DAC——輸出正弦波

26.1. DAC簡(jiǎn)介

DAC即數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，顧名思義，它的作用就是把輸入的數(shù)字編碼，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出，它的功能與ADC相反。 在常見的數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，大部分傳感器信號(hào)被化成數(shù)字信號(hào)，而ADC把電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理的數(shù)字編碼，然后將這些數(shù)字編碼交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理處理， 由DAC生成的模擬電壓常常用來(lái)驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行器件比如LED燈可以控制它的亮度，使人們易于感知。

RA6M5具有片上DAC外設(shè)，總共有兩路DAC輸出通道，每路的分辨率可配置為12位， 這兩個(gè)通道之間互不影響，每個(gè)通道都可以使用ELC功能可外部觸發(fā)或者進(jìn)行與ADC單元1的同步轉(zhuǎn)換。

26.1.1. DAC特性

• 分辨率：12-bits
• 輸出通道：2 通道
• 可設(shè)置模塊停止?fàn)顟B(tài)降低功耗
• DAC0 和 DAC1 可以通過(guò)一個(gè)事件信號(hào)輸入來(lái)開啟轉(zhuǎn)換
• 可通過(guò)以下方法減少 DAC 和 ADC 模塊之間的干擾：
  • 同步D/A轉(zhuǎn)換控制，使D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的更新時(shí)間由ADC12(uint1)輸入信號(hào)同步
  • 通過(guò)合理的控制DAC12的啟動(dòng)信號(hào)來(lái)減少干擾對(duì)D/A轉(zhuǎn)換精度的影響

26.2. DAC的結(jié)構(gòu)框圖

RA6M5的DAC模塊框圖可見

框圖中的“12-bit D/A”是核心部件，整個(gè)DAC外設(shè)都是圍繞著DA1通道和DA0通道展開的， 左上作為參考電源以及模擬轉(zhuǎn)換輸出，右邊有著相應(yīng)的控制寄存器、總線接口、和同步轉(zhuǎn)換。

26.2.1. 參考電壓

AVCC0引腳作為ADC12和DAC12的電源輸入引腳，AVSS0引腳作為ADC12和DAC12的接地輸入引腳。 VREFH引腳作為DAC12的模擬參考高電壓電源引腳。 VREFL引腳作為DAC12的模擬參考低電壓引腳。

我們分別把它們接入到電源的正負(fù)兩級(jí)，可以得到DAC的輸出電壓范圍為：0-3.3V。 如果想讓輸出的電壓范圍變寬，可以在外部加一個(gè)電壓調(diào)節(jié)電路，把0~3.3V的DAC輸出抬升到特定的范圍即可。

在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候不增加磁珠和電容接入到DAC12電源電路，會(huì)使得我們輸出的電壓不穩(wěn)甚至輸出的不是我們想要的電壓， 這個(gè)時(shí)候我們可以在電路上增加磁珠和電容來(lái)減少干擾，從而優(yōu)化我們的DAC比較電壓源從而使其輸出穩(wěn)定。

26.2.2. 觸發(fā)源

我們可以設(shè)置軟件來(lái)觸發(fā)DAC、或者通過(guò)使用ELC進(jìn)行觸發(fā)、甚至我們還可以使用外部中斷進(jìn)行觸發(fā)。 最終我們的目的是為了使得DACR.DAOEn（n=0,1）位被置1， 我們可以編寫相應(yīng)的寄存器控制代碼以至于我們可以使用不同的方式進(jìn)行觸發(fā)。

當(dāng)設(shè)置DACR中的DAOEn位(n = 0,1)為1時(shí)，啟用DAC12并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 當(dāng)設(shè)置DACR中的DAOEn位(n = 0,1)為0時(shí)，關(guān)閉DAC輸出轉(zhuǎn)換。

下面是使用軟件觸發(fā)方式來(lái)使能DAC的代碼:

