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用STM32打造高精度波形发生器：从原理到实战

你有没有遇到过这样的场景？想做个音频信号测试，手头却只有个简陋的单片机开发板；调试传感器时需要一个稳定的正弦激励源，但函数发生器又贵又笨重。其实，一块常见的STM32开发板，就能摇身一变成为一台可编程、低成本、高性能的数字波形发生器。

这并非天方夜谭。借助STM32内置的DAC（数模转换器）、定时器（TIM）和DMA（直接存储器访问）三大外设协同工作，我们完全可以构建出支持正弦波、三角波、方波等多种波形输出的实时信号源系统。整个过程无需额外芯片，代码简洁高效，还能灵活调节频率与幅度——听起来是不是很诱人？

今天，我们就来一步步拆解这个“嵌入式信号生成”的经典设计模式，不仅告诉你怎么实现，更要讲清楚背后的逻辑与坑点。

为什么选STM32来做波形发生器？

在MCU家族中，STM32之所以能在信号生成领域脱颖而出，关键在于它把几个原本分散的功能模块高度集成到了一起：

• 12位高精度DAC：比如STM32F103C8T6这类常用型号就集成了双通道12位DAC，电压分辨率可达 $ \frac{V_{REF+}}{4096} $，足以胜任中低频模拟信号输出；
• 专用定时器触发机制：基本定时器如TIM6、TIM7能产生精确的更新事件（Update Event），可作为硬件级“发令枪”驱动DAC刷新；
• DMA自动传输支持：让数据从内存到DAC寄存器的搬运全程自动化，CPU几乎零参与。

这套组合拳下来，系统既能保证采样点之间严格等间隔（时间一致性好），又能维持高频输出而不拖累主控性能——而这正是传统软件延时或中断轮询方式难以企及的。

更重要的是，这一切都基于标准库或HAL库即可完成，不需要写底层寄存器操作也能快速上手。

核心三剑客：DAC + TIM + DMA 如何配合？

要理解整个系统的运作机制，我们必须搞明白这三个核心外设是如何协同工作的。它们之间的关系可以用一句话概括：

定时器负责“打拍子”，DMA负责“递数据”，DAC负责“唱出来”。

下面我们逐个剖析每个模块的关键角色。

DAC：把数字变成模拟

STM32的DAC本质上是一个12位电压输出型转换器，典型参考电压为3.3V，因此最小步进约为0.8mV（3.3V / 4096）。它的输入是数字值（比如0x000 ~ 0xFFF），输出则是对应的模拟电压。

关键配置项

当DAC配置为“外部触发 + DMA使能”模式后，它就不会再响应CPU直接写寄存器的操作了，而是等待外部事件到来时，自动从DMA获取新数据并输出。

这就引出了下一个关键角色——定时器。

TIM：精准的节拍控制器

在所有定时器中，TIM6 和 TIM7是最适合用于波形生成的基本定时器。它们虽然功能简单（没有PWM输出通道），但却专为周期性任务优化，具备以下优势：

• 支持向上计数模式；
• 可输出更新事件（TRGO）给其他外设使用；
• 占用资源少，稳定性高；
• 在睡眠模式下仍可运行（若时钟源允许）。

以STM32F1系列为例，假设系统主频为72MHz：

PSC = 71; // 分频系数 → 得到1MHz计数频率 (72MHz / 72) ARR = 99; // 自动重载值 → 每100个计数产生一次更新事件

这样，TIM6每秒就会发出 $ \frac{1\text{MHz}}{100} = 10\text{kHz} $ 次触发信号。也就是说，DAC每100μs更新一次输出值。

