使用STM32微控制器系列中的DAC生成音頻和波形之DAC特性

《前言》

本應(yīng)用筆記舉例介紹了使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 外設(shè)生成音頻輸出信號(hào)的過(guò)程，該 DAC 外設(shè)內(nèi)嵌在 STM32F10xx 微控制器系列產(chǎn)品中。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 是一種與模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能相反的器件，可以將數(shù)字形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。

STM32 DAC 模塊是 12 位字轉(zhuǎn)換器，帶有兩個(gè)支持立體聲音頻的輸出通道。 DAC 可用于多種音頻應(yīng)用中，例如：安全警報(bào)、藍(lán)牙耳機(jī)、發(fā)聲玩具、答錄機(jī)、人機(jī)接口以及低成本的音樂(lè)播放器STM32 DAC 還可實(shí)現(xiàn)許多其他模擬用途，如模擬波形產(chǎn)生和控制工程。

《DAC主要特性》

1、數(shù)據(jù)格式 DAC 可以使用以下三種整型格式的數(shù)據(jù)：8 位右對(duì)齊、12 位右對(duì)齊以及 12 位左對(duì)齊。12 位值的范圍在 0x000 到 0xFFF 之間，其中 0x000 為最小值，而 0xFFF 為最大值。

2、雙通道模數(shù) DAC 有兩個(gè)輸出通道，每個(gè)通道各有一個(gè)轉(zhuǎn)換器。在雙 DAC 通道模式下，轉(zhuǎn)換可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以同時(shí)進(jìn)行。 當(dāng) DAC 通道由同一個(gè)觸發(fā)源觸發(fā)后，兩個(gè)通道將組合在一起同步執(zhí)行更新操作，轉(zhuǎn)換也會(huì)同時(shí)進(jìn)行。

3、專用定時(shí)器 除了通過(guò)軟件和外部觸發(fā)器觸發(fā) DAC 轉(zhuǎn)換之外，還可以通過(guò)不同的定時(shí)器觸發(fā) DAC 轉(zhuǎn)換。 TIM6 和 TIM7 是兩個(gè)基本定時(shí)器，主要用于 DAC 觸發(fā)。每當(dāng) DAC 接口在所選的定時(shí)器觸發(fā)輸出 (TIMx_TRGO) 上檢測(cè)到上升沿時(shí)，DAC_DHRx 寄存器中存儲(chǔ)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)即會(huì)轉(zhuǎn)移到 DAC_DORx 寄存器中。

4、DMA功能 STM32 微控制器配有一個(gè)多通道 DMA 模塊。每個(gè) DAC 通道都連接到獨(dú)立的 DMA 通道。 對(duì)于 STM32F100x 微控制器，DAC 通道 1 連接到 DMA 通道 3，DAC 通道 2 連接到 DMA通道 4。未使用 DMA 時(shí)，CPU 用于向 DAC 提供模式波形。通常，波形保存在存儲(chǔ)器 (RAM) 中，CPU 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從 RAM 傳輸?shù)?DAC。

使用 DMA 時(shí)，系統(tǒng)的整體性能會(huì)因內(nèi)核的釋放而提升。此時(shí)，數(shù)據(jù)直接通過(guò) DMA 從存儲(chǔ)器傳輸?shù)?DAC，無(wú)需 CPU 執(zhí)行任何操作。這樣節(jié)省的 CPU 資源可供其它操作使用。

5、DMA下溢錯(cuò)誤 DMA 向 DAC 提供模式波形時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn) DMA 傳輸速度比 DAC 轉(zhuǎn)換速度快的情況。此時(shí)，DAC 會(huì)檢測(cè)到部分模式波形遭到忽略而不予轉(zhuǎn)換。它隨后會(huì)將“DMA 下溢錯(cuò)誤”標(biāo)志置 1?？梢允褂糜|發(fā)定時(shí)器通過(guò)共享 IRQ 通道處理下溢錯(cuò)誤，在 DAC 不通過(guò) TIM6 觸發(fā)時(shí)也可通過(guò)專用中斷來(lái)處理。

