基于MSP430 Timer_B的D/A轉(zhuǎn)換及C語言源程序

作者：時間：2016-11-17 來源：網(wǎng)絡(luò)

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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、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(jìn)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(yīng)用。雖然MSP430進(jìn)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(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(yīng)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(jī)。

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（）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(yīng)的CCRx寄存器來控制可變占空比，進(jìn)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(xué)表達(dá)式如下：

在這兒，是所需的PWM定時器頻率，是PWM信號的頻率，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信號的頻率要遠(yuǎn)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(fù)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(fù)位/置位模式。如圖2所示，在這種模式下，復(fù)位后每一個定時器的輸出都為高電平，直到計數(shù)器達(dá)到各自的CCRx值時變?yōu)榈碗娖剑?dāng)計數(shù)器達(dá)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(zhǔn)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(fù)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(yīng)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(yīng)大一些）。只需要簡單地將CCR2的值設(shè)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(luò)進(jìn)行低通濾波，即可得到0.5VCC的直流電平。

3.3 濾波器設(shè)計

圖4 軟件流程

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(dāng)R2 ？ R1時濾波器的響應(yīng)較好。但是如果截至頻率很接近信號帶寬邊沿，將會導(dǎo)致相當(dāng)大的衰減。因此為了減小濾波器的衰減，截至頻率應(yīng)該大于信號帶寬邊沿，但是要遠(yuǎn)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(zhǔn)。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(jìn)行DCO頻率校準(zhǔn)，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