基于MSP430 Timer_B的D/A轉換及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。

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

圖1 PWM信號示意圖

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

Rcounts = Lcounts

其中Rcounts是以計數值為單位的分辨率，Lcounts是計數器的總計數值。例如對8-bit DAC，計數器的長度為8 bits，或者256個計數值。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器的長度和PWM計數器能夠實現(xiàn)的最小占空比。用數學表達式如下：

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。在這種模式下計數器計數至CCR0，然后復位從0開始重新計數。給CCR0賦值255也就意味著計數器的長度為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，直到計數器達到各自的CCRx值時變?yōu)榈碗娖?，當計數器達到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。