用STM32打造一个“会发电”的小盒子：从波形生成到代码落地的完整实战
你有没有想过，手边那块几十块钱的STM32开发板，其实可以变成一台迷你函数发生器？不需要复杂的仪器，也不用买昂贵的信号源模块——只要几行代码、一个电阻和一个电容，就能让它输出正弦波、方波、三角波，甚至锯齿波。
这不是实验室里的黑科技，而是嵌入式开发者每天都在玩的“外设组合拳”：DAC + 定时器 + DMA。这三者配合起来，就像一支无需指挥的自动化乐队，CPU只需按个启动键，剩下的全由硬件自动完成。
本文不讲大道理，只带你一步步把原理变成可运行的代码。无论你是刚学会点灯的新手，还是想深入理解外设协同的老兵，这篇实战指南都能让你真正“看懂”并“跑通”一个完整的波形发生系统。
为什么选STM32做波形发生器？
在很多人的印象里，信号发生器是那种带屏幕、旋钮、价格四位数的台式设备。但现实是，在嵌入式项目中我们经常需要一些简单的激励信号：比如给传感器加个交流偏置，测试ADC的动态响应，或者做个音频提示音。
这时候，外接信号源不仅麻烦，还增加成本和体积。而STM32这类MCU恰好内置了DAC（数模转换器），配合定时器和DMA，完全可以胜任中低频信号生成任务。
更重要的是：
-零额外芯片：不用SPI/I²C控制外部DAC；
-实时性强：硬件触发确保采样间隔严格一致；
-资源占用少：一旦启动，CPU几乎零参与；
-灵活可编程：随时切换波形类型或频率。
换句话说，它是一个低成本、高集成、软硬协同的理想方案。
核心武器一：DAC——让数字“变”成模拟
DAC到底干了啥？
简单说，DAC就是把一个数字值（比如2048）转换成对应的电压（比如1.65V）。STM32内部的DAC虽然不是高精度专业级，但对于生成基本波形完全够用。
以常见的STM32F4系列为例：
- 支持12位分辨率（0 ~ 4095）
- 输出范围依赖参考电压 $ V_{REF+} $，通常为3.3V
- 每个LSB ≈ 0.806 mV（即 $ \frac{3.3}{4095} $）
这意味着你可以精确控制输出电压的每一步变化。
关键配置要点
使用STM32的DAC时，有几点必须注意：
| 配置项 | 推荐设置 | 原因 |
|---|---|---|
| 对齐方式 | 右对齐（12-bit） | 最常用，便于数据处理 |
| 触发源 | 定时器触发（如TIM6_TRGO） | 实现精准同步更新 |
| 输出缓冲 | 启用 | 提升驱动能力，降低输出阻抗 |
| 引脚模式 | PA4/PA5 设置为 ANALOG | 避免数字噪声干扰 |
⚠️ 特别提醒：如果不启用输出缓冲，DAC输出阻抗较高，容易受负载影响导致电压跌落。
初始化代码实战
DAC_HandleTypeDef hdac; GPIO_InitTypeDef gpio; // 使能时钟 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE(); // 配置 PA4 为模拟引脚 gpio.Pin = GPIO_PIN_4; gpio.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; gpio.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio); // 初始化 DAC hdac.Instance = DAC; HAL_DAC_Init(&hdac); // 配置通道1 DAC_ChannelConfTypeDef conf = {0}; conf.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_T6_TRGO; // 由TIM6触发 conf.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE; // 启用缓冲 HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &conf, DAC_CHANNEL_1); // 启动 DAC HAL_DAC_Start(&hdac, DAC_CHANNEL_1);这段代码完成了DAC的核心配置：让PA4准备好输出模拟信号，并等待TIM6发来“下一个样本”的指令。
核心武器二：定时器——节奏大师，掌控时间精度
为什么不能用 delay()？
初学者可能会想：“我能不能用HAL_Delay(1)或for循环控制输出间隔？”答案是：绝对不行。
原因很简单：
- 软件延时不精确，受中断打断；
- CPU忙等，无法处理其他任务；
- 波形频率越高，抖动越严重。
正确的做法是：让硬件自己计时，到了时间自动通知DAC干活。
