STM32F407, STM32F103xC · уровень средний · 11 мин чтения

15. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Обратная задача к предыдущему разделу: получить из числа напряжение. Нужно для генерации сигналов, задания опорных уровней, управления исполнительными устройствами с аналоговым входом и синтеза звука.

Как это называется в документации

Оригинал Перевод

output buffer выходной буфер

data holding register регистр хранения данных

left / right aligned выравнивание влево / вправо

trigger source источник запуска

noise / triangle wave generation генерация шума / треугольника

dual mode двухканальный режим

settling time время установления

electronic load электронная нагрузка

current sink управляемый приёмник тока

Оригинал	Перевод
output buffer	выходной буфер
data holding register	регистр хранения данных
left / right aligned	выравнивание влево / вправо
trigger source	источник запуска
noise / triangle wave generation	генерация шума / треугольника
dual mode	двухканальный режим
settling time	время установления
electronic load	электронная нагрузка
current sink	управляемый приёмник тока

15.1 ⚠️ Сначала проверьте, есть ли он вообще

Единственный раздел, который начинается с предупреждения о наличии блока:

Микроконтроллер	ЦАП
STM32F103C8 (BluePill)	нет
STM32F103xC / xD / xE	2 канала
STM32F407 и большинство F4	2 канала (`PA4`, `PA5`)
STM32F401, F411	нет

То есть на самой популярной учебной плате ЦАП отсутствует, и это регулярно обнаруживают уже после того, как схема разведена. Проверять надо в datasheet конкретного кристалла, а не «у семейства F1 есть ЦАП».

Чем заменить, если ЦАП нет: ШИМ с фильтром. Раздел 13 даёт прямоугольник с регулируемой скважностью, а RC‑цепочка сглаживает его до постоянного напряжения, пропорционального скважности. Для медленных сигналов — управление яркостью, задание уставки — этого достаточно. Для звука и быстрых сигналов фильтр придётся делать сложнее, и проще взять кристалл с ЦАП.

15.2 Как им пользоваться

Блок предельно простой: записали число — получили напряжение.

напряжение = код × Vref / 4095

void dac_ch1_init(void)
{
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;

    /* PA4 — аналоговый режим: цифровая обвязка должна быть отключена. */
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER4;        /* 11 -> аналоговый */
    GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD4;        /* подтяжки убрать */

    DAC->CR |= DAC_CR_EN1;
}

void dac_ch1_set_mv(uint32_t millivolts)
{
    uint32_t code = millivolts * 4095u / VREF_MV;
    if (code > 4095u) {
        code = 4095u;
    }
    DAC->DHR12R1 = code;                      /* выравнивание вправо, 12 бит */
}

Три регистра на один канал — это не опечатка в документации: DHR12R1 для 12 бит с выравниванием вправо, DHR12L1 — влево, DHR8R1 — для 8‑битного режима. Выбирайте тот, что удобнее вашим данным: выравнивание влево полезно, когда результат приходит из 16‑битного источника и не хочется его сдвигать.

15.3 Выходной буфер

Единственная настройка, требующая размышления.

Буфер включён (по умолчанию): внутреннее сопротивление низкое, но нагрузку он держит скромную — по таблице ЦАП в документации F407 не ниже 5 кОм и не больше 50 пФ, при 3,3 В это 0,66 мА. И диапазон сужается — до самых краёв шкалы напряжение не доходит, примерно 0,2 В теряется с каждой стороны.

Буфер выключен: полный размах от нуля до опоры, но выходное сопротивление — до 15 кОм, и для точности 1 % нагрузка должна быть не ниже 1,5 МОм: только высокоомный вход или внешний операционный усилитель.

Практическое правило: сигнал идёт на вход усилителя или АЦП — буфер можно отключать; нагрузка от 5 кОм — оставляйте включённым и мирьтесь с потерей краёв; всё, что берёт больше долей миллиампера, — только через внешний ОУ.

15.4 🔧 Генератор сигнала на таблице

Самое интересное применение: связка «таблица в памяти → DMA → ЦАП» с запуском от таймера. Процессор не участвует вообще, а на выходе идёт непрерывный сигнал любой формы.

Логика простая. В памяти лежит один период сигнала, разбитый на точки. Таймер тикает с заданной частотой, каждый тик заставляет DMA переложить очередную точку в регистр ЦАП. Дошли до конца таблицы — начали сначала.

