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从零构建一个STM32波形发生器：不只是“输出正弦波”那么简单

你有没有试过在实验室里，想测个运放的频率响应，却发现手头没有函数发生器？或者做音频项目时，需要一个可调频的测试信号，却只能靠手机App凑合？

其实，一块STM32开发板，就能搞定这些事。而且，它不仅能输出标准波形，还能让你真正理解嵌入式系统中实时信号生成的核心逻辑——不是简单地“让PA4出个电压”，而是掌握如何用硬件外设协同工作，实现低CPU占用、高精度、稳定连续的模拟输出。

今天我们就来手把手搭建一个基于STM32的波形发生器。别担心代码多、原理深——我们会从最基础的问题出发：怎么让一个MCU“持续不断地”输出平滑的正弦波？

为什么不能用HAL_DAC_SetValue()加延时循环？

很多初学者一开始会这么写：

while (1) { for (int i = 0; i < 100; i++) { HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, sin_table[i]); HAL_Delay(1); // 等1ms再输出下一个点 } }

结果呢？示波器上看到的根本不是正弦波，而是一堆跳变剧烈、频率不准、还带着毛刺的阶梯信号。

问题出在哪？

• HAL_Delay()依赖SysTick中断，调度不精确；
• 每次调用函数都有函数栈开销；
• CPU全程被占用，无法处理其他任务；
• 输出节奏受中断干扰，导致采样间隔不均，波形严重失真。

要解决这个问题，就得跳出“软件轮询”的思维定式，转而利用STM32强大的硬件自动化机制：定时器 + DAC + DMA三位一体协作。

核心三剑客：DAC、定时器、DMA 如何配合？

真正的高手设计，是让CPU“只动一次手”，剩下的全交给硬件自动完成。

我们来拆解这个系统的运作流程：

1. 数据准备好了吗？→ 是的，正弦波的100个采样点已经存进内存（查找表）；
2. 谁来决定什么时候输出下一个点？→ 定时器每100μs发一个“滴答”信号；
3. 谁来搬运数据到DAC？→ DMA听到“滴答”就自动把下一个值送过去；
4. DAC什么时候转换？→ 收到“滴答”就立即执行一次D/A转换；
5. CPU干嘛？→ 初始化完就去睡觉，或者干别的事。

整个过程就像一条流水线：
定时器是节拍器，DMA是传送带，DAC是最终执行器。三者联动，形成闭环。

✅ 关键优势：
- 波形频率由硬件定时器决定，极其精准；
- 数据传输由DMA完成，无中断抖动；
- CPU负载接近于零，系统资源利用率最大化。

DAC模块详解：不只是“数字变电压”

STM32内置的DAC并不是简单的“数模转换盒子”。以常见的STM32F4系列为例，它的DAC有以下几个关键特性值得深挖：

最容易忽略的一点：DAC的“启动方式”

很多人初始化DAC后发现没输出，原因往往是忽略了触发机制。

默认情况下，DAC处于“手动模式”——必须调用API才能触发一次转换。但我们想要的是自动连续输出，所以必须配置为外部触发 + DMA模式。

比如，我们将DAC设置为由TIM6的TRGO信号触发：

sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_T6_TRGO;