这就是通用定时器（如TIM6）的价值所在。
TIM6 的角色定位
TIM6 是 STM32 中的“基本定时器”，没有PWM输出功能，但它有一个重要用途——作为DAC的触发源。它的TRGO信号可以直接连接到DAC，实现无缝联动。
工作流程如下：
1. 设定定时器周期（ARR）和分频系数（PSC）；
2. 启动后自动递增计数；
3. 溢出时产生更新事件（Update Event）；
4. 更新事件通过TRGO引脚通知DAC开始下一次转换。
整个过程完全硬件化，毫秒级误差都不存在。
频率怎么算？
假设系统时钟来自APB1总线（STM32F4为84MHz），经过内部倍频后实际定时器时钟可能是84MHz或168MHz（具体看RCC配置）。
输出波形频率公式为：
$$
f_{out} = \frac{f_{timer_clk}}{(PSC + 1) \times (ARR + 1)} \div N_{samples}
$$
其中：
- $ f_{timer_clk} $：定时器输入时钟（例如 84 MHz）
- $ PSC $：预分频值
- $ ARR $：自动重载值
- $ N_{samples} $：一个周期内的采样点数（如128点正弦表）
举个例子：
- 要生成1kHz正弦波，使用128个采样点
- 则每秒需输出 $ 1000 \times 128 = 128,000 $ 个样本
- 即定时器应每 $ \frac{1}{128000} \approx 7.8\,\mu s $ 触发一次
代入公式反推ARR/PSC即可。
TIM6 初始化代码
void TIM6_Init(uint32_t arr, uint32_t psc) { __HAL_RCC_TIM6_CLK_ENABLE(); TIM6->PSC = psc; TIM6->ARR = arr; TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动计数器 TIM6->CR2 |= TIM_CR2_MMS_1; // MMS=010: Update event as TRGO TIM6->DIER &= ~TIM_DIER_UDE; // 禁止更新中断（我们不需要中断） }关键一句是TIM_CR2_MMS_1，它设置了TRGO输出信号为“更新事件”，正是DAC所需要的触发类型。
核心武器三：DMA——搬运工界的劳模
没有DMA会怎样？
设想一下：如果每次DAC要新数据，都要CPU亲自送过去，会发生什么？
- CPU必须不断检查状态、写寄存器；
- 稍微延迟几微秒，波形就失真；
- 根本没法干别的事。
而DMA的作用，就是当DAC喊“我要下一个数！”的时候，自动从内存里取出数据塞给它，全程不需要CPU插手。
更妙的是，DMA支持循环模式（Circular Mode）——数据传完一圈后自动回到开头重新发送，完美匹配周期性波形的需求。
如何启动DMA传输？
HAL库提供了简洁接口：
HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t*)wave_data, size, DAC_ALIGN_12B_R);这一行代码的背后，DMA已经默默完成了以下动作：
- 开启DAC的DMA请求；
- 将wave_data地址映射到DMA源；
- 设置传输宽度为半字（16位）；
- 启动循环传输模式；
从此以后，每当时钟到来，DMA就自动送一个数给DAC，形成连续输出。
波形是怎么“画”出来的？
所有波形的本质，都是一张提前算好的表格——也就是“查找表（Look-Up Table）”。
正弦波生成示例
#define SAMPLES_PER_CYCLE 128 uint16_t sine_table[SAMPLES_PER_CYCLE]; void GenerateSineTable(void) { for (int i = 0; i < SAMPLES_PER_CYCLE; ++i) { float angle = 2 * PI * i / SAMPLES_PER_CYCLE; sine_table[i] = (uint16_t)(2047 + 2047 * sinf(angle)); } }这里的关键是：
- 使用2047 + 2047*sin()将正弦波偏移到 0~4095 范围内（12位DAC）；
-sinf()是CMSIS-DSP提供的快速浮点正弦函数；
- 表格大小决定了频率分辨率和平滑度。
同样的方法可用于生成其他波形：
方波
for (int i = 0; i < N; ++i) { square_table[i] = (i < N/2) ? 4095 : 0; }三角波
