在微控制器（MCU）中重建模拟信号的一种常用方法是脉宽调制（PWM）。但是，这种调制会产生大量的谐波分量，从而限制所生成信号的带宽，而且需要通过滤波来减少输出纹波（请参阅“Cancel PWM DAC ripple with analog subtraction”和“Fast PWM DAC has no ripple”两篇文章）。
然而，由于是一种开关调制，PWM的优势是只需要使用简单的二进制输出。另一种方法是采用具有一定分辨率位数的特定数模转换器（DAC）外设。DAC和PWM这两种方案都需要使用特定外设，但是在很多情况下它们都无法获得。
一种解决方案是将8位MCU与4位固定参考电压（FVR）模块结合使用，然后采用Σ-Δ调制（SDM）生成模拟信号。由于SDM可以将噪声移动到更高频率，因此就更容易实现滤波。这样就可以提高分辨率并增加有效位数。图1给出了此一阶SDM框图，图2给出了其汇编程序代码。
图1：一阶4位Σ-Δ调制器。
图2：调制器的汇编程序代码。
如图1所示，我们将输出电压（V）截断，将其四个最高有效位（MSB）连接到4位DAC模块，而残差h则送往与下一个输入样本x相加。由于这个简单的SDM只接受一半的输入范围（从而避免饱和），因此数据输入幅度被限制为7位，而其MSB则固定为“0”。为了对该设计进行测试，这里使用了一个查找表，它包含128个正弦点，由定时器1中断以32kHz进行采样。定时器0用于产生主中断，而以250kHz的速率执行SDM代码。CPU时钟配置为64MHz，调制器所用时间小于2μs。图3显示了模拟输出响应时间。
图3：滤波前生成的信号波形。
此外，我们通过逻辑分析仪对4位输出进行直接采样，测试了所生成的信号在频域中的幅度响应，如图4所示。由此可以得出结论，使用低通滤波器去除1kHz以上的噪声，可以实现60dB的无杂散动态范围，这意味着过采样率（OSR）为250，分辨率可以提高4位（0.5×log2OSR）。该解决方案也适用于较少的输出位数，即使只使用了一个开关输出位也行。
图4：输出频率响应（128ks DFT）。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Sigma-delta modulation improves resolution in programmable interrupt controller analog outputs）
本文为《电子技术设计》2020年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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