基于STM32F103驱动DAC1220 20位/16位DAC数模转换模块输出可调±10V基准和三角波信号
一、DAC1220模块简介
DAC1220是一款在一定温度范围内，能实现20位或16位线性转换的低功耗串行数模转换器。原理上利用Σ-△技术实现其线性特性，可软件配置为16位输入模式和20位输入模式。20位输入时，建立时间可在15ms内达到0.003%；16位输入时，建立时间最大可在2ms内达到0.012%。输出电压最大为外部参考电压的2倍, 片上自校准电路可动态减少失调和增益误差，最大输出线性误差仅为±0.0015%。DAC1220采用同步串行接口，单一转换系统只需2根信号线控制即可，多转换系统需要片选信号配合。采用单电源供电(+5V，cM0s结构保证其低功耗特性，具有低噪声线性误差小、温漂小等特点。DAC1220可用于工业控制或高精度检测、测量系统。
特性
- 供电电压：5V
- 通讯协议：SPI串行
- DAC分辨率位数：20位 / 16位，软件切换
- 输出通道数：1个
- 输出电压范围：±10V
- 输出电压驱动能力：10mA
- 基准电压：2.5V
- 电压建立时间：16位：2ms，20位：15ms
应用场景
二、DAC1220模块接口说明
| V+ | 输入正 |
|---|---|
| GND | 输入负 |
| SCLK | 串行时钟输入 |
| SDIO | 串行数据输入/输出 |
| CS | 片选 |
三、功能框图和时序图分析说明
功能框图
时序图
DAC1220 的 SPI 不是标准 SPI，它是 SDIO 半双工 3 线接口，SDIO 既当 MOSI（输入） 又当 MISO（输出）。
Figure 9：CS 始终拉低时的写入/读取时序（不使用 CS）
写寄存器数据：SDIO = 输入模式，每个字节按 bit7→bit0 依次从 SDIO 写入，在 SCLK 上升沿采样。
读寄存器数据：SDIO 在读阶段变成输出，SDIO 输出 OUTM（MSB）、OUT1...OUT0，MCU 在 SCLK 上升沿读取。
Figure 10：使用 CS 的时序
CS 拉低开始通信，SCLK 工作期间保持 CS 低，CS 拉高结束通信，这个版本更像“普通 SPI”，更好实现。
Figure 11：SDIO 从输入到输出切换时序
MCU 必须在切换期间把 SDIO 设置为：写阶段：SDIO = 输出，读阶段：SDIO = 输入，否则会导致总线冲突 → 芯片损坏风险。
四、主要寄存器说明
DAC1220 中有四个寄存器，命令寄存器（CMR）、数据输入寄存器（DIR）、偏移校准寄存器（OCR）、满量程校准寄存器（FCR）。每个读/写命令由 1 字节命令 + N 字节数据 组成。
命令字节格式：R/W (bit7), MB(bits6–5: 表示要读/写 1/2/3 字节), ADR(bits3–0: 起始寄存器地址)。也就是说可以读/写寄存器映射中的连续字节（如写 DIR 的 3 个字节或读 OCR 的 3 字节），下图为命令字格式和起始寄存器地址。
命令寄存器（CMR）：用于配置工作模式，分辨率选择，滤波等参数。写入后在最后一个 SCLK 的下降沿生效。
数据输入寄存器（DIR）：决定正常模式下的输出电压。在睡眠模式下，写入此寄存器不会影响输出，但其值会被存储。进入正常模式后，DIR中的值立即生效。复位后，DIR的值将为零。
偏移校准寄存器（OCR）和满量程校准寄存器（FCR）：
偏移校准寄存器包含一个 24 位二进制补码值。在 DAC 转换之前，该值会加到 DIR 寄存器中的值上。在睡眠模式下，写入此寄存器不会影响输出，但该值会被存储。进入正常模式后，OCR 中的值立即生效。复位后，OCR 的值为零。
满量程校准寄存器存储增益校准常数。在 DAC 转换之前，DIR 寄存器的内容会乘以该值进行调整。在睡眠模式下，写入此寄存器不会影响输出，但该值会被存储。进入正常模式后，FCR 中的值立即生效。
五、STM32F103驱动DAC1220数模转换
准备工作
STM32F103C8T6开发板，DAC1220数模转换模块，OLED屏幕。
接线说明
| STM32F103C8T6 | DAC1220 |
|---|---|
| 5V | V+ |
| GND | GND |
| PA0 | SCLK |
| PA1 | SDIO |
| PA2 | CS |
| PB8 | OLED->SCL |
| PB9 | OLED->SDA |
代码示例
dac1220.c
#include "DAC1220.h"
u32 TriangleWave_Value[256]={
0 ,8192 , 16384 , 24576 , 32768 , 40960 , 49152 , 57344 , 65536 , 73728 , 81920 , 90112 , 98304 , 106496 ,
114688 , 122880 , 131072 , 139264 , 147456 , 155648 , 163840 , 172032 , 180224 , 188416 , 196608 , 204800 ,
212992 , 221184 , 229376 , 237568 , 245760 , 253952 , 262144 , 270336 , 278528 , 286720 , 294912 , 303104 ,
311296 , 319488 , 327680 , 335872 , 344064 , 352256 , 360448 , 368640 , 376832 , 385024 , 393216 , 401408 ,
409600 , 417792 , 425984 , 434176 , 442368 , 450560 , 458752 , 466944 , 475136 , 483328 , 491520 , 499712 ,
507904 , 516096 , 524288 , 532480 , 540672 , 548864 , 557056 , 565248 , 573440 , 581632 , 589824 , 598016 ,
606208 , 614400 , 622592 , 630784 , 638976 , 647168 , 655360 , 663552 , 671744 , 679936 , 688128 , 696320 ,
704512 , 712704 , 720896 , 729088 , 737280 , 745472 , 753664 , 761856 , 770048 , 778240 , 786432 , 794624 ,
802816 , 811008 , 819200 , 827392 , 835584 , 843776 , 851968 , 860160 , 868352 , 876544 , 884736 , 892928 ,
