SDW (Sigma-Delta-Wandler)

Sigma-Delta-Wandler benutzen für die Analog-Digital-Umsetzung einen 1-Bit-Wandler, darüber hinaus kommen die Techniken des Oversampling, des Noise-Shaping und der Digitalfilter zum Einsatz. Das Sigma-Delta-Verfahren zeichnet sich durch eine sehr hohe Auflösung von bis zu 24 Bit aus und wird u.a. in der Audiotechnik, der Konsumelektronik und der Kommunikationstechnik eingesetzt.


Vom Prinzip her handelt es sich beim Sigma-Delta-Wandler um ein sehr einfaches A/D-Wandlungsprinzip, der 1-Bit-Wandlung, das nur ein einziges Bit kennt. Bei der Deltamodulation werden lediglich die Änderungen im Signalpegel digital umgesetzt. Im einfachsten Fall steht die digitale "1" für eine steigende, die "0" für eine fallende Spannung. Jedes Bit repräsentiert dabei einen festen Änderungswert. Bleibt die Spannung konstant, findet ein ständiger Wechsel zwischen "1" und "0" statt. Diese Modulationstechnik kann bei wechselnder Eingangsspannung eingesetzt werden, wie im Audiobereich, eignet sich aber nicht für Gleichspannung.

Prinzip 
   der 1-Bit-Deltamodulation

Prinzip der 1-Bit-Deltamodulation

Die Technik des Oversampling

Mit der beim Oversampling verwendeten n-fachen Abtastfrequenz wird die Auflösung und Genauigkeit des Delta-Wandlers erhöht. Dies resultiert daraus, dass die Informationstiefe sowohl von der Sampletiefe als auch von der Abtastrate abhängt. Eine niedrigere Abtastrate und eine hohe Sampletiefe haben die gleiche Informationstiefe wie eine hohe Abtastrate und eine niedrige Sampletiefe. So kann ein 1-Bit-Wandler mit einer hohen Abtastrate die gleiche Informationstiefe haben, wie ein 16-Bit-Wandler mit niedriger Abtastung. Dieses Grundprinzip macht man sich mit dem Oversampling zunutze.

Erhöhung der Bitzahl durch Oversampling

Erhöhung der Bitzahl durch Oversampling

Darüber hinaus verteilt sich das effektive Quantisierungsrauschen auf einen breiteren Frequenzbereich. Die Rauschenergie verteilt sich bei n-facher Abtastfrequenz auf den n-fachen Frequenzbereich, der Rauschanteil sinkt damit gegenüber der einfachen Abtastfrequenz, was sich in einem höheren Dynamikbereich ausdrückt. Beispielsweise erhöht sich bei einem achtfachen Oversampling die Bitzahl um 3, bei einem 256-fachen um 8.

Aufbau des Delta-Sigma-D/A-Wandlers einfacher Ordnung

Aufbau des Delta-Sigma-D/A-Wandlers einfacher Ordnung

Dem Verfahren nach wird das Binärsignal mit einer hohen Abtastfrequenz abgetastet. Diese ist um ein Vielfaches höher als die Abtastfrequenz, die sich aus dem Abtasttheorem ergibt. Bei einer Compact Disc, die mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz arbeitet, kann die Oversampling-Abtastrate durchaus bei weit über 10 MHz liegen, was einem über 200-fachen Oversampling entsprechen würde.

Der Delta-Sigma-Modulator setzt ein binäres Eingangssignal beliebiger Bitbreite in einen seriellen Bitstrom um. Dazu wird das Eingangssignal einem Differenzverstärker zugeführt, dem ein Integrator nachgeschaltet ist. Der Ausgangspegel des Integrators wird einem Komparator zugeführt, der diesen mit "0" oder "1" bewertet. Die Anzahl der "Einsen" am Modulatorausgang ist zum Eingangssignal proportional. Der Komparatorausgang wird über einen 1-Bit-Wandler geführt, der den 1-Bit-Datenstrom in eine positive oder negative Spannung umsetzt, die dann als Regelspannung über den Differenzverstärker dem Integrator zugeführt wird. Das analoge Ausgangssignal wird dadurch erzeugt, indem das Komparatorsignal über einen Tiefpass geführt wird.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Sigma-Delta-Wandler - SDW
Englisch: sigma delta converter
Veröffentlicht: 02.11.2013
Wörter: 453
Tags: #Analogschaltungen
Links: 1-Bit-Wandler, Abtastrate, Abtasttheorem, Abtastung, Analog