基于MSP430 TimerB的DA轉(zhuǎn)換

1、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(diào)制(pwm)波，來(lái)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(yǔ)言源程序。關(guān)鍵詞：msp430f449；脈寬調(diào)制；d/a轉(zhuǎn)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 i

2、n compare mode. it describes the method of using the pwm of msp449f449s 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 conversion1.簡(jiǎn)介1.1 msp430單片機(jī)介紹 雖然目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(guó)德州儀器（ti）公司推出

3、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(jiǎn)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(chǎng)已得到了非常廣泛的應(yīng)用。雖然msp430進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的時(shí)間不是很長(zhǎng)，但是因其具有以上所述的卓越品質(zhì)，一進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(jiǎn)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

4、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(lái)實(shí)現(xiàn)。但是采用脈寬調(diào)制pwm（pulse-width modulated）信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)寫(xiě)為pwm d/a）也是一種常用的方法?？梢杂胮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(lái)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(lèi)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。

5、如果pwm信號(hào)的占空比隨時(shí)間變化，那么通過(guò)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(guò)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(lái)控制周期t，而用與定時(shí)器對(duì)應(yīng)的ccrx寄存器來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度

6、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(zhǎng)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：比特分辨率用下式計(jì)算：如果pwm計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度為512個(gè)計(jì)數(shù)值，最小的占空比為2個(gè)計(jì)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(hào)需要的輸出頻率等于dac的更新頻率，因?yàn)閜wm信號(hào)占空比的每一次變化等效于一次dac抽樣。pwm 定時(shí)器所需的頻率取決于pwm信號(hào)頻率和所需的分辨率。如下所示：

7、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(lái)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)閜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(lái)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

8、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(kāi)始重新計(jì)數(shù)。給ccr0賦值255也就意味著計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)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(shuō)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

9、作timer_b的時(shí)鐘源。系統(tǒng)采用32768hz的鐘表晶振，通過(guò)采用內(nèi)部硬件鎖頻環(huán)fll（frequency-locked-loop），來(lái)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 3. 實(shí)現(xiàn)電路 用timer_b pwm實(shí)現(xiàn)dac外圍電路比較簡(jiǎn)單，如圖3所示。實(shí)際上外圍電路就是晶振電路和rc低通濾波器。圖3 msp430f449實(shí)現(xiàn)d/a電路圖 3.1 正弦信號(hào)的產(chǎn)生 在這個(gè)例子中，一個(gè)正弦波用32個(gè)抽樣值生成。正弦波的頻率為200hz，所以每秒要抽樣20032=6400次，也就是說(shuō)=6.

10、4khz。每完成一次抽樣要計(jì)數(shù)28，所以所需的時(shí)鐘頻率為。抽樣值包含在程序開(kāi)始的一個(gè)正弦表中，通過(guò)調(diào)用中斷函數(shù)，在每個(gè)pwm周期結(jié)束時(shí)，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(hào)的脈沖寬度就決定了正弦波在每一個(gè)時(shí)刻的抽樣值，將這個(gè)pwm信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)的pwm占空比是一定的。直流電平直接正比于pwm信號(hào)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(shí)際應(yīng)大一些）。只需要簡(jiǎn)單地將ccr2的值設(shè)置為128，并且無(wú)須變化就可以得到50%占空比的pwm信號(hào)。將得到的

11、pwm信號(hào)通過(guò)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(jì) 圖4 軟件流程對(duì)兩路輸出都采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?yàn)閞c濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二是為了實(shí)現(xiàn)低功耗，盡量避免采用有源器件。用于交流信號(hào)的濾波器是一個(gè)雙極點(diǎn)級(jí)聯(lián)rc濾波器。如果濾波器階數(shù)過(guò)高，可以采用提高的抽樣頻率的辦法來(lái)降低濾波器階數(shù)。濾波器的截至頻率fc由下式來(lái)計(jì)算： 當(dāng)r2 ? r1時(shí)濾波器的響應(yīng)較好。但是如果截至頻率很接近信號(hào)帶寬邊沿，將會(huì)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(hào)帶寬邊沿，但是要遠(yuǎn)小于pwm信號(hào)的頻率。用于產(chǎn)生直流電平的濾波器僅

12、僅是用來(lái)儲(chǔ)存電荷的，而不像交流信號(hào)濾波器那樣用來(lái)濾波。因此采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的單極rc濾波器。4.程序流程 用msp430f449的timer_b的pwm來(lái)產(chǎn)生正弦波和直流電平的程序比較簡(jiǎn)單，流程如圖4所示。msp430f449自身有fll，可用它來(lái)實(shí)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(duì)于沒(méi)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(shí)器進(jìn)行dco頻率校準(zhǔn)，這也就是所謂的軟鎖頻。事實(shí)上實(shí)際的d/a轉(zhuǎn)換常常是一些隨時(shí)間變化的非周期信號(hào)。它們對(duì)時(shí)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 m

13、sp430的另外一個(gè)特點(diǎn)是用c語(yǔ)言編寫(xiě)程序簡(jiǎn)單，而且效率較高。本例就采用c語(yǔ)言編寫(xiě)了程序。清單如下： #include #include int sampletimes=0; /*定義正弦表,并用32個(gè)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(mén)

14、狗定時(shí)器/*初始化端口*/ p2dir |= 0x0c;/ p2.2和p2.3為輸出 p2sel |= 0x0c;/ p2.2和p2.3分別為tb1和tb2/*設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘*/ fll_ctl0 = xcap18pf;/ 設(shè)置xtal1的負(fù)載電容 scfqctl = 50-1;/ 1.6384mhz/32768hz = 50,fdco=mclk=1.6384mhz for (i = 50000; i; i-);/ 晶振初始化延時(shí)/*設(shè)置timer_b*/ tbctl = tbssel1 + tbclr;/ 選擇smclk為時(shí)鐘，定時(shí)器清除 tbctl|=mc_1+cntl_0+tbclgrp_

15、0;/選擇up,16位模式 tbcctl0=ccie;/將ccr0設(shè)為比較模式,中斷允許 tbccr0=256-1;/pwm的周期為256,也就是dac為8bit tbcctl1=outmod_7+clld_1;/將ccrx設(shè)為比較模式,中斷禁止 tbcctl2=outmod_7+clld_1;/選擇輸出模式7,當(dāng)tbr計(jì)數(shù)到0時(shí)ccrx數(shù)據(jù)加載到tbctlx tbccr1=sintablesampletimes;/將正弦表加載到ccr1 tbccr2=128;/pwm的占空比為50%,產(chǎn)生0.5vcc的直流電平 _eint();/中斷允許 for (;) _bis_sr(lpm0_bits);/cup進(jìn)入低功耗模式 _nop(); /調(diào)用中斷函數(shù) interrupt timerb0_vector void t