这意味着：每当TIM6产生一次更新事件，就会通过内部信号线自动触发DAC开始一次转换。

⚠️ 注意：这里的连接是芯片内部硬连线，不需要你接任何物理导线！

定时器怎么当“节拍器”？算清楚每一微秒

定时器是整个系统的时间心脏。我们选通用定时器TIM6，因为它专为DAC/ADC触发设计，结构简单、可靠性高。

假设系统主频为72MHz，我们要让DAC每100μs更新一次数据，该怎么配置？

分频器（PSC）和自动重载（ARR）怎么算？

目标：
- 计数器每1μs增加1；
- 每100个计数产生一次更新事件 → 周期100μs，频率10kHz。

计算公式如下：

$$
\text{Timer Clock} = \frac{f_{sys}}{PSC + 1}
$$

令其等于1MHz → $ PSC = 71 $

然后设置ARR = 99（因为从0开始计数），即可实现每100μs溢出一次。

此时更新事件频率为：

$$
f_{trig} = \frac{1\,\text{MHz}}{100} = 10\,\text{kHz}
$$

如果我们的正弦查找表有100个点，那么最终输出波形频率就是：

$$
f_{out} = \frac{f_{trig}}{N} = \frac{10\,\text{kHz}}{100} = 100\,\text{Hz}
$$

🔧 调频秘诀：
想改变输出频率？改ARR或PSC就行！
想快速切换不同频率？可以用定时器比较模式或预分频动态调节。

下面是完整的TIM6初始化代码：

void TIM6_Config_For_DAC(void) { htim6.Instance = TIM6; htim6.Init.Prescaler = 71; // 72MHz / 72 = 1MHz htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim6.Init.Period = 99; // 100 * 1μs = 100μs周期 htim6.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_Base_Init(&htim6); TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE; // 更新事件作为TRGO输出 sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim6, &sMasterConfig); HAL_TIM_Base_Start(&htim6); // 启动定时器 }

一旦启动，TIM6就开始独立运行，不再需要CPU干预。

查找表不只是“sin数组”：设计中的权衡艺术

查找表（Lookup Table）是波形生成的基础，但它的设计远不止“for循环填sin值”这么简单。

表长选多少合适？

• 太短（如8点）：波形呈明显锯齿状，谐波丰富，失真大；
• 太长（如1000点）：内存占用高，且对STM32 DAC带宽意义不大。

经验法则：采样率 ≥ 输出频率 × 20，即每个周期至少20个采样点。

例如，你想输出最高1kHz的正弦波，则最低采样率为20kHz。若定时器触发频率设为200kHz（每5μs一次），则可用100点表对应2kHz输出。

我们定义一个100点的正弦波表：

#define WAVE_TABLE_SIZE 100 uint16_t sin_wave_table[WAVE_TABLE_SIZE];

生成函数如下：

void Generate_Sine_Table(void) { for (int i = 0; i < WAVE_TABLE_SIZE; i++) { float angle = 2.0f * PI * i / WAVE_TABLE_SIZE; float sample = sinf(angle); // 映射到0~4095：(-1~+1) → (0~4095) sin_wave_table[i] = (uint16_t)((sample + 1.0f) * 2047.5f); } }

💡 为什么乘的是2047.5？
因为$ (1 + 1) \times 2047.5 = 4095 $，正好覆盖12位DAC的全部范围。

存哪里更合理？

• 如果是固定波形（如标准正弦），建议用const关键字存在Flash中，节省RAM；
• 如果支持用户自定义波形或实时修改，则需放在SRAM，并允许运行时更新。

终极武器：DMA如何实现“永不停歇”的波形输出

前面说了，DMA是那个“搬运工”。但它不只是搬一次，而是要循环搬运，才能实现无限重复播放。

我们使用HAL_DAC_Start_DMA()启动传输：

HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t*)sin_wave_table, WAVE_TABLE_SIZE, DAC_ALIGN_12B_R);

这个函数背后做了什么？

1. 配置DMA通道将sin_wave_table地址作为源；
2. 目标地址设为DAC的数据寄存器（DHRx）；
3. 设置传输长度为WAVE_TABLE_SIZE；
4. 启用循环模式（Circular Mode）—— 这是最关键的一点！