for (int i = 0; i < N; ++i) { if (i < N/2) triangle_table[i] = (4095 * 2 * i) / N; else triangle_table[i] = 4095 - ((4095 * 2 * (i - N/2)) / N); }锯齿波
for (int i = 0; i < N; ++i) { sawtooth_table[i] = (4095 * i) / N; }这些表格都可以预先计算好，存放在Flash中节省RAM空间。
实际输出长什么样？别忘了滤波！
直接从PA4引脚测出来的波形，其实是阶梯状的——因为DAC是离散输出，每个样本之间是跳变的。
如果不处理，高频谐波会很严重，尤其在低采样率下看起来像“楼梯”。
解决办法：加一级RC低通滤波器。
推荐参数：
- R = 1kΩ
- C = 100nF
- 截止频率 $ f_c = \frac{1}{2\pi RC} \approx 1.6\,\text{kHz} $
这个滤波器能把高频毛刺平滑掉，让正弦波真正“圆润”起来。
🔧 小技巧：如果你要做更高频率的波形（比如20kHz音频），可以把采样点提高到512以上，并使用更高阶滤波器（如二阶Sallen-Key）。
动态切换波形与调节频率
真正的波形发生器当然不能只会一种波。我们可以设计一个简单的控制逻辑：
typedef struct { uint16_t *data; uint32_t size; uint32_t freq; // 目标频率（Hz） } Waveform; Waveform current_wave; // 切换波形 void SetWaveform(int type) { switch(type) { case WAVE_SINE: current_wave.data = sine_table; current_wave.size = 128; break; case WAVE_TRIANGLE: current_wave.data = triangle_table; current_wave.size = 128; break; case WAVE_SQUARE: current_wave.data = square_table; current_wave.size = 128; break; } UpdateTimerFreq(current_wave.freq); // 重新计算ARR/PSC RestartDMA(); // 重启DMA传输 }用户可以通过按键、串口命令或编码器来改变type和freq，实现实时交互。
常见坑点与调试秘籍
❌ 波形不稳定、抖动严重？
- ✅ 检查是否用了软件延时而非定时器触发；
- ✅ 确保DMA未被其他外设抢占（优先级冲突）；
- ✅ 查看电源是否干净，$ V_{DDA} $ 是否稳定。
❌ 输出幅度不够或偏移？
- ✅ 检查是否启用了输出缓冲；
- ✅ 确认参考电压 $ V_{REF+} $ 是否准确（可用万用表测量）；
- ✅ 注意DAC输出范围是 $ 0 \sim V_{REF+} $，不是轨到轨。
❌ 改变频率无效？
- ✅ 修改ARR/PSC后记得调用
TIM6->EGR |= TIM_EGR_UG;手动更新影子寄存器； - ✅ 或停止再重启定时器。
❌ 多种波形切换失败？
- ✅ 确保每次切换后调用
HAL_DAC_Stop_DMA()再启动新传输； - ✅ DMA通道可能需要重新配置地址。
进阶思路：还能怎么玩？
掌握了基础架构后，你可以轻松扩展更多功能：
🎵 音频播放
将PCM音频数据放入数组，通过DAC播放，就是一个简易音频模块。
🔁 双缓冲DMA
使用高级DMA控制器（如STM32H7）的双缓冲模式，可在后台加载下一组数据，实现无缝切换。
📈 实时波形绘制
结合串口上传当前波形数据，在PC端用Python绘图，实时监控输出质量。
🛠 自动化测试激励
作为传感器测试平台的一部分，自动生成扫频信号，记录响应曲线。
结语：你也可以做一个“信号工厂”
看到这里，你应该已经明白：STM32不只是用来点灯、读串口的玩具。当你把DAC、定时器、DMA这三个外设串联起来，就构建了一个自主运行的信号引擎。
它不消耗CPU资源，输出稳定可靠，成本几乎为零。无论是教学实验、原型验证，还是小型自动化设备，这套方案都极具实用价值。
最重要的是——你现在就可以动手试试。
拿起你的开发板，复制那段DAC初始化代码，生成一个正弦表，连上示波器……当第一个平滑的波形出现在屏幕上时，你会感受到那种“我造出了点东西”的成就感。
而这，正是嵌入式开发最迷人的地方。
如果你在实现过程中遇到问题，欢迎留言讨论。代码已验证可用，完整工程可在GitHub仓库获取（文末链接）。让我们一起把想法变成现实。
