，那么1次谐波的值不能大于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。（这里，推测衰减量公式为：-20lg（谐波最大幅值/最小精度）=衰减值，暂没有更好的解释）
STM32的定时器最快的计数频率是72Mhz，8位分辨率的时候，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。
参考网上的解释：
1）PWM频率为328.125Khz，那么一次谐波频率就是328.125Khz；
2）1阶RC滤波，幅频特性为：-10lg[1+(f/fp)^2]；fp为截止频率。
所以对一阶滤波来说，要达到-44dB的衰减，必须-10lg[1+(f/fp)^2]=-44； 得到f/fp=158.486，即fp=328.125/158.486=2.07Khz。
3）2阶RC滤波，幅频特性为：-20lg[1+(f/fp)^2]；fp为截止频率。
所以对二阶滤波来说，要达到-44dB的衰减，必须-20lg[1+(f/fp)^2]=-44； 得到f/fp=12.549，即fp=328.125/12.549=26.14Khz。
3. 相关实验代码解读
这里会将PWM输出实验和PWM DAC输出实验代码进行对比，其实两个实验的代码基本一样。
3.1 timer.h头文件代码解读
PWM DAC输出实验

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "sys.h"
//PWM DAC输出实验是让GPIOA,引脚8输出PWM波形，经二阶RC滤波后，输出稳定DAC值，对应配置是选择复用，高级定时器TIM1_CH1//
void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif

PWM输出实验

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "sys.h"
//PWM输出实验是让GPIOB,引脚5输出PWM波形，从而控制LED灯呼吸，对应配置是选择重映射，通用定时器TIM3_CH2//
void TIMER3_PWM_Init(u16 arr, u16 psc);
#endif

3.2 timer.c文件代码解读
PWM DAC输出实验

#include "timer.h"
#include "led.h"
//PWM DAC，定时器1通道1输出PWM波形,通过PA8输出,经过二阶RC滤波后输出电压//
void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{         
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
 TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
 //第1步，时钟使能//
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);   //使能TIM1外设时钟使能//
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  //使能GPIOA外设时钟使能// 
 //第2步，初始化GPIOA,引脚8，推挽复用输出功能,输出TIM1 CH1的PWM脉冲波形//
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;              //GPIOA, PA8//
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        //复用推挽输出//
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 
 //第3步，初始化定时器//
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;                       //设置自动重装载周期值//
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;                     //设置预分频值//
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   //TIM向上计数模式//
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;       //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim//
 TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); 
 //第4步，初始化输出比较参数// 
 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;             //CH1 PWM2模式// 
 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能//
 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 100;                          //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值//
 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;      //OC1 低电平有效// 
 TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  
 //第5步，使能预装载寄存器//
 TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  
 //*****下面两行，在定时器PWM输出实验里没有*****//
 TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);                           //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器//
 TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);                              //主输出使能,高级定时器必须开启// 
 //*****上述两行，在定时器PWM输出实验里没有*****//
 //最后一步，使能TIM1// 
 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);                
} 

PWM输出实验

#include "timer.h"
#include "led.h"
//PWM实验，定时器3通道2输出PWM波形,从而控制LED灯//
void TIMER3_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStruct;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStruct;
//第1步，使能TIM3时钟,使能GPIOB时钟，使能AFIO时钟（PWM DAC实验不用）//
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
//第2步，初始化GPIOB5为复用推挽输出，50MHz//
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitTypeStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitTypeStruct);
//*****开启部分使能重映射******//
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); 
//第3步，定时器参数初始化//
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Period=arr;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_Prescaler=psc;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitTypeStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; 
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitTypeStruct);
//第4步，初始化输出比较参数//
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2;                 //CH2 PWM2模式// 
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_Pulse=100;                              //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值//
TIM_OCInitTypeStruct.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_Low;          //OC2 低电平有效// 
TIM_OC2Init(TIM3,&TIM_OCInitTypeStruct);
//第5步，使能预装载寄存器//
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); 
//最后一步，使能TIM3//
TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
}