901120 , 909312 , 917504 , 925696 , 933888 , 942080 , 950272 , 958464 , 966656 , 974848 , 983040 , 991232 ,
999424 , 1007616 , 1015808 , 1024000 , 1032192 , 1040384 , 1048576 ,1040384 , 1032192 , 1024000 , 1015808 , 1007616 ,
999424 , 991232 , 983040 , 974848 , 966656 , 958464 , 950272 , 942080 , 933888 , 925696 , 917504 , 909312 , 901120 , 892928 ,
884736 , 876544 , 868352 , 860160 , 851968 , 843776 , 835584 , 827392 , 819200 , 811008 , 802816 , 794624 , 786432 , 778240 ,
770048 , 761856 , 753664 , 745472 , 737280 , 729088 , 720896 , 712704 , 704512 , 696320 , 688128 , 679936 , 671744 , 663552 ,
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425984 , 417792 , 409600 , 401408 , 393216 , 385024 , 376832 , 368640 , 360448 , 352256 , 344064 , 335872 , 327680 , 319488 ,
311296 , 303104 , 294912 , 286720 , 278528 , 270336 , 262144 , 253952 , 245760 , 237568 , 229376 , 221184 , 212992 , 204800 ,
196608 , 188416 , 180224 , 172032 , 163840 , 155648 , 147456 , 139264 , 131072 , 122880 , 114688 , 106496 , 98304 , 90112 ,
81920 , 73728 , 65536 , 57344 , 49152 , 40960 , 32768 , 24576 , 16384 , 8192
};
void DAC1220_IO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( DAC_SCL_CLK|DAC_SDA_CLK|DAC_CS_CLK|RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DAC_SCL_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DAC_SCL_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DAC_SDA_PIN;
GPIO_Init(DAC_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DAC_CS_PIN;
GPIO_Init(DAC_CS_PORT, &GPIO_InitStructure);
DAC_CS = 0;
}
void SDA_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DAC_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DAC_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
}
void SDA_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DAC_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DAC_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);
}
void DAC1220_Write_Byte(uint8_t out_data)
{
uint8_t index;
SDA_OUT();
DAC_SCLK=0;
DAC_SDIO=0;
for(index=0;index< 8;index++)
{
delay_us(5);
DAC_SCLK=1;
if((out_data&0x80)==0x80)
{
DAC_SDIO=1;
}
else
{
DAC_SDIO=0;
}
out_data=out_data< < 1; //数据移位
delay_us(5);
DAC_SCLK=0; //锁存数据
}
}
uint8_t DAC1220_Read_Byte(void)
{
uint8_t data=0,index=0;
SDA_IN();
DAC_SCLK=0;
for(index=0;index< 8;index++)
{
delay_us(5);
DAC_SCLK=1;
data< <=1;
if(R_DAC_SDIO)
data++;
delay_us(5);
DAC_SCLK=0; //锁存数据
}
delay_us(5);
return data;
}
/*复位DA*/
void DAC1220_Reset(void)
{
DAC_SCLK = 0;
delay_us(10);
//****//
//SCLK复位模式
//DAC1220没有专用的复位引脚。
//相反，它包含一个等待特殊模式出现在SCLK上的电路，并在检测到特殊模式时触发内部硬件复位线。
//此模式称为SCLK重置模式。
//这种模式与SCLK上通常出现的时钟模式有很大的不同，在正常工作时不太可能被意外检测到。CS低有效
//详见DAC1220.PDF:页11：Table 5. Reset Timing Characteristics
DAC_SCLK = 1;
delay_us(600*TXIN);
DAC_SCLK = 0;
delay_us(20*TXIN);
DAC_SCLK = 1;
delay_us(1100*TXIN);
DAC_SCLK = 0;
delay_us(20*TXIN);
DAC_SCLK = 1;
delay_us(2100*TXIN);
DAC_SCLK = 0;
//****//
delay_us(10);
}
void DAC1220_Init(void)
{
uint8_t command; //缓存命令字节
DAC1220_IO_Init();
DAC1220_Reset();