所谓循环模式，就是当DMA搬完最后一个数据后，自动回到第一个重新开始，周而复始，永不终止。

🎯 效果：只要定时器在“滴答”，DMA就在“搬运”，DAC就在“输出”。

这种机制下，即使程序后续进入低功耗模式，只要定时器和DAC时钟仍在运行，波形就能持续输出。

实际电路注意事项：别让噪声毁了你的波形

理论再完美，也架不住PCB上的噪声干扰。以下是几个实战中必须注意的细节：

1. 加一级RC低通滤波器

DAC输出的是“阶梯波”，含有大量高频成分（奈奎斯特镜像）。为了还原平滑波形，必须加滤波器。

推荐使用一阶RC滤波器：

• 截止频率略高于目标最大输出频率（如设置为2kHz用于1kHz正弦波）；
• 典型参数：R = 1kΩ, C = 100nF → fc ≈ 1.6kHz。

电路图很简单：

PA4 (DAC_OUT) ──┬───[1kΩ]───→ VOUT ──→ 负载/示波器 │ [100nF] │ GND

2. 电源与地的设计

• VDDA和VREF+引脚必须去耦：靠近芯片放置0.1μF陶瓷电容 + 1~10μF钽电容；
• 模拟地与数字地单点连接：避免数字开关噪声串入模拟部分；
• 尽量缩短DAC输出走线，远离高速数字信号线。

3. 输出驱动能力不足怎么办？

STM32 DAC输出阻抗较高，带容性负载能力弱。如果你要驱动长电缆或后级电路输入阻抗较低，建议增加电压跟随器：

• 使用LM358、OP07等通用运放；
• 接成单位增益缓冲器形式；
• 提升驱动能力并隔离前后级。

常见坑点与调试秘籍

❌ 问题1：DAC没输出电压

排查步骤：
- 检查PA4是否正确配置为GPIO_MODE_ANALOG；
- 检查DAC时钟是否使能：__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE()；
- 检查定时器是否已启动：HAL_TIM_Base_Start()；
- 用万用表测PA4是否有静态偏置（如1.65V左右）。

❌ 问题2：波形频率不对

常见原因：
- 系统时钟未正确配置（误以为是72MHz，实际只有16MHz）；
- ARR或PSC计算错误；
- 定时器未启用TRGO输出。

调试建议：先用示波器测量TIM6的TRGO是否按预期发出脉冲（可通过映射到GPIO调试，或逻辑分析仪抓取）。

❌ 问题3：波形跳动、抖动严重

这通常是中断抢占或DMA冲突导致。

解决方案：
- 确保DMA优先级足够高；
- 避免在同一总线上频繁进行SRAM访问；
- 关闭不必要的中断源；
- 使用双缓冲DMA（高级技巧，后续可拓展）。

进阶思路：这个设计还能怎么升级？

你现在拥有的，不仅仅是一个波形发生器原型，更是一个可扩展的平台。接下来可以尝试以下方向：

✅ 多波形切换

预先生成方波、三角波、锯齿波等查找表，通过按键或串口命令切换DMA源地址。

✅ 数字旋钮调频

接入编码器，动态修改TIM6的ARR值，实现无级调频。

✅ 上位机控制

通过USART或USB连接PC，发送指令调整波形类型、频率、幅值。

✅ 外接高速DAC

STM32片内DAC带宽有限（几十kHz级），若需输出百kHz以上信号，可外挂AD9708等高速DAC，仍由DMA+定时器驱动。

✅ 实时算法生成

不用查表，改用CORDIC算法实时计算sin值，结合双缓冲DMA实现变频无缝过渡。

写在最后：学会“让硬件干活”，才算入门嵌入式

做一个波形发生器，看似只是“输出一个信号”，实则涵盖了嵌入式开发的核心思想：

• 不要让CPU做重复的事→ 交给DMA；
• 不要靠软件卡时间→ 交给定时器；
• 不要忽视模拟特性→ 注意电源、地、滤波；
• 模块化设计→ 查表法让功能扩展变得轻松。

当你第一次在示波器上看到那个平滑、稳定的正弦波缓缓出现时，你会明白：这不是某个函数调出来的结果，而是一整套精密协作的系统在默默运行。

而这，正是嵌入式系统的魅力所在。

如果你也在用STM32做信号相关项目，欢迎留言交流你的实现方案或遇到的难题。一起把这块小芯片，玩出更多可能。