基于MSP430 Timer_B的D/A轉(zhuǎn)換

1.簡介

1.1 MSP430單片機介紹

雖然目前在國內(nèi)市場上應用較多的單片機仍然是8位單片機，但是由美國德州儀器（TI）公司推出的16位單片機MSP430具有處理能力強、運行速度快、低功耗、指令簡單等優(yōu)點。并采用了JTAG技術(shù)、 FLASH在線編程技術(shù)、BOOTSTRAP等諸多先進技術(shù)，因此具有很高的性價比，在歐洲市場已得到了非常廣泛的應用。雖然MSP430進入國內(nèi)市場的時間不是很長，但是因其具有以上所述的卓越品質(zhì)，一進入國內(nèi)市場就被眾多電子工程師所青睞。其中 MSP430F449具有7個工作模式可選8、10、12、16的16位計數(shù)器。用其比較模式產(chǎn)生的PWM可以實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換（D/A conversion）。

1.2 PWM D/A簡介

很多嵌入式的微控制器（microcontroller）應用都需要產(chǎn)生模擬信號。這種情況下往往是采用集成的或者是分立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC（digital- to-analog converter）來實現(xiàn)。但是采用脈寬調(diào)制PWM（pulse-width modulated）信號來實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換（簡寫為PWM D/A）也是一種常用的方法?？梢杂肞WM信號產(chǎn)生所需的直流或交流信號。這篇文章以MSP430F449的Timer_B輸出的PWM為例來產(chǎn)生一個 200Hz的正弦波和一個0.5VCC的直流電平。實際上類似的方法可以用于Timer_A以及MSP430其它型號的單片機。

2. 用PWM實現(xiàn)DAC的原理

2.1 基本原理

PWM信號是一種具有固定周期（T）不定占空比（t）的數(shù)字信號，如圖1所示。如果PWM信號的占空比隨時間變化，那么通過濾波之后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號。因此通過控制PWM信號的占空比，就可以產(chǎn)生不同的模擬信號。在MSP430F449中就是采用CCR0來控制周期T，而用與定時器對應的CCRx寄存器來控制可變占空比，進而實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。

2.2 分辨率

       圖1 PWM信號示意圖

基于Timer_B PWM的DAC分辨率就等于計數(shù)器的長度，通常是CCR0寄存器的值。PWM DAC的最低有效位是一個計數(shù)值，分辨率是總的計數(shù)值。

Rcounts = Lcounts

其中Rcounts是以計數(shù)值為單位的分辨率，Lcounts是計數(shù)器的總計數(shù)值。例如對8-bit DAC，計數(shù)器的長度為8 bits，或者256個計數(shù)值。那么分辨率也就是8 bits，或者256。

更一般的情況下，基于PWM定時器和濾波器的PWM DAC的分辨率等于產(chǎn)生模擬信號的PWM信號的分辨率。PWM信號的分辨率決定于計數(shù)器的長度和PWM計數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)的最小占空比。用數(shù)學表達式如下：

n 是所需的比特分辨率。下文即將描述怎樣采用8-bit PWM DAC來同步產(chǎn)生一個200Hz的正弦波。由抽樣定理可得，最低的抽樣頻率應該為400Hz。但是通常情況下，PWM信號的頻率要遠高于Nyquist抽樣速率。這是因為PWM信號的頻率越高，對濾波器的階數(shù)就要求越低，合適的濾波器越容易實現(xiàn)。通常抽樣速率取Nyquist速率的16或者32倍。

2.4 所需的MSP430資源

文中的例子是用MSP430F449的 Timer_B再加外部濾波器來產(chǎn)生一個200Hz的正弦波和一個0.5VCC的直流電平的。將Timer_B配置為 16-bit、up模式。在這種模式下計數(shù)器計數(shù)至CCR0，然后復位從0開始重新計數(shù)。給CCR0賦值255也就意味著計數(shù)器的長度為8bits。 CCR1和TB1用于產(chǎn)生正弦波，CCR2和TB2用于產(chǎn)生直流電平。輸出模式都選為模式7，即PWM復位/置位模式。如圖2所示，在這種模式下，復位后每一個定時器的輸出都為高電平，直到計數(shù)器達到各自的CCRx值時變?yōu)榈碗娖?，當計?shù)器達到CCR0時再置位。也就是說CCRx的值決定了各自正脈沖的寬帶。若CCRx的值是變化的，就可以產(chǎn)生可變寬度的脈沖，下文中的正弦波就是用這種辦法產(chǎn)生的；若不變則產(chǎn)生的是固定寬度的脈沖，下文中的直流電平就是這樣產(chǎn)生的。最后SMCLK用作Timer_B的時鐘源。系統(tǒng)采用32768Hz的鐘表晶振，通過采用內(nèi)部硬件鎖頻環(huán)FLL（frequency- locked-loop），來校準DCO（Digital Control Oscillator）頻率為系統(tǒng)提供MCLK/SMCLK時鐘。

            圖2 輸出模式7：PWM復位/置位示意圖

3. 實現(xiàn)電路

用Timer_B PWM實現(xiàn)DAC外圍電路比較簡單，如圖3所示。實際上外圍電路就是晶振電路和RC低通濾波器。

               圖3 MSP430F449實現(xiàn)D/A電路圖
 

3.1 正弦信號的產(chǎn)生

在這個例子中，一個正弦波用32個抽樣值生成。正弦波的頻率為200Hz，所以每秒要抽樣200×32=6400次，也就是說=6.4KHz。每完成一次抽樣要計數(shù)28，所以所需的時鐘頻率為。抽樣值包含在程序開始的一個正弦表中，通過調(diào)用中斷函數(shù)，在每個PWM周期結(jié)束時，將新的正弦波抽樣值載入捕獲/比較寄存器CCR1中。因此產(chǎn)生的PWM信號的脈沖寬度就決定了正弦波在每一個時刻的抽樣值，將這個PWM信號經(jīng)過低通濾波，即得所需的正弦波。

