945191812基于MSP430 TimerB的DA转换

1、摘 要：本文分析了利用msp430的timer_b在比较模式下输出的脉宽调制(pwm)波，来实现d/a转换的工作原理。介绍了利用msp430f449的timer_b的pwm输出产生正弦波和直流电平的方法，并给出了对应的硬件电路和c语言源程序。关键词：msp430f449；脉宽调制；d/a转换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.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

3、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

4、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（ ）的数字信号，如图1所示。

5、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

6、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：比特分辨率用下式计算：如果pwm计数器的长度为512个计数值，最小的占空比为2个计数值，那么pwm dac的分辨率就为：，或者以比特表示：。2.3 系统频率 pwm 信号需要的输出频率等于dac的更新频率，因为pwm信号占空比的每一次变化等效于一次dac抽样。pwm 定时器所需的频率取决于pwm信号频率和所需的分辨率。如下所示：

7、在这儿，是所需的pwm定时器频率，是pwm信号的频率，也就是dac的更新频率，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

8、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

9、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20032=6400次，也就是说=6.

10、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

11、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 图4 软件流程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r2 ? r1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

12、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 m

13、sp430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 #include 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

14、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_

15、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=sintablesampletimes;/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 t