6、白噪聲發(fā)生器 6.1定義 STM32 微控制器 DAC 為用戶提供了一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器。根據(jù)移位寄存器上使用的節(jié)拍數(shù)，在序列重復(fù)前，可生成具有最多 2的n-1 次方個(gè)數(shù)的序列。

由噪聲發(fā)生器生成的噪聲具有均勻的頻譜分布，可將這些噪聲視為白噪聲。不過(guò)，白噪聲分布均勻，不具備高斯輸出特性。

噪聲波形的偏移量可以編程。使用預(yù)配置的偏移量表更改此偏移量(信號(hào)模式)，用戶可獲得與信號(hào)模式和噪聲波形之和相對(duì)應(yīng)的波形。

6.2典型應(yīng)用

STM32 微控制器具有采樣率高達(dá) 1 M/ 秒的 12 位增強(qiáng)型 ADC。在大多數(shù)應(yīng)用中，這種分辨率已經(jīng)足夠，但在一些需要更高精度的情況下，可以利用過(guò)采樣和抽選輸入信號(hào)的概念，以減少外部 ADC 解決方案的使用并降低應(yīng)用功耗。

STM32 應(yīng)用筆記 AN2668 中標(biāo)題為“使用白噪聲進(jìn)行過(guò)采樣”一節(jié)中詳細(xì)介紹了這些方法的詳細(xì)信息。

白噪聲發(fā)生器還可用于產(chǎn)生電子音樂(lè)，通常直接產(chǎn)生或作為濾波器的輸入來(lái)形成其它類型的噪聲信號(hào)。白噪聲發(fā)生器廣泛用于音頻合成，通常用于再現(xiàn)鈸等打擊樂(lè)器的效果，這些樂(lè)器在其頻域內(nèi)具有較高的噪聲量。

白噪聲發(fā)生器可用于控制工程，以及放大器和電子濾波器的頻率響應(yīng)測(cè)試。白噪聲是一種通用的合成噪聲源，用于通過(guò)耳鳴掩蔽器進(jìn)行聲掩蔽。

7、三角波發(fā)生器

7.1定義

STM32 DAC 為用戶提供了具有靈活的偏移量、振幅和頻率的三角波形發(fā)生器。理論上說(shuō)，三角波形是一種由無(wú)限組奇次諧波組成的波形。可以使用 DAC_CR 寄存器中的 MAMPx 位修正三角波形的振幅。

有關(guān)三角波形的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 STM32 參考手冊(cè)。 三角波形頻率與觸發(fā)源的頻率相關(guān)。

三角波形的偏移量可以編程。使用預(yù)配置的偏移量表更改三角波形地偏移量(信號(hào)模式)，用戶可獲得與信號(hào)模式和三角波形之和對(duì)應(yīng)的波形。

7.2典型應(yīng)用

由于三角波發(fā)生器的高次諧波下降速度更快，因此其音色比方波柔和，故而三角波發(fā)生器經(jīng)常用于聲音合成。

三角波發(fā)生器電路還可用于多種調(diào)制解調(diào)器電路應(yīng)用。

8、緩存的輸出

為了在不使用外部運(yùn)算放大器的情況下驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，DAC 通道內(nèi)嵌一個(gè)輸出緩沖器，可以根據(jù)用戶應(yīng)用情況進(jìn)行使能和禁止。

如果未對(duì) DAC 輸出進(jìn)行緩沖，當(dāng)用戶應(yīng)用電路中存在負(fù)載時(shí)，實(shí)際電壓輸出會(huì)低于預(yù)期電壓輸出。啟用緩沖器后，實(shí)際電壓輸出會(huì)與預(yù)期電壓輸出非常接近。

審核編輯：湯梓紅

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