基于MSP430 Timer_B的D/A轉換

摘　要：本文分析了利用MSP430的Timer_B在比較模式下輸出的脈寬調制(PWM)波，來實現(xiàn)D/A轉換的工作原理。介紹了利用MSP430F449的Timer_B的PWM輸出產生正弦波和直流電平的方法，并給出了對應的硬件電路和C語言源程序。

關鍵詞：MSP430F449；脈寬調制；D/A轉換

D/A Conversion Based on MSP430 Timer_B

Abstract：This paper analyses the principle of utilizing the PWM to realize D/A when the MSP430 Timer_B is working in compare mode. It describes the method of using the PWM of MSP449F449's Timer_B to create a sine wave and a DC level. At last, it gives the corresponding hardware circuit and C language program.

Key words: MSP430F449; PWM; D/A conversion

1.簡介

　　1.1 MSP430單片機介紹 雖然目前在國內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、FLASH在線編程技術、BOOTSTRAP等諸多先進技術，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進入國內市場的時間不是很長，但是因其具有以上所述的卓越品質，一進入國內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。用其比較模式產生的PWM可以實現(xiàn)D/A轉換（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)模轉換器DAC（digital-to-analog converter）來實現(xiàn)。但是采用脈寬調制PWM（pulse-width modulated）信號來實現(xiàn)D/A轉換（簡寫為PWM D/A）也是一種常用的方法。可以用PWM信號產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（ ）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轉換。

2.2 分辨率

　　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)器能夠實現(xiàn)的最小占空比。用數(shù)學表達式如下：

　　Rcounts=，其中 = Lcounts，C是最小占空比。

　　比特分辨率用下式計算：

　　如果PWM計數(shù)器的長度為512個計數(shù)值，最小的占空比為2個計數(shù)值，那么PWM DAC的分辨率就為： ，或者以比特表示： 。

　　2.3 系統(tǒng)頻率 PWM 信號需要的輸出頻率等于DAC的更新頻率，因為PWM信號占空比的每一次變化等效于一次DAC抽樣。PWM 定時器所需的頻率取決于PWM信號頻率和所需的分辨率。如下所示：

　　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用于產生正弦波，CCR2和TB2用于產生直流電平。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)榈碗娖剑斢嫈?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，就可以產生可變寬度的脈沖，下文中的正弦波就是用這種辦法產生的；若不變則產生的是固定寬度的脈沖，下文中的直流電平就是這樣產生的。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。

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。

　　3.1 正弦信號的產生 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