基于SH69P42 PWM的10位D/A转换器

1 引言

提高单片机片内资源的利用率；缩小最终产品的体积，降低功耗，减轻重量，提高集成度，提高可靠性，是单片机应用系统设计的基本原则。

在单片机选型时，由于内部资源针对不同应用有多种组合，从而形成了单片机系列。例如：片内程序存储器的大小、RAM的大小、A／D精度及通道数、D／A精度及通道数、是否有LCD驱动、I／O数、是否有PWM、精度、中断数量及嵌套、定时器数及精度等。但在实际应用中，也很难做到单片机的配置完全符合应用要求。因为应用是多样化的，而单片机的型号、系列毕竟有限。因此，如果能方便地将单片机所提供的内部功能元件转为另一功能，将大大拓展单片机的应用领域。

当应用需要模拟量输出时，就需要有D／A转换器，一般地，还需有专门的元件以及外围电路。这里阐述一种基于SH69P42的一路PWM实现D／A转换器的方法。

SH69P42是中颖公司基于SH6610D内核的4位RISC指令集的单片机，内部集成有四通道8位SAR A／D转换器，两通道10位PWM输出，三种两级中断(A／D中断、端口中断和定时器中断)、两个8位定时器，16个I／O引脚，内有OTP型ROM：3072×16位，RAM：
192×4位，内置低电压监视复位和看门狗电路，振荡器工作频率从32 768 Hz至8 MHz，可编程选择片内RC振荡、片外RC振荡、外接晶体振荡等形式。 SH69P42共有43条指令，每条指令的执行时间均等，是振荡器周期的4倍。

SH69P42符合工业规格，适用于对系统抗干扰能力要求极高的场合。

3 SH69P42的PWM编程

3.1 SH69P42的RAM编址

SH69P42的内部寄存器除累加器A、进位标志CY、程序计数器PC之外，端口、定时器、A／D、PWM中断、WDT与通用RAM一起统一编址。其地址由10位组成，源操作数的有效位为7位，因此采用了BANK概念，每128单元为一个BANK，用BANK值给出高3位地址。
例如：LDA Mx，bbb

其中，Mx为取数单元地址的低7位，BANK值bbb为取数单元地址的高3位。

LDA 10H，01H表示将RAM单元90H的内容送至累加器A。

3.2 SH69P42的PWM编程

SH69P42具有两通道10位PWM输出，分别由三个寄存器控制。

系统寄存器PWMC控制PWM输出，系统寄存器PWMP设置PWM输出信号周期，系统寄存器PWMD设置PWM输出信号的占空比。如表1、表2、表3所列。

4 PWM实现D／A转换

4.1 实现电路及参数计算

图1为基于SH69P42 PWM1的D／A转换的原理图。

(1) 振荡选择

由于PWM的周期、占空比与SH69P42的振荡周期密切相关，为保证高精度。尤其是避免温度影响，采用外接晶体振荡器的方法，而不采用内部或外部RC振荡方式。因为后者受工作环境温度影响较大。

4.1.2 10位D／A的实现方法

从表2、表3看出，SH69P42的PWM输出时，先设定周期再设定占空比，周期确定后，占空比其实就是在本周期内有效高电平(正向，反之同理)脉冲的数量与周期电平数量的比。
SH69P42允许最大的周期设定是10位，因此，采用周期固定，也就是3FFH，将待转换数直接对应为占空比的数值，就可以实现10位的D／A转换。

4.1.3 输出满量程的分辨率

假定输出电压为SH69P42的工作电压为5 V，10位数字量的数字分辨率为1／1 024，转换为模拟量为5 V／1024=4.8 mV，这就是模拟输出的分辨率。

4.1.4 输出端RC网络的参数选择

输出端根据后续电路的需要，可以采取一阶RC积分网络或二阶RC低通网络。图1所示为二阶RC低通网络，一方面可滤除高频杂波，另一方面可根据PWM的周期频率输出满足需要的不会过滞后随动模拟电压。

当PWM1输出为高电平时，通过电阻R2、R3对电容C5、C4充电，Output电压升高，当PWM1输出低电平时两电容C5、C4通过两电阻R2、R3放电，使得Output电压降低。这样，PWM1输出时，在固定周期下随着占空比的变化，Output电压值上下波动，波动幅度与占空比的数值线性相关。

4.2 程序设计规则

SH69P42单片机的PWM在软件设计时需遵循以下规则：

设置PWMn的周期或占空比时，先设置高四位，然后设置中四位，最后设置低四位；

在PWM输出状态下，只有写入PWMn周期或占空比的第四位数据后，数据才会装入重装入计
数器并在下一个周期开始时计数；

当选择以PWMn输出(PWMC bit0=1)时，PWMn输出的第一个周期和第一个占空比是按
3FFH计数，系统寄存器PWMP和PWMD的数据从第二个周期开始计数；

PWM能在HALT方式下继续工作，并在执行"STOP"指令后自动停止工作。

另外，SH69P42的振荡方式编程不是在程序中实现，而是在对OTP编程之前的烧写设置中按照实际设定的。

4.3 转换结果分析

单片机外接振荡器振荡频率为4 MHz，PWM时钟设定为8倍tOSC($21=0111)，周期设定为3FFH($2A$29$28=0011，1111，1111)时，PWM的时钟周期为2.048 ms，占空比(这里相当于D／A转换的数字量)为0FFH($2D$2C$2B=0000 1111 1111)。理论计算输出为1.25 V(0FFH×5／3FFH)，波形显示约为1.25 V，基本一致。此时PWM占空比的时间为125μs，周期为2.048 ms，与理论值基本一致。