前言
题主在备赛2023全国大学生电子设计大赛，在练习题目时使用了压控增益放大器，使用的MSP430F5529单片机不具备片上DAC，于是采用了TLV5638作为DAC输出稳定电压对压控增益放大器进行控制，结合网络找到的资料（代码几乎全是），写下这篇文章供后来者参考。
硬件电路
TLV5638采用比较简单的SPI通信协议，硬件电路比较简单。基本上没有什么需要注意的点，我采用的硬件电路采用芯片内部的参考电压，外围没有设计外部参考电压选择，具体的电路如下：
软件驱动
控制时序分析
从前面硬件电路可以看出，TLV5638的控制引脚只有三个，分别是数据传输引脚DIN、传输时钟SCLK和片选信号CS，使用时注意和单片机供地。芯片手册上给出了时序图如下：
根据时序图可以看出，传输过程是这样的：首先将CS置低，而后设置DIN，再将SCLK由地置高，而后将SCLK置低，由此连续传输完16个数据后将CS置高。
芯片手册上也给出了输出电压的计算公式，其中REF使用芯片内部的有1.024V和2.048V两种，芯片手册上计算公式如下图：
其中需要注意各个信号的最小持续时间如下：
SCLK的最短周期时间是50ns，即SCLK频率应该不高于20MHz。官方的信号频率要求如下：
官方示例
TLV5638的控制字可以在手册中找到，基本上是先对控制寄存器进行数值写入，而后对需要控制的通道写入数据。
根据芯片手册，对TLV5638的控制一共有三种，第一种是对DAC A的参考电压和输出进行控制：
先对控制寄存器写值，选择参考电压、电压工作模式和控制模式，然后将数据写到DAC A并将buffer中数据写到DAC B。
官方的示例二是对DAC B进行控制，如下图：
首先对控制寄存器写值，然后将数据写到DAC B和buffer.
官方示例三是对DAC A 和DAC B同时进行控制，如下图：
首先将数据写到控制寄存器，然后将数据写到buffer，最后将数据写到DAC A的同时将buffer中数据写到DAC B。
主要函数
- SPI通信的传输函数：
下面展示一些内联代码片。
//向SPI写16位数据函数：SPIWrite( )
void SPIWrite(uint temp)
{
uint i,n;
Clr_PinCS();
for(i=0;i<16;i++)
{
n=(temp&0x8000);
if (n==0x8000)
{
Set_PinDIN();}
else
{
Clr_PinDIN();}
Set_PinSCLK();
watch6=temp;
temp<<=1;
watch7=temp;
nNop(1);
Clr_PinSCLK();
nNop(1);
}
Set_PinCS();
}
- 将电压从V转换成控制数据：
// An highlighted block
//将电压值转换为对应的12位数字量函数：VoltToData( )
int VoltToData(uint ref,float ex_ref,float out_volt)
{
int temp;
switch(ref)
{
case EXTERNAL:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*ex_ref));
break;
case IN_1024:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*1.024)/1.1);
break;
case IN_2048:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*2.048)/1.1);
break;
default:break;
}
watchint=temp;
watchint1=(temp&0xfff);
return(temp&0xfff);
}
可以注意到后面两个都除了1.1，这个我也不知道为什么，除了之后输出的电压才与设置的一致。
- 实现官方例子的三种对DAC控制的方法：
//设置DAC A（即A通道）输出函数：SetDAC_A( )
void SetDAC_A(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp)
{
int ModCMD;
int Data;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
Data=VoltToData(ref,ex_ref,temp);
Data=Data|0x8000|(speed<<14);
SPIWrite(ModCMD);
nNop(10);
SPIWrite(Data);
}
//设置DAC B（即B通道）输出函数：SetDAC_B( )
void SetDAC_B(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp)
{
int ModCMD;
int Data;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
watchint5=ModCMD;
Data=VoltToData(ref,ex_ref,temp);
watchint2=temp;
watchint3=Data;
Data=Data|0x0000|(speed<<14);
watchint4=Data;
SPIWrite(ModCMD);
nNop(10);
SPIWrite(Data);
}
//设置DAC A与DAC B同时输出函数SetDAC_AB( )
void SetDAC_AB(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp1,float temp2)
{
int ModCMD;
int DataA,DataB;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