这个频率就是我们的采样率。根据奈奎斯特采样定理，理论上最高可无失真还原5kHz以下的信号。

DMA：沉默的数据搬运工

如果没有DMA，你要靠中断或循环不断往DAC寄存器塞数据，一旦频率稍高（>10kHz），CPU就会被完全占用。而DMA的作用，就是把这个重复劳动交给硬件来完成。

工作流程如下：

1. 预先定义一个波形查找表（如sin_table[256]）；
2. 配置DMA通道：源地址指向该数组首地址，目标地址为DAC的数据寄存器；
3. 设置为“内存递增、外设固定、半字宽度、循环模式”；
4. 启动后，每次DAC完成一次转换，就会向DMA发起请求；
5. DMA立即响应，将下一个数据送入DAC寄存器，准备下一轮输出；
6. 数组遍历完后自动回到起点，实现无限连续播放。

整个过程中，CPU只需初始化一次，之后就可以去处理显示、按键、通信等任务，真正做到“后台运行”。

实战配置：如何搭起整套系统？

下面我们将上述理论转化为实际配置步骤，并附带完整可运行的代码框架（基于STM32F1标准外设库）。

系统连接图

[波形数组] ↓ (DMA传输) [DAC_DHRx寄存器] → [PA4模拟输出] ↑ [由TIM6 Update Event触发] ↑ [TIM6: PSC=71, ARR=99 → 10kHz触发频率]

初始化流程详解

#include "stm32f10x.h" // 256点正弦波查找表（12位量化，中心值2048） const uint16_t sin_table[256] = { 2048, 2145, 2241, 2336, 2430, 2522, 2612, 2700, 2786, 2869, 2949, 3026, 3100, 3170, 3236, 3299, 3358, 3413, 3463, 3509, 3550, 3586, 3617, 3643, 3664, 3680, 3691, 3697, 3698, 3694, 3685, 3671, // ... 中间省略 ... 1825, 1779, 1685, 1593, 1503, 1415, 1331, 1249, 1171, 1096, 1025, 958, 895, 836, 781, 731, 685, 643, 606, 573, 545, 521, 502, 488, 478, 473, 472, 476, 484, 497, 514, 535, 560, 589, 621, 656, 694, 735, 778, 824, 872, 922, 973, 1026, 1080, 1135, 1191, 1248, 1305, 1363, 1421, 1479, 1537, 1594, 1651, 1707, 1762, 1816, 1869, 1920, 1970, 2018, 2048 // 回到中心点 }; void WaveGen_Init(void) { GPIO_InitTypeDef gpio; DAC_InitTypeDef dac; TIM_TimeBaseInitTypeDef tim; DMA_InitTypeDef dma; // ------------------- 1. 使能时钟 ------------------- RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC | RCC_APB1Periph_TIM6 | RCC_APB1Periph_DMA1, ENABLE); // ------------------- 2. 配置PA4为模拟输出 ------------------- gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式（复用为DAC输出） GPIO_Init(GPIOA, &gpio); // ------------------- 3. 配置DAC通道1 ------------------- dac.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T6_TRGO; // 使用TIM6触发 dac.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None; dac.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Enable; // 启用缓冲 dac.DAC_LFSRUnmask_Bits = 0; // 不使用噪声波形 DAC_Init(DAC_Channel_1, &dac); DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE); // 开启DAC通道 DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 2048); // 初始输出中点电平 // ------------------- 4. 配置TIM6 ------------------- tim.TIM_Period = 99; // ARR = 99 → 100个计数周期 tim.TIM_Prescaler = 71; // PSC = 71 → 1MHz计数时钟 tim.TIM_ClockDivision = 0; tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM6, &tim); TIM_SelectOutputTrigger(TIM6, TIM_TRGOSource_Update); // TRGO输出更新事件 TIM_Cmd(TIM6, ENABLE); // 启动定时器 // ------------------- 5. 配置DMA1 Channel3 ------------------- dma.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(DAC->DHR12R1); // 目标：DAC_CH1数据寄存器 dma.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)sin_table; // 源：正弦表首地址 dma.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; // 内存→外设 dma.DMA_BufferSize = 256; // 传输256次 dma.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不变 dma.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址递增 dma.DMA_PeripheralDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; dma.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; dma.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 循环模式 dma.DMA_Priority = DMA_Priority_High; dma.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; DMA_Init(DMA1_Channel3, &dma); DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE); // 启动DMA DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, ENABLE); // 使能DAC的DMA请求 }