/**
* @brief  軟件使能并輸出電壓
* @param  輸入DAC模塊
* @retval 無(wú)
*/
void trigger_dac(dac_ctrl_t * p_api_ctrl)
{
   dac_instance_ctrl_t * p_ctrl = (dac_instance_ctrl_t *) p_api_ctrl;
   p_ctrl->p_reg->DACR_b.DAOE0 = 1U;   //使能DAC通道一使其輸出相應(yīng)電壓
   //p_ctrl->p_reg->DACR_b.DAOE1 = 1U;   //使能DAC通道二使其輸出相應(yīng)電壓
}

26.2.3. DAC數(shù)據(jù)寄存器

DADRn（D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器） :

DADRn寄存器是一個(gè)16位的讀/寫寄存器，它存儲(chǔ)用于D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 雖然DADRn數(shù)據(jù)寄存器有16位數(shù)據(jù),但是我們只用到了前面的12位,而后四位沒(méi)有用到。 我們還可以通過(guò)DADPR.DPSEL位進(jìn)行設(shè)置12位的數(shù)據(jù)設(shè)置為左對(duì)齊或右對(duì)齊的數(shù)據(jù)格式。

當(dāng)我們?cè)O(shè)置的觸發(fā)源被啟動(dòng)時(shí)，DADRn中的值就會(huì)被轉(zhuǎn)換并輸出到模擬輸出引腳上。 之后每當(dāng)我們改變DADRn中的數(shù)值時(shí)，就可以改變輸出的模擬電壓。

電壓轉(zhuǎn)換公式 :

如果我們直接通過(guò)輸入一個(gè)12位的數(shù)字值，之后進(jìn)行對(duì)DAC的觸發(fā)源進(jìn)行操作時(shí)，那么我們對(duì)軟件的可操作性就比較差， 這個(gè)時(shí)候我們可以通過(guò)對(duì)軟件代碼優(yōu)化使得我們更容易操作和控制電壓，以下就是12位的數(shù)字值與電壓之間的轉(zhuǎn)換公式:

通過(guò)上面的公式我們知道（設(shè)定的數(shù)值/4096）x（基準(zhǔn)電壓）等于需要設(shè)定的電壓， X對(duì)應(yīng)著需要設(shè)定的電壓，Y為我們最終需要設(shè)定的數(shù)值，那么會(huì)有這么一個(gè)等式成立： Y/2^12 * 3.3 = X => X / 3.3 * 2^12 = Y。 通過(guò)這個(gè)公式我們就可以知道設(shè)置的D/A轉(zhuǎn)換電壓是多少,我們將上面的公式寫成如下的函數(shù)。 其中set_voltage為我們需要設(shè)置的電壓，dac_date為我們需要輸入到D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器的數(shù)據(jù)。

/**
* @brief  設(shè)置當(dāng)前的電壓3.3V
* @param  需要控制的電壓
* @retval 無(wú)
*/
void dac_Set(double voltage)
{
   uint16_t dac_date;
   dac_date = (uint16_t)4095*((voltage)/3.3f);
   R_DAC_Write(DAC.p_ctrl, dac_date);
}

26.2.4. 轉(zhuǎn)換的過(guò)程

在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中我們想要停止DAC轉(zhuǎn)換的話，只需要將DACR.DAOEn（n=0,1）位給置0。

1. 第一步在DADPR寄存器中設(shè)置我們想要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)格式
2. 觸發(fā)使能寄存器，使得DAC使能寄存器DACR.DAOEn（n=0,1），以開始數(shù)模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的結(jié)果將在一段時(shí)間t過(guò)后從輸出引腳DA0上輸出。 如果使能寄存器一直為1的話，DAC將一直轉(zhuǎn)換輸出，直到將DAC使能寄存器DACR.DAOEn（n=0,1）位設(shè)置0。
3. 若在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，想要改變DAC模擬輸出的數(shù)值的時(shí)候，我們需要將一個(gè)值寫入到數(shù)據(jù)寄存器DADRn（n=0,1）中，轉(zhuǎn)換的結(jié)果將在一段時(shí)間t過(guò)后從輸出引腳DAn（n=0,1）上輸出。