DAC1220_Self_Calibration();//自校准
command=0x04;
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
DAC1220_Write_Byte(0x00);
delay_us(10);
command=0x05;
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
DAC1220_Write_Byte(0xA0); //配置成正常20位模式，(直接二进制)Straight binary
delay_us(10);
}
void DAC1220_WDAT(uint32_t dat)
{
uint8_t command;
if(dat > 1048575)
dat = 1048575;
dat = dat< < 4;
delay_us(10);
command=0x00; //DIR高字节
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
command=(dat >>16)&0X00FF; //写DIR高位数据
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
command=0x01; //写中位数据
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
command=(dat >>8)&0X00FF;
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
command=0x02; //写低位数据
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
command=(dat >>0)&0X00FF;
DAC1220_Write_Byte(command);
delay_us(10);
}
void DAC1220_Self_Calibration(void) //自校准
{
DAC1220_Write_Byte(0x04);//写命令 寄存器高字节
delay_us(10);
DAC1220_Write_Byte(0x00);//校准期间输出将断开
delay_us(10);
DAC1220_Write_Byte(0x05);//写命令 寄存器低字节
delay_us(10);
DAC1220_Write_Byte(0xA1); //配置成20位模式，(直接二进制)Straight binary 校准模式
delay_ms(600); //等待校准
DAC1220_Write_Byte(0x85);//读命令 寄存器低字节
delay_us(10);
while((DAC1220_Read_Byte()&0x03)!=0) //检测校准是否完成
{
delay_ms(500);
}
}
void DAC1220VolWrite(float v)
{
uint32_t dacData;
dacData=mapfloat(v,-10.0,10.0,0,1048575);
DAC1220_WDAT(dacData);
}
/*
************************************************************
* 函数名称： mapfloat
*
* 函数功能： 将一个区间内的值，映射到另一个区间
*
* 入口参数： x输入值、
* in_min输入最小值，
* in_max输入最大值，
* out_min输出最小值，
* out_max输出最大值。
* 返回参数： 映射后的值
* 说明：
************************************************************/
uint32_t mapfloat(float x, float in_min, float in_max, uint32_t out_min, uint32_t out_max)
{
uint32_t out;
out=(x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
return out;
}
main.c
#include "stm32_config.h"
#include "stdio.h"
#include "DAC1220.h"
#include "timer.h"
#include "oled.h"
#include "key.h"
uint8_t Num;
int32_t Vol = 1000;
uint16_t dacValue = 0;
int main(void)
{
MY_NVIC_PriorityGroup_Config(NVIC_PriorityGroup_2); //设置中断分组
delay_init(72); //初始化延时函数
OLED_Init();
Key_Init();
Timer_Init();
DAC1220_Init();
delay_ms(100);
OLED_ShowString(1,5,"DAC1220");
while(1)
{
//电压输出
Vol += Key_GetNum();
OLED_ShowSignedNum(2,1,Vol,5);
DAC1220VolWrite((float)Vol/1000);
//三角波输出
// DAC1220_WDAT(TriangleWave_Value[dacValue]);
// dacValue++;
// if(dacValue >= 256) dacValue = 0;
}
}
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
{
Num++;
if(Num > 20)
{
Key_Loop();
Num = 0;
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
}
}
效果展示
六、注意事项与常见问题
注意事项：
- 模块供电电源不超过5.5V。
- 由于模块是高精度器件，为了避免不必要的干扰，建议 使用线性电源供电。
- 输出信号线建议使用SMA对应接口。接口不匹配容易导致接触不良，劣质的线材可能导致信号衰减或者噪声过大。
- 如需简单测试模块功能,建议搭配本店控制板使用，正确接线后给控制板供电即可实现模拟电压输出。
常见问题：
Q: 模块输出电压是多少？输出电压的驱动能力是多少?
A: 目前模块的电路能输出±10V，驱动能力10mA以内。
Q: 用电压表测试电压正常，接上负载后电压降低是什么情况?
A: 由于模块只有10mA的驱动能力，当负载功率大时，输出电压就会被拉低。
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