基于MSP430 Timer_B的D/A转换

1.简介

1.1 MSP430单片机介绍

虽然目前在国内市场上应用较多的单片机仍然是8位单片机，但是由美国德州仪器（TI）公司推出的16位单片机MSP430具有处理能力强、运行速度快、低功耗、指令简单等优点。并采用了JTAG技术、 FLASH在线编程技术、BOOTSTRAP等诸多先进技术，因此具有很高的性价比，在欧洲市场已得到了非常广泛的应用。虽然MSP430进入国内市场的时间不是很长，但是因其具有以上所述的卓越品质，一进入国内市场就被众多电子工程师所青睐。其中 MSP430F449具有7个工作模式可选8、10、12、16的16位计数器。用其比较模式产生的PWM可以实现D/A转换（D/A conversion）。

1.2 PWM D/A简介

很多嵌入式的微控制器（microcontroller）应用都需要产生模拟信号。这种情况下往往是采用集成的或者是分立的数模转换器DAC（digital- to-analog converter）来实现。但是采用脉宽调制PWM（pulse-width modulated）信号来实现D/A转换（简写为PWM D/A）也是一种常用的方法。可以用PWM信号产生所需的直流或交流信号。这篇文章以MSP430F449的Timer_B输出的PWM为例来产生一个 200Hz的正弦波和一个0.5VCC的直流电平。实际上类似的方法可以用于Timer_A以及MSP430其它型号的单片机。

2. 用PWM实现DAC的原理

2.1 基本原理

PWM信号是一种具有固定周期（T）不定占空比（t）的数字信号，如图1所示。如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号。在MSP430F449中就是采用CCR0来控制周期T，而用与定时器对应的CCRx寄存器来控制可变占空比，进而实现D/A转换。

2.2 分辨率

       图1 PWM信号示意图

基于Timer_B PWM的DAC分辨率就等于计数器的长度，通常是CCR0寄存器的值。PWM DAC的最低有效位是一个计数值，分辨率是总的计数值。

Rcounts = Lcounts

其中Rcounts是以计数值为单位的分辨率，Lcounts是计数器的总计数值。例如对8-bit DAC，计数器的长度为8 bits，或者256个计数值。那么分辨率也就是8 bits，或者256。

更一般的情况下，基于PWM定时器和滤波器的PWM DAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。PWM信号的分辨率决定于计数器的长度和PWM计数器能够实现的最小占空比。用数学表达式如下：

n 是所需的比特分辨率。下文即将描述怎样采用8-bit PWM DAC来同步产生一个200Hz的正弦波。由抽样定理可得，最低的抽样频率应该为400Hz。但是通常情况下，PWM信号的频率要远高于Nyquist抽样速率。这是因为PWM信号的频率越高，对滤波器的阶数就要求越低，合适的滤波器越容易实现。通常抽样速率取Nyquist速率的16或者32倍。

2.4 所需的MSP430资源

文中的例子是用MSP430F449的 Timer_B再加外部滤波器来产生一个200Hz的正弦波和一个0.5VCC的直流电平的。将Timer_B配置为 16-bit、up模式。在这种模式下计数器计数至CCR0，然后复位从0开始重新计数。给CCR0赋值255也就意味着计数器的长度为8bits。 CCR1和TB1用于产生正弦波，CCR2和TB2用于产生直流电平。输出模式都选为模式7，即PWM复位/置位模式。如图2所示，在这种模式下，复位后每一个定时器的输出都为高电平，直到计数器达到各自的CCRx值时变为低电平，当计数器达到CCR0时再置位。也就是说CCRx的值决定了各自正脉冲的宽带。若CCRx的值是变化的，就可以产生可变宽度的脉冲，下文中的正弦波就是用这种办法产生的；若不变则产生的是固定宽度的脉冲，下文中的直流电平就是这样产生的。最后SMCLK用作Timer_B的时钟源。系统采用32768Hz的钟表晶振，通过采用内部硬件锁频环FLL（frequency- locked-loop），来校准DCO（Digital Control Oscillator）频率为系统提供MCLK/SMCLK时钟。