частота сигнала = частота запуска / число точек в таблице

/* Таблица синуса, 12 бит, смещение в середину шкалы.
   const — значит лежит во Flash и не тратит ОЗУ. */
static const uint16_t sine_table[64] = { 2048, 2248, 2447, /* ... */ };

void dac_sine_init(void)
{
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN | RCC_AHB1ENR_DMA1EN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN | RCC_APB1ENR_TIM6EN;

    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER4;

    /* Таймер 6 задаёт частоту выдачи точек. */
    TIM6->PSC = 84u - 1u;                     /* тик 1 мкс */
    TIM6->ARR = 10u - 1u;                     /* запуск каждые 10 мкс */
    TIM6->CR2 &= ~TIM_CR2_MMS;
    TIM6->CR2 |= TIM_CR2_MMS_1;               /* 010: событие обновления наружу */
    TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

    /* DMA по кругу гоняет таблицу в регистр ЦАП. */
    DMA1_Stream5->PAR  = (uint32_t)&DAC->DHR12R1;
    DMA1_Stream5->M0AR = (uint32_t)sine_table;
    DMA1_Stream5->NDTR = 64;
    DMA1_Stream5->CR = (7u << DMA_SxCR_CHSEL_Pos)
                     | DMA_SxCR_DIR_0                 /* память -> периферия */
                     | DMA_SxCR_MINC
                     | DMA_SxCR_CIRC                  /* по кругу, вечно */
                     | DMA_SxCR_PSIZE_0               /* полуслово */
                     | DMA_SxCR_MSIZE_0
                     | DMA_SxCR_PL_1;
    DMA1_Stream5->CR |= DMA_SxCR_EN;

    /* Канал ЦАП: запуск от таймера, выдача в DMA. */
    DAC->CR &= ~DAC_CR_TSEL1;                 /* 000 -> TIM6 TRGO */
    DAC->CR |= DAC_CR_TEN1 | DAC_CR_DMAEN1 | DAC_CR_EN1;
}

Первые строки включают такт таймеру, DMA и ЦАП и переводят PA4 в аналоговый режим: без такта записи в регистры блока пропадают, и генератор молча не работает.

При запуске каждые 10 мкс и таблице из 64 точек получается синус частотой около 1,56 кГц. Чтобы изменить частоту — меняете ARR таймера, таблицу трогать не нужно.

На осциллографе это ступенчатый синус — 64 ступеньки на период:

Выход ЦАП на осциллографе: синус из таблицы 64 точек, ступенька каждые 10 мкс

Сколько точек брать. Компромисс: больше точек — глаже сигнал, но ниже предельная частота и больше памяти. Для звука обычно берут 256 точек, для служебных сигналов хватает 32–64. Таблицу считают заранее и кладут в const, чтобы она осталась во Flash.

15.5 Встроенные генераторы

Помимо таблицы у блока есть два собственных режима: треугольник и псевдослучайный шум. Амплитуда задаётся, форма считается аппаратно, таблица и DMA не нужны вовсе. Шаг генератор делает только по запуску (TEN1 = 1, источник — TSEL1, обычно таймер): без запуска треугольника не будет. Треугольник с амплитудой MAMP1 = 2ⁿ − 1 поднимается и опускается по единице, так что период — около 2 · 2ⁿ запусков: при запуске раз в 10 мкс и амплитуде 4095 — 8190 запусков, 12 Гц. Значение DHR12R1 прибавляется как смещение.

Треугольник удобен для развёртки и проверки линейности схемы, шум — для тестирования фильтров и подмешивания дизеринга.

15.6 🔧 Электронная нагрузка: ЦАП задаёт ток

Прибор для проверки источников питания и батарей: он забирает ровно заданный ток, каким бы ни было напряжение. Собирается из ЦАП, операционного усилителя, MOSFET и шунта:

ЦАП (PA4)       → вход «+» ОУ
выход ОУ        → затвор MOSFET
исток MOSFET    → шунт 1 Ом → земля
верх шунта      → вход «−» ОУ
сток MOSFET     → проверяемый источник

Усилитель (раздел 56) подстраивает затвор так, чтобы напряжение на шунте сравнялось с напряжением ЦАП. Поэтому ток через транзистор и шунт равен U_ЦАП / R, и от напряжения источника он не зависит. MOSFET (раздел 52) работает здесь не ключом, а регулирующим элементом — в линейной области.

Буфер ЦАП выключают. Вход усилителя высокоомный и выход не нагружает, а без буфера шкала доходит до нуля (15.3) — нагрузку можно поставить и на нулевой ток.

#define VREF_MV    3300u
#define R_SHUNT_MO 1000u                    /* шунт 1 Ом, в миллиомах */
#define I_MAX_MA   1000u                    /* программный предел нагрузки */

/* код ЦАП для тока в миллиамперах: U = I·R, код = U·4095 / Vref, с округлением */
uint32_t load_code(uint32_t ma)
{
    if (ma > I_MAX_MA)
        ma = I_MAX_MA;
    return (uint32_t)(((uint64_t)ma * R_SHUNT_MO * 4095u + VREF_MV * 500u) / (VREF_MV * 1000u));
}

void load_dac_init(void)
{
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER4;      /* PA4 — аналоговый */
    DAC->DHR12R1 = 0;                       /* старт с нулевого тока */
    DAC->CR = DAC_CR_BOFF1 | DAC_CR_EN1;    /* буфер выключен: вход ОУ высокоомный, шкала до нуля */
}

void load_set_ma(uint32_t ma)
{
    DAC->DHR12R1 = load_code(ma);
}

Что даёт шкала. При опоре 3,3 В и шунте 1 Ом один код — 0,806 мА. Программный предел 1 А — это код 1241; всё, что выше, урезается. Пересчёт в целых с округлением ошибается не больше чем на полшага — 0,403 мА по всей шкале 0–1000 мА.