3.2 直流電平的產(chǎn)生

直流電平產(chǎn)生比較簡單，因為它對應的PWM占空比是一定的。直流電平直接正比于PWM信號的占空比。要產(chǎn)生0.5VCC的直流電平，PWM的占空比顯然是 50%（考慮到損耗，實際應大一些）。只需要簡單地將CCR2的值設置為128，并且無須變化就可以得到50%占空比的PWM信號。將得到的PWM信號通過RC網(wǎng)絡進行低通濾波，即可得到0.5VCC的直流電平。

3.3 濾波器設計

對兩路輸出都采用了結(jié)構(gòu)簡單的RC濾波器，如圖3所示。之所以采用這種結(jié)構(gòu)，一是因為RC濾波器結(jié)構(gòu)簡單，二是為了實現(xiàn)低功耗，盡量避免采用有源器件。

用于交流信號的濾波器是一個雙極點級聯(lián)RC濾波器。如果濾波器階數(shù)過高，可以采用提高的抽樣頻率的辦法來降低濾波器階數(shù)。濾波器的截至頻率fc由下式來計算： 

當時濾波器的響應較好。但是如果截至頻率很接近信號帶寬邊沿，將會導致相當大的衰減。因此為了減小濾波器的衰減，截至頻率應該大于信號帶寬邊沿，但是要遠小于PWM信號的頻率。

用于產(chǎn)生直流電平的濾波器僅僅是用來儲存電荷的，而不像交流信號濾波器那樣用來濾波。因此采用了一個簡單的單極RC濾波器。

4.程序流程

用MSP430F449 的Timer_B的PWM來產(chǎn)生正弦波和直流電平的程序比較簡單，流程如圖4所示。MSP430F449自身有FLL，可用它來實現(xiàn)DCO的頻率校準。但是DCO的頻率只能鎖定在ACLK的整數(shù)倍上，所以對于沒有FLL的器件，或者所需頻率不是ACLK整數(shù)倍的情況下，要用Timer_A或者其它的定時器進行DCO頻率校準，這也就是所謂的"軟鎖頻"。事實上實際的D/A轉(zhuǎn)換常常是一些隨時間變化的非周期信號。它們對時鐘的精度要求不是很高，因此大多數(shù)情況下硬件FLL是可以勝任的。

5. 程序清單

MSP430的另外一個特點是用C語言編寫程序簡單，而且效率較高。本例就采用C語言編寫了程序。清單如下：
#include <msp430x44x.h>
#include <math.h>
int SampleTimes=0;
//***定義正弦表,并用32個抽樣值初始化正弦表,不要用"0"抽樣***//
int SinTable[]={255,254,246,234,219,199,177,153,128,103,79,57,37,22,10,2,
                1,2,10,22,37,57,79,103,128,153,177,199,219,234,246,255};
void main(void)
{
int i;
WDTCTL = WDTPW +WDTHOLD;        // 禁止看門狗定時器

//***初始化端口***//
P2DIR |= 0x0C;        // P2.2和P2.3為輸出
P2SEL |= 0x0C;        // P2.2和P2.3分別為TB1和TB2

//***設置系統(tǒng)時鐘***//
FLL_CTL0 = XCAP18PF;        // 設置XTAL1的負載電容
SCFQCTL = 50-1;        // 1.6384MHz/32768Hz = 50,fDCO=MCLK=1.6384MHz
for (i = 50000; i; i--);        // 晶振初始化延時

//***設置Timer_B***//
TBCTL = TBSSEL1 + TBCLR;        // 選擇SMCLK為時鐘，定時器清除
TBCTL|=MC_1+CNTL_0+TBCLGRP_0;        //選擇up,16位模式
TBCCTL0=CCIE;        //將CCR0設為比較模式,中斷允許
TBCCR0=256-1;        //PWM的周期為256,也就是DAC為8bit
TBCCTL1=OUTMOD_7+CLLD_1;        //將CCRx設為比較模式,中斷禁止
TBCCTL2=OUTMOD_7+CLLD_1;        //選擇輸出模式7,當TBR計數(shù)到0時CCRx數(shù)據(jù)加載到TBCTLx
TBCCR1=SinTable[SampleTimes];        //將正弦表加載到CCR1
TBCCR2=128;        //PWM的占空比為50%,產(chǎn)生0.5VCC的直流電平
_EINT();        //中斷允許
for (;;)
{ _BIS_SR(LPM0_bits);        //CUP進入低功耗模式
_NOP();
}
}

//調(diào)用中斷函數(shù)
interrupt [TIMERB0_VECTOR] void Timer_B(void)
{
SampleTimes=(SampleTimes+1)%32;
TBCCR1=SinTable[SampleTimes];        //將新的抽樣值裝入CCR1
}

參考文獻
1． MSP430x4xx Family User's Guide (SLAU056B).
2． Mike Mitchell, Using PWM Timer_B as a DAC(SLAA116).
3． 胡大可, MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機. 北京航空航天大學出版社, 2001.