在嵌入式系统设计中，PWM脉宽调制信号常常用来产生模拟信号。本文主要讲述如何利用MSP430系列微控制器的定时器输出PWM信号，产生正弦波、斜坡、直流以及交流信号等模拟信号。
1.概述
大多数嵌入式微控制器的系统均需要产生不同的模拟信号，通常采用集成或独立的DA转换器来实现。PWM信号常常也可以用来产生系统所需的模拟信号，包括产生直流和交流信号。本文以MSP430F149微控制器Timer_B模块的DA转换为例，可以产生上文提到的正弦波、斜波、直流电平以及在直流电平上增加正弦波产生的交流偏置信号。
2.工作原理
PWM信号为频率固定、占空比变化的数字信号，基本波形如下图所示。
如果PWM信号的占空比随时间而改变，那么信号经滤波后将输出幅度变化的模拟信号。因此通过改变PWM信号的占空比，即可产生不同的模拟信号。PWM信号实现DA转换(简称PWMDAC)的原理框图如下图所示。
T1公司的一些语言处理技术也通常采用PWMDAC方式实现。
2.1分辨率
PWMDAC的分辨率理论上即为定时器的计数器长度，通常该值被保存在定时器的CCRO寄存器中。PWM的最低有效位是定时器的一个计数值，而分辨率即为定时器所能计数的最大值，即Rcounts=Lcounts，其中Rcounts为计数器所能达到的最大计数值，也是就PWMDAC的分辨率，Lcounts为定时器的计数长度。例如，一个DAC转换分辨率为8-bit，则计数器的长度即分辨率为8bit或者为256。
通常，基于PWM定时器和滤波器的PWMDAC的分辨率等于将PWM信号用来产生DA转换的分辨率。此时，PWM信号的分辨率取决于计数器的长度和PWM计数器能实现的最小占空比。用公式表式为：Rcounts=L/C，其中L为计数器的长度，C为PWM计数器能实现的最小占空比；用比特分辨率表示为：
例如，PWM计数器的长度最大为 512个，能实现的最小占空比为 2个计数值，则 PWM DAC 的分辨率Rcounts= UC =256，或者 Rbits=Log2
2.2频率
通常PWM信号的输出频率等于DAC的刷新频率，因为可以将PWM占空比的每一次变化等效于一次DA转换的采样。
PWM定时器的频率取决于PWM信号的频率和所需的分辨率，表示为Fcolck=FPwm×2的N次方，其中Fdcck为PWM定时器频率，F则为PWM信号频率，即DAC的更新频率，n为DAC所需的比特分辨率。
接下来梅描述如何利用8-bitPWMDAC产生一个250Hz的正弦波和125Hz的斜波信号。采样频率为8kHz，每个正弦波周期采样32个值(16x过采样)，每个斜坡周期采样64次(32x过采样1。即PWM信号所需的频率为8kHz，所需的PWM时钟为2.O48MHz。
设计中，PVVM信号的频率应高于正弦波频率或产生该信号的带宽，因为产生PVVM信号频率越高，所需滤波器要求越低，且越容易确定合适的滤波器。
2.3PWMDAC对MSP430的资源需求
本文以如何利用Timer-B和外部滤波器同步产生250Hz正弦波、125Hz斜坡和2/3VCC的直流电平为例，说明PWMDAC对MSP430的资源需求。
将Timer-B配置为16位的UP模式，计数器计数到CCRO寄存器时复位，即从0开始继续计数。CCRO寄存器赋值255，即提供计数器的有效长度为8-bitoCCR1寄存器和TBI输出用于产生正弦波信号，CCR2寄存器和TB2输出用于产生斜波信号，CCR3寄存器和TB3输出用于产生直流信号。每一个输出模式均选用PWM模式7，即PWM复位/置位模式。模式7中，当计数器值达到各自CCRx值时，输出复位(低电平)信号，当计数值达到CCRO时，输出置位(高电平)信号。当CCRx值变化时，则经滤波后输出的信号将相应变化。系统的SMCLK时钟可作为定时器Timer-B的计数时钟源。
所需MSP430微控制器其它资源包括：(1)32768Hz晶振；（2）片上DCO工作晶振为2.O48MHz；（3）SMCLK和MCLK晶振为2.O48MHz。当然，系统应用的复杂程度改变时，所需要资源也会不一样。
2.4电路设计原理本文设计的完整原理图如下图所示。
输出的交流正弦波信号的波形图如下图所示。
例如：输出一个正弦波，采用32采样频率产生。正弦波的频率为250Hz，所以每秒须采样250×32=8000次，而每次采样需要256次计数，所以计数频率采用8000×256=2.O48MHz。
斜波信号的产生是从最小占空比的PWM波经滤波后输出，然后逐渐增大占空比，直到输出最大电平值后，又重新开始从最小占空比的PWM波输出。
其中，直流信号及PWM信号波形图如下图所示。
直流电平的产生比较简单，可通过PWM信号占空比设置，该电平值不会发生变化，且直流电平值直接与PWM信号的占空比成比例。因此，只要PVVM信号的TB3占空比不变，当系统由RC网络滤波时，即为直流电平值。
2.5滤波器的设计本文产生的每一个信号的滤波器的原理图也如图3所示。用于产生交流信号的滤波器为一个简单的RC滤波器，设计简单且降低了系统功耗。设计中采样速率高于滤波器是必需的，通常建议DAC过采样至少为16x。
滤波器的截止频率为
其中RC=RIC1=R2C2。当R2>>R1时滤波器的响应较好)但是如果截止频率很接近信号带宽边缘时，将导致相当大的衰减。为减小信号衰减，一般截止频率应大于信号带宽边缘，但是要远小于PVVM信号的频率。
用于产生直流信号的滤波器仅用于存储电荷，因此单极RC滤波器即可实现。
2.6盔加的DC和AC信号通过PWMDAC产生的信号可以叠加在一起，将2/3VCC电平加到正弦波上，产生一个偏置的正弦波信号的电路原理图如下图所示，
波形图如下图所示。
通过PWM输出可以很容易独立地调整交流和直流信号。
例如，正弦信号保持不变，直流偏置可以简单的通过改变PWM占空比产生所需的直流电平。当然，使用其它单独的滤波器和加法放大器也可以达到相同的结果。
3.软件设计系统软件设计流程如图8所示。
系统复位后，首先禁止看门狗运行，设置I/0口并运行系统时钟；然后调用一延时程序，使32768Hz晶振稳定工作；设置Timer-B、CCR1和CCR2产生PWM信号，同时启动定时器。最后，为降低系统功耗，将MSP430Fl49设置为LPMO模式；开始工作后，通过CCIFGO中断唤醒CPU工作，中断完成后CPU再次进入LPMO模式。
3.软件设计系统软件设计流程如下图所示。
系统复位后，首先禁止看门狗运行，设置I/0口并运行系统时钟；然后调用一延时程序，使32768Hz晶振稳定工作；设置Timer-B、CCR1和CCR2产生PWM信号，同时启动定时器。最后，为降低系统功耗，将MSP430Fl49设置为LPMO模式；开始4.小结本文以MSP430Fl49微控制器和其Timer_B定时器模块输出PWM信号为例，也可以利用其它MSP430微控制器系列和Timer_A定时器模块产生不同的模拟信号。
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