26.2.5. 同步轉(zhuǎn)換

通過(guò)同步轉(zhuǎn)換我們可以使得ADC的單元一和DAC進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換， 我們通過(guò)兩個(gè)寄存器來(lái)控制這一過(guò)程,這兩個(gè)寄存器分別為：我們通過(guò)兩個(gè)寄存器來(lái)控制這一過(guò)程這兩個(gè)寄存器分別為：同步單元選擇寄存器（DAADUSR寄存器）和 同步使能轉(zhuǎn)換寄存器（DAADSCR寄存器）。

DAADSCR寄存器 ：

如果我們使用ELC事件鏈接控制器來(lái)控制的話，我們就不能夠使能DAADSCR寄存器。 將DAADST位設(shè)置為0，允許DADRn寄存器值隨時(shí)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。 將DAADST位設(shè)置為1，允許D/A轉(zhuǎn)換與同步D/A轉(zhuǎn)換同步，使來(lái)自ADC12的輸入信號(hào)同步（單元1）。 使用此位直到DADC12（單元1）完成A/D轉(zhuǎn)換才開始D/A轉(zhuǎn)換，即使DADRn寄存器被改變。

DAADUSR寄存器 ：

DAADUSR寄存器選擇ADC12單元一進(jìn)行D/A和A/D同步轉(zhuǎn)換。 將AMADSEL1位設(shè)置為1，選擇ADC單元1作為DAC的同步單元。 將AMADSEL1位設(shè)置為0，不選擇ADC單元同步單元。

26.3. 生成正弦波數(shù)據(jù)表

要輸出正弦波，實(shí)質(zhì)是要控制DAC以v=sin(t)的正弦函數(shù)關(guān)系輸出電壓，其中v為電壓輸出，t為時(shí)間。

而由于模擬信號(hào)連續(xù)而數(shù)字信號(hào)是離散的，所以使用DAC產(chǎn)生正弦波時(shí)，只能按一定時(shí)間間隔輸出正弦曲線上的點(diǎn)，在該時(shí)間段內(nèi)輸出相同 的電壓值，若縮短時(shí)間間隔，提高單個(gè)周期內(nèi)的輸出點(diǎn)數(shù)，可以得到逼近連續(xù)正弦波的圖形，見 圖26_3，若在外部電路加上適當(dāng)?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/電容濾波/" target="_blank">電容濾波，可得到更完美的圖形。

圖 26?3 DAC按點(diǎn)輸出正弦波數(shù)據(jù)(左：32個(gè)點(diǎn)，右：128個(gè)點(diǎn))

由于正弦曲線是周期函數(shù)，所以只需要得到單個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)后按周期重復(fù)即可，而單個(gè)周期內(nèi)取樣輸出的點(diǎn)數(shù)又是有限的，所以為了得到呈v=sin(t)函數(shù)關(guān)系電壓值的數(shù)據(jù)通常不會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算獲取，而是預(yù)先計(jì)算好函數(shù)單個(gè)周期內(nèi)的電壓數(shù)據(jù)表，并且轉(zhuǎn)化成以DAC寄存器表示的值。

如sin函數(shù)值的范圍為[-1: +1]，而RA6M5的DAC輸出電壓范圍為[0~3.3]V，按12位DAC分辨率表示的方法，可寫入寄存器的最大值為2^12^ = 4096，即范圍為[0:4096]。 所以，實(shí)際輸出時(shí)，會(huì)進(jìn)行如下處理：

1. 抬升sin函數(shù)的輸出為正值：v = sin(t)+1 ，此時(shí)，v的輸出范圍為[0:2]；
2. 擴(kuò)展輸出至DAC的全電壓范圍: v = 3.3*(sin(t)+1)/2 ，此時(shí)，v的輸出范圍為[0:3.3]，正是DAC的電壓輸出范圍，擴(kuò)展至全電壓范圍可以充分利用DAC的分辨率；
3. 把電壓值以DAC寄存器的形式表示：Reg_val = 2 ^12^ /3.3 * v = 2 ^11^ *(sin(t)+1)，此時(shí)，存儲(chǔ)到DAC寄存器的值范圍為[0:4095]；
4. 實(shí)踐證明，在sin(t)的單個(gè)周期內(nèi)，取32個(gè)點(diǎn)進(jìn)行電壓輸出已經(jīng)能較好地還原正弦波形，所以在t∈[0:2π]區(qū)間內(nèi)等間距根據(jù)上述Reg_val公式運(yùn)算得到32個(gè)寄存器值，即可得到正弦波表；
5. 控制DAC輸出時(shí)，每隔一段相同的時(shí)間從上述正弦波表中取出一個(gè)新數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，即可輸出正弦波。 改變間隔時(shí)間的單位長(zhǎng)度，可以改變正弦波曲線的周期。

