一文详解中科本原DSP芯片的SDFM外设

近年来，我国工业自动化体系持续升级，工业电机与伺服驱动行业步入高速发展期。伺服技术的规模化应用，显著提升了传统装备性能与生产效率。伴随制造业向高端化、精密化转型，工业电机及伺服驱动的应用场景不断拓展，已深度覆盖工业机器人、高端装备制造等新兴领域。电流采样作为伺服系统的核心反馈环节，其响应速度与采样精度，直接决定伺服系统的动态性能与控制品质。

图1在伺服驱动器中使用Σ-Δ 调制器进行电流感测

在多种电流采样方案中，sigma-delta（Σ-Δ）数字采样凭借高隔离性、高精度、强抗干扰性与优异温漂特性脱颖而出。中科本原系列 DSP 实时控制器内置的Sigma Delta Filter Module（SDFM），正是面向高端伺服与电机控制场景设计的专用高性能外设，可帮助用户高效实现高性能 Σ-Δ 采样。本文将详细解析 SDFM 的工作原理、核心功能及其在实际工程中的应用价值。

SDFM外设的核心功能

SDFM（Σ-Δ滤波器模块）是一种四通道数字滤波器，专为工业控制中的电流测量和位置解码而设计。其核心目标是通过高效处理Σ-Δ调制器输出的比特流，实现高精度、低噪声的数字信号转换，同时满足工业场景中对高电压隔离边界的安全需求。

具体而言，SDFM的每个输入通道可独立接收一个Σ-Δ调制器的比特流数据和时钟信号（SD-Dx和SD-Cx引脚），并通过数字抽取滤波器（Sinc1/Sinc2/SincFast/Sinc3）将高频比特流转换为低频数字数据。这一过程不仅保留了原始模拟信号的关键信息，还能通过数字滤波有效抑制高频噪声，提升信噪比。

Sigma-delta（Σ-Δ调制）的工作原理

如图为典型的一阶sigma-delta调制器，其基本组成包含一个积分器，一个1-bit ADC以及一个1-bit DAC。该回路中，输入信号与DAC反馈信号做差，并送入积分环节当中。积分环节输出与一个给定的参考电压比较，通过1-bit ADC生成高或低的高频1-bit数字信号。该数字信号再经过反馈环节的DAC 生成模拟信号作为输入信号的反馈，当环路趋于稳定，则数字输出的平均值将跟随模拟输入信号，从而达到将输入的模拟信号调制为数字信号的目的。

图2Sigma-Delta调制器

更易实现隔离：目前高压电力电子设备普遍采用隔离型电流采样，特别是随着业界功能安全标准的普及，隔离采样也越发成为许多工业、汽车产品的首选方案。由于sigma-delta调制技术先天输出高频数字信号，因此非常适合应用于隔离型的采样器件当中。

更易实现高精度：常见sigma-delta调制器的时钟频率通常高达几十Mhz，其频率远远高于被采样的电力电子系统中的模拟信号（例如电机相电流等），较高的过采样率可以使采样的奈奎斯特频率远远高于信号频率，从而减少信号的混叠现象；此外，通过较高的过采样倍数，sigma-delta调制器将量化噪声分布到了更高的频率上，减少了低频段的噪声分布，从而可以通过数字滤波器将更多的噪声滤除；在此基础上，可以发现对于输入信号积分器相当于一个低通滤波，而对于量化噪声信号，积分器则充当了一个高通滤波的作用。由此，在sigma-delta调制中，噪声在频域上将呈现类似“高通”分布的特性，即实现了“噪声整形”。 由此，配合后级的数字滤波器（Sinc等低通滤波器），sigma-delta调制可以有效滤除更多的高频噪声成分，从而提升信号的信噪比，达到更高的有效位数。