Смещение ОУ съедает низ шкалы. На шунте 1 Ом каждый милливольт смещения — миллиампер ошибки, а шаг ЦАП всего 0,806 мА. Смещение обычного усилителя — около 3 мВ (раздел 56): в модели с +3 мВ нагрузка на коде 0 тянет 3,05 мА, а с −3 мВ коды 0–3 не дают тока вовсе, и он появляется только с четвёртого. Поэтому ОУ берут с входом до земли и малым смещением, а ноль калибруют.

Петля может звенеть. Затвор для ОУ — ёмкостная нагрузка (раздел 163), а обратная связь здесь идёт не с выхода усилителя, а с шунта, за транзистором. Развязывающий резистор из 163.3 в одиночку тут вредит: в модели с усилителем на 1 МГц ступенька тока на 10 % даёт выброс от 1 до 24 % без резистора и от 8 до 45 % с резистором 470 Ом в затворе. Работает пара: резистор 220 Ом в затвор и местная обратная связь — шунт соединяют со входом «−» не проводом, а через 10 кОм, и с выхода ОУ на тот же вход ставят 1 нФ. Выброса нет ни на 20 мА, ни на 0,5 А, ни с транзистором втрое большей ёмкости; цена — установление 7–8 мкс на 0,5 А и около 70 мкс на 20 мА.

Куда уходит мощность. В шунте при 1 А выделяется 1 Вт (I²R), так что резистор нужен с запасом. Но основное греет транзистор: он гасит всё, что источник даёт сверх падения на шунте. При 12 В и 1 А это (12 − 1) × 1 = 11 Вт, при 5 В — 4 Вт. Без радиатора транзистор такую мощность не рассеет.

Транзистор выбирают по области безопасной работы. Он работает у самого порога: в модели раздела 171 ток 1 А при 11 В на стоке — это 1,87 В на затворе, и участок кристалла, горячее на 60 °C, при том же затворе пропустил бы 2,5 А (171.5). Горячее место забирает ток и греется дальше — кристалл выгорает пятном раньше, чем обещает тепловое сопротивление. Поэтому смотрят график области безопасной работы (SOA) — линию постоянного тока (DC) при нужном напряжении, — а не сопротивление открытого канала. Нет на графике линии DC — транзистор для такой работы не рассчитан.

Электронная нагрузка на 1 А: шунт — 1 Вт, остальное греет транзистор

15.7 Грабли

ЦАП нет в вашем кристалле. Проверять по datasheet до разводки платы.

Вывод не в аналоговом режиме. Цифровой буфер остаётся подключённым и мешает.

Не доходит до краёв шкалы. Включён выходной буфер — это его нормальное поведение, а не неисправность.

Выход «проседает» под нагрузкой. Буфер выключен, а нагрузка низкоомная. ЦАП не источник питания: для реальной нагрузки нужен усилитель.

Сигнал ступенчатый. Мало точек в таблице или нет фильтра на выходе. ЦАП выдаёт именно ступеньки, сглаживание — задача внешней RC‑цепочки.

Частота сигнала не та, что рассчитывали. Забыли, что таймер на APB1 получает удвоенную частоту шины (раздел 13).

Шум по питанию. Аналоговый выход чувствителен к качеству питания не меньше, чем вход АЦП: те же требования к земле и развязке.

Электронная нагрузка не опускается до нуля. Включён выходной буфер ЦАП: нижние коды не доходят до нуля (15.3). Вход усилителя в буфере не нуждается — бит BOFF1 (15.6).

15.8 Итоги

ЦАП есть далеко не везде: у BluePill и у F401/F411 его нет. Проверяйте по datasheet конкретного кристалла.
Без ЦАП медленные сигналы делают ШИМ с RC‑фильтром.
Напряжение = код × Vref / 4095; три регистра данных отличаются только выравниванием.
Выходной буфер держит нагрузку от 5 кОм — доли миллиампера — ценой потери краёв шкалы; без него выходное сопротивление до 15 кОм.
Генератор произвольной формы строится как «таблица → DMA → ЦАП» с запуском от таймера; частота = частота запуска / число точек.
Таблицу объявляйте const — она останется во Flash.
Встроенные режимы треугольника и шума работают вообще без таблицы.
Электронная нагрузка — ЦАП, ОУ, MOSFET и шунт: ток равен U_ЦАП / R, буфер ЦАП выключен, а мощность (U_ист − I·R) · I греет транзистор.
ОУ для нагрузки — с малым смещением (3 мВ на шунте 1 Ом — почти четыре шага ЦАП) и с местной обратной связью против звона; транзистор — по линии DC области безопасной работы.

Дальше: раздел 15а «АЦП нового образца на G4» — дифференциальный вход, передискретизация до 16 бит и две калибровки.

Открыть в интерактивном справочнике