主函数就这么简单

int main(void) { SystemInit(); // 初始化系统时钟为72MHz WaveGen_Init(); // 启动波形发生器 while (1) { // CPU空闲，可以做别的事：读按键、刷屏、收串口命令…… } }

只要这段代码跑起来，PA4脚就会持续输出频率为 $ \frac{10\text{kHz}}{256} \approx 39.06\text{Hz} $ 的正弦波！

如果想改成1kHz正弦波？只需要调整ARR值即可：

TIM6->ARR = 9; // 采样率变为100kHz → 100k / 256 ≈ 390.6Hz // 或者减少波形点数，例如用64点表，则 10k / 64 = 156.25Hz

常见问题与调试秘籍

别以为配好了就能一帆风顺，实际调试中常踩的坑不少，这里分享几个真实经验：

❌ 问题1：输出是直流电平，没波形？

排查方向：
- 是否忘了启动TIM6？TIM_Cmd(TIM6, ENABLE)缺失。
- 是否漏掉DAC_DMACmd()？仅开DMA不够，还得让DAC允许DMA访问。
- DMA通道是否正确？STM32F1中DAC_CH1对应DMA1_Channel3。

❌ 问题2：波形有明显阶梯感？

这是典型的采样点太少或滤波不足的表现。

解决方案：
- 增加波形表长度（如从64点升级到512点）；
- 添加一阶RC低通滤波器，截止频率设为目标波形频率的2~3倍；
- 示例：目标1kHz正弦波 → RC滤波器 $ f_c = \frac{1}{2\pi RC} \approx 3\text{kHz} $，选R=1kΩ, C=51nF。

❌ 问题3：频率调不准？

注意：改变ARR会影响采样率，进而影响最终波形频率。

公式回顾：
$$
f_{\text{out}} = \frac{f_{\text{sample}}}{N} = \frac{\text{TIM时钟}/(PSC+1)/(ARR+1)}{N}
$$

其中 $ N $ 是波形表长度。因此动态调节频率时，要么改ARR，要么换不同密度的波形表。

建议做法：固定采样率（如10kHz），通过切换不同长度的波形表实现多档频率输出。

进阶玩法：不只是正弦波

有了这套架构，扩展性极强。你可以轻松添加以下功能：

甚至还可以玩双通道同步输出（利用DAC_CH2 + TIM7），实现相位差可调的双路信号源，用于教学演示或差分激励。

总结与延伸思考

这套“DAC + TIM + DMA”三件套方案，看似简单，实则凝聚了嵌入式实时系统设计的精髓：

• 硬件协同代替软件轮询，提升效率；
• 事件驱动代替主动控制，增强稳定性；
• 资源解耦让CPU专注更高层任务。

它不仅是做一个波形发生器的技术路径，更是一种思维方式：如何利用MCU内部外设联动，构建低延迟、高可靠的数据流管道。

如果你正在学习STM32，强烈建议亲手实现一遍这个项目。你会发现，原来那些枯燥的定时器参数、DMA模式、触发源选择，都有其存在的意义。

当你第一次在示波器上看到自己生成的光滑正弦波时，那种成就感，绝对值得你花几个小时去折腾。

动手提示：
- 开发环境推荐使用 STM32F103C8T6 最小系统板 + ST-Link 下载器；
- 示波器观察PA4输出，记得加0.1μF去耦电容；
- 若无示波器，可用耳机听音频范围内的正弦波（注意限流！）；
- 完整工程可在GitHub搜索关键词stm32 dac waveform generator找到开源实现。

如果你也在用STM32做信号相关项目，欢迎留言交流你的经验和挑战！