SDFM外设结构和工作原理

作为定位高性能的实时控制MCU，中科本原DSP系列有多款产品针对工业控制应用集成了SDFM，内置了多路Sinc型滤波器，可单芯片配合调制器实现sigma-delta隔离采样。 如图为SDFM模块基本功能框图。以R0049为例，SDFM具有四路滤波器单元，每个单元又包含以下主要功能：

-输入控制单元：主要用于进行调制器输入信号时序模式选择，支持曼彻斯特编码。

-主滤波模块（数据滤波）：用于对调制器输入信号进行滤波得到采样结果，支持sinc1-3以及SincFast 型滤波，最高OSR=256。

-副滤波模块（比较滤波）：用于对调制器输入信号进行快速滤波并进行保护，内置高低限幅比较器，同样支持上述集中滤波器类型。但为了提高转换速度，最高OSR=32。

在同一滤波单元中，主副滤波单元功能完全独立，可分别配置各自工作参数，可以根据实际引用来灵活配置。

图3SDFM功能框图

下图为滤波单元的框图，主要包含以下几个部分：

图4SDFM数据滤波单元

-数据滤波单元: 数据滤波部分，是滤波单元的核心，通过内置Sinc滤波器将输入的数据BIT流转换成数字结果。

-SDSYNC 同步功能：滤波器可以由PWM SOC事件同步。同步发生后，滤波器内部的OSR 计数器将会被清0，从而保证多路SDFM模块之间的同步，或满足特定的采样时序要求（避开开关瞬间的波动等）。可通过SDSYNCx.SYNCSEL选择同步源。

-数据FIFO：由于SDFM常常工作在10M以上的频率上，相应地也在以较高的频率产生转换结果。 为了适应较大的数据量，数据滤波器中内置了16级FIFO。实际应用中通常配置SDFM在收到指定数 量（SDFIFOCTLx.FFIL）的采样结果后触发数据ready中断，以读取采样结果并进行环路计算。

SDFM外设的核心优势

SDFM的设计融合了工业场景的关键需求，其优势主要体现在以下三个方面：

1.高精度与抗干扰能力

Σ-Δ调制器的高过采样率（OSR）和噪声整形特性，使得SDFM能够有效滤除高频噪声。例如，配合TI的Σ-Δ调制器AMC1306，使用OSR=256和Sinc3滤波器时，可实现24位以上的有效精度，远超传统霍尔传感器的性能。这一特性在电机相电流采样中尤为重要，能显著提升控制系统的动态响应和稳定性。

2.简化高电压隔离设计

工业设备中，电流采样常需跨越高电压隔离边界（如驱动器与主控板之间的隔离）。Σ-Δ调制器输出的高频数字信号天然适合通过电容或磁隔离介质传输，而SDFM作为解码模块，无需额外模拟调理电路，降低了设计复杂度。中科本原DSP芯片的SDFM直接支持这类隔离信号的处理，成为实现功能安全（Functional Safety）的优选方案。

3.灵活配置与成本效益

SDFM模块支持多路独立配置，每个通道的滤波器类型（Sinc1/Sinc2/SincFast/Sinc3）、OSR值（比较器OSR范围1-32，数据滤波器OSR范围1-256）、时钟模式（模式0-3）均可编程调整。同时，其旁路模式允许用户直接记录原始比特流，便于后续分析或自定义滤波算法。这种灵活性不仅减少了对外部FPGA/CPLD的依赖（传统方案需额外硬件处理Σ-Δ信号），还降低了系统成本，适合中低端伺服驱动、工业电机等对成本敏感的应用。

结语：SDFM——工业控制的“小而强”

中科本原DSP芯片的SDFM外设，凭借其高精度、易隔离、低成本的特性，已成为电机控制、伺服系统等领域的关键技术。它不仅简化了隔离采样的硬件设计，还通过可编程滤波器和同步功能，为复杂工业场景提供了灵活、可靠的解决方案。

对于工程师而言，掌握SDFM的配置与优化方法，是提升系统性能的关键一步。未来，随着工业自动化向更高精度、更安全的方向发展，SDFM的应用潜力将进一步被挖掘。