為方便起見，我們使用了Python和Matlab腳本制作正弦波表，腳本的代碼存儲(chǔ)在本工程的目錄下，感興趣可以打開文件查看，以下列出Python腳本代碼，見代碼清單 26?2。

代碼清單 26?2 制作正弦波數(shù)據(jù)表的python腳本（工程目錄下的sinWave.py文件） [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter26/chapter26.html#id11 " 永久鏈接至代碼")

#! python3
#coding=utf-8

"""
Python版本：3.x
外部庫(kù)：matplotlib1.5.3、numpy1.11.2

運(yùn)行方式：
在命令行中輸入：python sinWave.py

運(yùn)行結(jié)果：
命令行中會(huì)打印計(jì)算得的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，
在當(dāng)前目錄下會(huì)生成py_dac_sinWav.c文件，包含上述數(shù)據(jù)，
并且會(huì)彈出描繪曲線的對(duì)話框。
"""

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import math

#修改本變量可以更改點(diǎn)數(shù)，如16、32、64等
POINT_NUM = 32

pi = math.pi

#一個(gè)周期 POINT_NUM 個(gè)點(diǎn)
n = np.linspace(0,2*pi,POINT_NUM)

#計(jì)算POINT_NUM個(gè)點(diǎn)的正弦值
a = map(math.sin,n)

r =[]
for i in a:
   #調(diào)整幅值至在0~1區(qū)間
   i+=1

   #按3.3V電壓調(diào)整幅值
   i*= 3.3/2

   #求取dac數(shù)值，12位dac LSB = 3.3V/2**12
   ri = round(i*2**12/3.3)

   #檢查參數(shù)
   if ri >= 4095:
      ri = 4095

   #得到dac數(shù)值序列
   r.append( ri )

print(list(map(int,r)))

#寫入序列到文件
with open("py_dac_sinWav.c",'w',encoding= 'gb2312') as f:
   print(list(map(int,r)),file= f)

#繪圖
plt.plot(n,r,"-o")
plt.show()

Python腳本的實(shí)現(xiàn)原理就是前面介紹的正弦波數(shù)據(jù)表的制作過(guò)程，運(yùn)行后，該腳本把得到的正弦波表數(shù)據(jù)輸出到目錄下的py_dac_sinWav.c文件中，見代碼清單 26?3，并且根據(jù)取樣點(diǎn)描繪出示意圖，見圖 26?4。 Matlab腳本原理相同，此處不再列出，實(shí)際上使用C語(yǔ)言也能制作正弦波表，只是畫圖不方便而已。

代碼清單 26?3 生成的正弦波數(shù)據(jù)表 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter26/chapter26.html#id12 "永久鏈接至代碼")

[2048, 2460, 2856, 3218, 3532, 3786, 3969, 4072, 4093, 4031, 3887, 3668,
3382, 3042, 2661, 2255, 1841, 1435, 1054, 714, 428, 209, 65, 3, 24, 127,
310, 564, 878, 1240, 1636, 2048]

圖 26?4 python 腳本根據(jù)正弦波表描繪的曲線圖

26.4. DAC程序設(shè)計(jì)

26.4.1. 硬件設(shè)計(jì)

我們使用引出來(lái)的排針P015或者P014

DAC引腳 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter26/chapter26.html#id24 "永久鏈接至表格")| DAC通道0 | P014 |
| ------------------ | ------ |
| DAC通道1 | P015 |

26.4.2. 軟件設(shè)計(jì)