3.3 main.c文件代码解读
PWM DAC输出实验

#include "led.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"   
#include "adc.h"
#include "timer.h"
 int main(void)
 {  
 u16 adcx;
 float temp;
 u8 t=0;  
 u16 pwmval=0;
 u8 key;
 delay_init();                  //延时函数初始化//   
 uart_init(115200);             //串口初始化为115200//
 KEY_Init();                    //KEY初始化//
 LED_Init();                    //LED端口初始化//
 Adc_Init();                    //ADC初始化//
 TIM1_PWM_Init(255,0);          //TIM1 PWM初始化, Fpwm=72M/256=281.25Khz//     
 TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval);            
 while(1)
 {
  key=KEY_Scan(0);     
  if(key==WKUP_PRES)
  {   
   if(pwmval<250)pwmval+=10;
   TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval);   
  }else if(key==KEY1_PRES) 
  {
   if(pwmval>10)pwmval-=10;
   else pwmval=0;
   TIM_SetCompare1(TIM1,pwmval);   
  }  
  if(t==10||key==KEY1_PRES||key==WKUP_PRES)        //手动按键改变占空比，从而改变DAC值//
  {   
   adcx=TIM_GetCapture1(TIM1);
   printf("TIM1_CCR1值:%d\r\n",adcx); 
   temp=(float)adcx*(3.3/256);    
   printf("TIM1_CCR1对应电压值:%f\r\n",temp); 
   adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10);
   temp=(float)adcx*(3.3/4096);
   printf("ADC读取值:%d\r\n",adcx); 
   printf("ADC对应电压大小:%f\r\n",temp);   
  }     
  delay_ms(200); 
  LED0=!LED0;  
 }
 }

PWM输出实验

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "timer.h"
 int main(void)
 {  
 u16 led0pwmval=0;
 u8 dir=1;                //方向，1时led0pwmval加，0时led0pwmval减//
 delay_init();            //延时函数初始化//  
 LED_Init();              //LED端口初始化//
 TIMER3_PWM_Init(899,0);  //不分频。PWM频率=72000000/900=80Khz//
 while(1)
 {
  delay_ms(1);            //每隔1ms改变一次占空比//
  if(dir)
    led0pwmval++;
  else 
    led0pwmval--;
  if(led0pwmval>1000)
    dir=0;
  if(led0pwmval==0)
    dir=1;           
  TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);     
 }  
 }

PWM DAC和PWM输出实验的代码基本一样，不同之处为，PWM DAC输出实验利用高级定时器TIM1的通道1输出（即GPIOA,PA8），而PWM输出实验利用通用定时器TIM3的通道2输出（即GPIOB,PB5），因此相关配置会略有不同。
再者，PWM DAC输出实验，DAC主要靠硬件设计，非代码，因此该实验案例无需stm32f10x_dac.c相关文件。
实验结果

旧知识点
1）复习如何新建工程模板，可参考STM32学习心得二：新建工程模板；
2）复习基于库函数的初始化函数的一般格式，可参考STM32学习心得三：GPIO实验-基于库函数；
3）复习寄存器地址，可参考STM32学习心得四：GPIO实验-基于寄存器；
4）复习位操作，可参考STM32学习心得五：GPIO实验-基于位操作；
5）复习寄存器地址名称映射，可参考STM32学习心得六：相关C语言学习及寄存器地址名称映射解读；
6）复习时钟系统框图，可参考STM32学习心得七：STM32时钟系统框图解读及相关函数；
7）复习延迟函数，可参考STM32学习心得九：Systick滴答定时器和延时函数解读；
8）复习ST-LINK仿真器的参数配置，可参考STM32学习心得十：在Keil MDK软件中配置ST-LINK仿真器；
9）复习ST-LINK调试方法，可参考STM32学习心得十一：ST-LINK调试原理+软硬件仿真调试方法；
10）复习如何对GPIO进行复用，可参考STM32学习心得十二：端口复用和重映射；
11）复习串口通信相关知识，可参考STM32学习心得十四：串口通信相关知识及配置方法；
12）复习ADC原理及一般配置步骤，可参考STM32学习心得二十三：ADC转换原理及模数转换实验和STM32学习心得二十四：内部温度传感器原理及实验和STM32学习心得二十五：光敏传感器原理及实验。