DataA=VoltToData(ref,ex_ref,temp1);
DataA=DataA|0x8000|(speed<<14);
DataB=VoltToData(ref,ex_ref,temp2);
DataB=DataB|0x1000|(speed<<14);
SPIWrite(ModCMD);
SPIWrite(DataB);
SPIWrite(DataA);
}
完整代码
TLV5638.h文件：
//****************tlv5638头文件******************//
#ifndef _tlv5638_H_
#define _tlv5638_H_
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
/*** 参数定义 ***/
//速度模式参数
#define FASTSP 1 //快速模式
#define SLOWSP 0 //慢速模式
//电源模式参数
#define PWR_DOWN 1 //掉电模式
#define PWR_ON 0 //正常模式
//寄存器选择参数
#define DACB_BUFFER 0 //写DACB和BUFFER
#define BUFFER 1 //写BUFFER
#define DACA_BUFFERTOB 2 //写DACA和BUFFER的值更新DACB
#define CONTROL 3 //写控制寄存器
//参考源选择参数
#define EXTERNAL 0 //外部参考源
#define IN_1024 1 //内部1.024V参考源
#define IN_2048 2 //内部2.048V参考源
//引脚定义
//sbit PinDIN=P0^0;
//sbit PinSCLK=P0^2;
//sbit PinCS=P0^4;
//引脚定义 p1.5 DIN ; P1.4 SCLK;P1.3 CS;
#define PinDIN BIT5
#define PinSCLK BIT4
#define PinCS BIT3
#define Set_PinDIN() P1OUT |= PinDIN //因为脚不能位处理，所以这样子对脚赋值
#define Set_PinSCLK() P1OUT |= PinSCLK
#define Set_PinCS() P1OUT |= PinCS
#define Clr_PinDIN() P1OUT |= PinDIN; P1OUT&=~PinDIN
#define Clr_PinSCLK() P1OUT |= PinSCLK; P1OUT&=~PinSCLK //此处是给其求反，得到该位为零
#define Clr_PinCS() P1OUT |= PinCS; P1OUT&=~PinCS
//函数功能：短延时
void nNOP(uchar x);
//函数功能：长延时
void LongDelay(uint i);
//函数功能：置/复位CS信号
//说明：x=1—置位，x=0—复位
//#define SetCS(x)(PinCS=(x)?1:0)
//函数功能：置/复位SCLK信号
//说明：x=1—置位，x=0—复位
//#define SetSCLK(x) (PinSCLK=(x)?1:0)
//函数功能：向SPI写16位数据
//说明：temp为16位的数据
void SPIWrite(uint temp);
//函数功能：将电压值转换为对应的12位数字量
//说明：ref为参考源，ex_ref为当选择外部参考源的电压值，
// out_volt为输出模拟电压值
// 返回12数字量
int VoltToData(uint ref,float ex_ref,float out_volt);
//函数功能：设置DAC A（即A通道）输出
//说明：speed为速度模式，ref为参考源选择，temp为需要输出的电压
// ex_ref为当选择外部参考源的电压值
void SetDAC_A(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp);
//函数功能：设置DAC B（即B通道）输出
//说明：speed为速度模式，ref为参考源选择，temp为需要输出的电压
// ex_ref为当选择外部参考源的电压值
void SetDAC_B(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp);
//函数功能：设置DAC A与DAC B同时输出
//说明：speed为速度模式，ref为参考源选择，
// temp1为A通道需要输出的电压，temp2为B通道需要输出的电压
// ex_ref为当选择外部参考源的电压值
void SetDAC_AB(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp1,float temp2);
#endif//_TLV5638_H_
TLV5638.c文件：
/*
* TLV5638.c
*
* Created on: 2023年7月25日
* Author: jrz
*/
//**************主函数*****************//
#include <msp430.h>
#include "tlv5638.h"
//unsigned char watchar=0;
//long watchlong=0;
unsigned int watchint=0,watchint1=0,watchint2=0 ,watchint3=0,watchint4=0,watchint5=0,watch6=0,watch7;
//短延时函数：nNop( )
void nNop(uchar i)
{
for(;i>0;i--);
}
//长延时函数：LongDelay( )