26.4.2.1. 新建工程

e2 studio ：新建一個(gè)的RA6M5工程， 然后將工程文件夾重命名為 “25_DAC” ,之后將其加入到我們的e2 studio工作空間中。

Keil ：我們可以拷貝一份我們之前的Keil工程模板， 然后將工程文件夾重命名為 “25_DAC” ，并進(jìn)入該文件夾雙擊里面的 Keil 工程文件，打開該工程。

26.4.2.2. FSP配置

我們先打開e2 studio軟件里面的 Smart Configurator 配置FSP。 雙擊 configuration.xml 打開配置界面： 然后點(diǎn)開依次點(diǎn)擊 Stacks -> New Stack -> Analog -> DAC(r_dac) 來(lái)配置DAC模塊。

DAC頁(yè)面的屬性介紹

DAC 屬性介紹 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter26/chapter26.html#id25 "永久鏈接至表格")| Name | 名稱 |
| - | - |
| ---------------------- |

配置完成之后可以按下快捷鍵“Ctrl + S”保存， 最后點(diǎn)右上角的 “Generate Project Content” 按鈕，讓軟件自動(dòng)生成配置代碼即可。

26.4.2.3. DAC初始化

/**
* @brief  初始化DAC
* @param  無(wú)
* @retval 無(wú)
*/
void dac_Init()
{
    R_DAC_Open(DAC.p_ctrl, DAC.p_cfg);
    R_DAC_Start(DAC.p_ctrl);
}

1. R_DAC_Open()配置單個(gè) DAC 通道，啟動(dòng)通道，并提供用于 DAC API 寫入和關(guān)閉函數(shù)的句柄。
2. R_DAC_Start()啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換輸出。

26.4.2.4. DAC設(shè)置電壓

/**
* @brief  設(shè)置當(dāng)前的電壓3.3V
* @param  需要控制的電壓
* @retval 無(wú)
*/
void dac_Set(double voltage)
{
    uint16_t dac_date;
    dac_date = (uint16_t)4095*((voltage)/3.3f);
    R_DAC_Write(DAC.p_ctrl, dac_date);
}

通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換公式將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，輸入到R_DAC_Write()函數(shù)里， R_DAC_Write()會(huì)將數(shù)據(jù)寫入到 D/A 轉(zhuǎn)換器里。

26.4.2.5. DAC輸出正弦波

/*py生成的正弦波變量*/
int var[] = {2048, 2460, 2856, 3218, 3532, 3786, 3969, 4072, 4093, 4031, 3887, 3668,
          3382, 3042, 2661, 2255, 1841, 1435, 1054, 714, 428, 209, 65, 3, 24, 127,
          310, 564, 878, 1240, 1636, 2048};

/**
* @brief  生成正弦波波形
* @param  輸入可以調(diào)節(jié)波形的寬度
* @retval 無(wú)
*/
void dac_Circle(uint32_t timer)
{
    for(int i = 0 ; i < (sizeof(var)/sizeof(var[0])); i++)
    {
        R_DAC_Write(DAC.p_ctrl, var[i]);
        R_BSP_SoftwareDelay(timer, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }
}

通過(guò)輪循的方式將之前python生成的正弦波數(shù)據(jù)輸入到R_DAC_Write()函數(shù)里面， 并且延時(shí)一段時(shí)間。 而延時(shí)時(shí)間就是我們輸入到函數(shù)里面的數(shù)值， 通過(guò)改變這一數(shù)值我們就可以調(diào)節(jié)正弦波的周期以及頻率。

26.4.2.6. 主函數(shù)

void hal_entry(void)
{
   dac_Init(); //DAC初始化
      while(1)
      {
         dac_Circle(100);  //正弦波函數(shù)
      }

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
   /* Enter non-secure code */
   R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

26.4.3. 下載驗(yàn)證

用USB線連接開發(fā)板的“USB轉(zhuǎn)串口”接口跟電腦，把編譯好的程序下載到開發(fā)板，使用示波器測(cè)量P014的引腳可看到正弦波形（示波器使用x10倍檔測(cè)量更加準(zhǔn)確），見圖 26?6，注意觀察圖中示波器測(cè)量出的頻率值和電壓峰值。

圖 26?6 使用示波器測(cè)量出的電壓波形