基于MSP430 Timer_B的D/A轉(zhuǎn)換及C語言源程序

本文分析了利用MSP430的Timer_B在比較模式下輸出的脈寬調(diào)制（PWM）波，來實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的工作原理。介紹了利用MSP430F449的Timer_B的PWM輸出產(chǎn)生正弦波和直流電平的方法，并給出了對(duì)應(yīng)的硬件電路和C語言源程序。

1.簡介

1.1 MSP430單片機(jī)介紹

雖然目前在國內(nèi)市場上應(yīng)用較多的單片機(jī)仍然是8位單片機(jī)，但是由美國德州儀器（TI）公司推出的16位單片機(jī)MSP430具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、低功耗、指令簡單等優(yōu)點(diǎn)。并采用了JTAG技術(shù)、FLASH在線編程技術(shù)、BOOTSTRAP等諸多先進(jìn)技術(shù)，因此具有很高的性價(jià)比，在歐洲市場已得到了非常廣泛的應(yīng)用。雖然MSP430進(jìn)入國內(nèi)市場的時(shí)間不是很長，但是因其具有以上所述的卓越品質(zhì)，一進(jìn)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(gè)工作模式可選8、10、12、16的16位計(jì)數(shù)器。用其比較模式產(chǎn)生的PWM可以實(shí)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(yīng)用都需要產(chǎn)生模擬信號(hào)。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(shí)現(xiàn)。但是采用脈寬調(diào)制PWM（pulse-width modulated）信號(hào)來實(shí)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(hào)產(chǎn)生所需的直流或交流信號(hào)。這篇文章以MSP430F449的Timer_B輸出的PWM為例來產(chǎn)生一個(gè)200Hz的正弦波和一個(gè)0.5VCC的直流電平。實(shí)際上類似的方法可以用于Timer_A以及MSP430其它型號(hào)的單片機(jī)。

2. 用PWM實(shí)現(xiàn)DAC的原理

2.1 基本原理

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

2.2 分辨率

圖1 PWM信號(hào)示意圖

基于Timer_B PWM的DAC分辨率就等于計(jì)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(gè)計(jì)數(shù)值，分辨率是總的計(jì)數(shù)值。

Rcounts = Lcounts

其中Rcounts是以計(jì)數(shù)值為單位的分辨率，Lcounts是計(jì)數(shù)器的總計(jì)數(shù)值。例如對(duì)8-bit DAC，計(jì)數(shù)器的長度為8 bits，或者256個(gè)計(jì)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(shí)器和濾波器的PWM DAC的分辨率等于產(chǎn)生模擬信號(hào)的PWM信號(hào)的分辨率。PWM信號(hào)的分辨率決定于計(jì)數(shù)器的長度和PWM計(jì)數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)的最小占空比。用數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在這兒，是所需的PWM定時(shí)器頻率，是PWM信號(hào)的頻率，也就是DAC的更新頻率，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(gè)200Hz的正弦波。由抽樣定理可得，最低的抽樣頻率應(yīng)該為400Hz。但是通常情況下，PWM信號(hào)的頻率要遠(yuǎn)高于Nyquist抽樣速率。這是因?yàn)镻WM信號(hào)的頻率越高，對(duì)濾波器的階數(shù)就要求越低，合適的濾波器越容易實(shí)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(gè)200Hz的正弦波和一個(gè)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至CCR0，然后復(fù)位從0開始重新計(jì)數(shù)。給CCR0賦值255也就意味著計(jì)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(fù)位/置位模式。如圖2所示，在這種模式下，復(fù)位后每一個(gè)定時(shí)器的輸出都為高電平，直到計(jì)數(shù)器達(dá)到各自的CCRx值時(shí)變?yōu)榈碗娖?，?dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到CCR0時(shí)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(shí)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(zhǔn)DCO（Digital Control Oscillator）頻率為系統(tǒng)提供MCLK/SMCLK時(shí)鐘。

圖2 輸出模式7：PWM復(fù)位/置位示意圖