void LongDelay(uint i)
{
uint j;
for(;i>0;i--)
{
for(j=1000;j>0;j--);
}
}
//向SPI写16位数据函数：SPIWrite( )
void SPIWrite(uint temp)
{
uint i,n;
Clr_PinCS();
for(i=0;i<16;i++)
{
n=(temp&0x8000);
if (n==0x8000)
{
Set_PinDIN();}
else
{
Clr_PinDIN();}
Set_PinSCLK();
watch6=temp;
temp<<=1;
watch7=temp;
nNop(1);
Clr_PinSCLK();
nNop(1);
}
Set_PinCS();
}
//将电压值转换为对应的12位数字量函数：VoltToData( )
int VoltToData(uint ref,float ex_ref,float out_volt)
{
int temp;
switch(ref)
{
case EXTERNAL:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*ex_ref));
break;
case IN_1024:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*1.024)/1.1);
break;
case IN_2048:temp=(int)((out_volt*4096)/(2*2.048)/1.1);
break;
default:break;
}
watchint=temp;
watchint1=(temp&0xfff);
return(temp&0xfff);
}
//设置DAC A（即A通道）输出函数：SetDAC_A( )
void SetDAC_A(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp)
{
int ModCMD;
int Data;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
Data=VoltToData(ref,ex_ref,temp);
Data=Data|0x8000|(speed<<14);
SPIWrite(ModCMD);
nNop(10);
SPIWrite(Data);
}
//设置DAC B（即B通道）输出函数：SetDAC_B( )
void SetDAC_B(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp)
{
int ModCMD;
int Data;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
watchint5=ModCMD;
Data=VoltToData(ref,ex_ref,temp);
watchint2=temp;
watchint3=Data;
Data=Data|0x0000|(speed<<14);
watchint4=Data;
SPIWrite(ModCMD);
nNop(10);
SPIWrite(Data);
}
//设置DAC A与DAC B同时输出函数SetDAC_AB( )
void SetDAC_AB(uint speed,uint ref,float ex_ref,float temp1,float temp2)
{
int ModCMD;
int DataA,DataB;
ModCMD=0x9000|(speed<<14)|(ref);
DataA=VoltToData(ref,ex_ref,temp1);
DataA=DataA|0x8000|(speed<<14);
DataB=VoltToData(ref,ex_ref,temp2);
DataB=DataB|0x1000|(speed<<14);
SPIWrite(ModCMD);
SPIWrite(DataB);
SPIWrite(DataA);
}
示例主函数：
#include <msp430.h>
#include "tlv5638.h"
float vout,m;
int i,j;
void Init_DA5638()
{
Clr_PinDIN();
Clr_PinCS();
Clr_PinSCLK();
}
void main(void)
{
WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD; // Stop watchdog timer
P1DIR|=PinDIN+PinSCLK+PinCS;
Init_DA5638();
while(1)
{
SetDAC_AB(FASTSP,IN_1024,0,2.0,0.5);
}
}
一些问题
实际使用的过程中有这样的问题，函数都是按照芯片手册上写出来的，但是对DAC A或者DAC B单独进行设置时会发现设置不成功，对DAC A 和DAC B同时设置时会只对DAC B设置，而DAC A没有设置成功（只设置一次）。但是将对DAC A 和DAC B同时设置的函数反复执行时是设置成功的，考虑到控制电压也只是直流电压，这样也能勉强满足要求，没有进一步思索。
输出结果
使用上面的反复设置的方法对DAC A和DAC B进行了同时的设置，分别将两通道电压设置为0.8V和0.1V，示波器显示的结果如下：
可见电压数值还是比较准确的，但是在信号上叠加了一个100多K的固定信号，很奇怪，最后也没有找到引起这个结果的原因，猜测可能是电源造成的，因为在电源上也有看到，但是使用其他模块的未出现这个现象，要是找到原因的可以指导一下，最后是采用了有源低通滤波器滤掉了这个交流信号，因为控制信号为直流，滤除后结果如下：
最后数值还算准确，噪声也比较小，勉强达到了使用的要求。