            图2 输出模式7：PWM复位/置位示意图

3. 实现电路

用Timer_B PWM实现DAC外围电路比较简单，如图3所示。实际上外围电路就是晶振电路和RC低通滤波器。

               图3 MSP430F449实现D/A电路图
 

3.1 正弦信号的产生

在这个例子中，一个正弦波用32个抽样值生成。正弦波的频率为200Hz，所以每秒要抽样200×32=6400次，也就是说=6.4KHz。每完成一次抽样要计数28，所以所需的时钟频率为。抽样值包含在程序开始的一个正弦表中，通过调用中断函数，在每个PWM周期结束时，将新的正弦波抽样值载入捕获/比较寄存器CCR1中。因此产生的PWM信号的脉冲宽度就决定了正弦波在每一个时刻的抽样值，将这个PWM信号经过低通滤波，即得所需的正弦波。

3.2 直流电平的产生

直流电平产生比较简单，因为它对应的PWM占空比是一定的。直流电平直接正比于PWM信号的占空比。要产生0.5VCC的直流电平，PWM的占空比显然是 50%（考虑到损耗，实际应大一些）。只需要简单地将CCR2的值设置为128，并且无须变化就可以得到50%占空比的PWM信号。将得到的PWM信号通过RC网络进行低通滤波，即可得到0.5VCC的直流电平。

3.3 滤波器设计

对两路输出都采用了结构简单的RC滤波器，如图3所示。之所以采用这种结构，一是因为RC滤波器结构简单，二是为了实现低功耗，尽量避免采用有源器件。

用于交流信号的滤波器是一个双极点级联RC滤波器。如果滤波器阶数过高，可以采用提高的抽样频率的办法来降低滤波器阶数。滤波器的截至频率fc由下式来计算： 

当时滤波器的响应较好。但是如果截至频率很接近信号带宽边沿，将会导致相当大的衰减。因此为了减小滤波器的衰减，截至频率应该大于信号带宽边沿，但是要远小于PWM信号的频率。

用于产生直流电平的滤波器仅仅是用来储存电荷的，而不像交流信号滤波器那样用来滤波。因此采用了一个简单的单极RC滤波器。

4.程序流程

用MSP430F449 的Timer_B的PWM来产生正弦波和直流电平的程序比较简单，流程如图4所示。MSP430F449自身有FLL，可用它来实现DCO的频率校准。但是DCO的频率只能锁定在ACLK的整数倍上，所以对于没有FLL的器件，或者所需频率不是ACLK整数倍的情况下，要用Timer_A或者其它的定时器进行DCO频率校准，这也就是所谓的"软锁频"。事实上实际的D/A转换常常是一些随时间变化的非周期信号。它们对时钟的精度要求不是很高，因此大多数情况下硬件FLL是可以胜任的。

5. 程序清单

MSP430的另外一个特点是用C语言编写程序简单，而且效率较高。本例就采用C语言编写了程序。清单如下：
#include <msp430x44x.h>
#include <math.h>
int SampleTimes=0;
//***定义正弦表,并用32个抽样值初始化正弦表,不要用"0"抽样***//
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;        // 禁止看门狗定时器

//***初始化端口***//
P2DIR |= 0x0C;        // P2.2和P2.3为输出
P2SEL |= 0x0C;        // P2.2和P2.3分别为TB1和TB2

//***设置系统时钟***//
FLL_CTL0 = XCAP18PF;        // 设置XTAL1的负载电容
SCFQCTL = 50-1;        // 1.6384MHz/32768Hz = 50,fDCO=MCLK=1.6384MHz
for (i = 50000; i; i--);        // 晶振初始化延时

//***设置Timer_B***//
TBCTL = TBSSEL1 + TBCLR;        // 选择SMCLK为时钟，定时器清除
TBCTL|=MC_1+CNTL_0+TBCLGRP_0;        //选择up,16位模式
TBCCTL0=CCIE;        //将CCR0设为比较模式,中断允许
TBCCR0=256-1;        //PWM的周期为256,也就是DAC为8bit
TBCCTL1=OUTMOD_7+CLLD_1;        //将CCRx设为比较模式,中断禁止
TBCCTL2=OUTMOD_7+CLLD_1;        //选择输出模式7,当TBR计数到0时CCRx数据加载到TBCTLx
TBCCR1=SinTable[SampleTimes];        //将正弦表加载到CCR1
TBCCR2=128;        //PWM的占空比为50%,产生0.5VCC的直流电平
_EINT();        //中断允许
for (;;)
{ _BIS_SR(LPM0_bits);        //CUP进入低功耗模式
_NOP();
}
}

//调用中断函数
interrupt [TIMERB0_VECTOR] void Timer_B(void)
{
SampleTimes=(SampleTimes+1)%32;
TBCCR1=SinTable[SampleTimes];        //将新的抽样值装入CCR1
}

参考文献
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位单片机. 北京航空航天大学出版社, 2001.