Sigma Delta Wandler einfach erklärt
Einleitung
Die Aufgabe des Sigma Delta Wandlers besteht darin ein Analoges Signal in ein Digitales, genauer gesagt, in ein 1Bit Signal zu wandeln.
Wir haben uns bereits damit beschäftigt was ein Sigma Delta Wandler ist, wofür er eingesetzt wird und aus welchen Bauteilen er besteht. Nun möchten wir aber konkret verstehen wie ein Sigma Delta Wandler arbeitet.
⇨ Sigma-Delta-Wandler Aufgabe
Üblicherweise wird an den Eingang des Sigma Delta Wandlers eine Wechselspannung geschlossen. Jedoch möchte ich im ersten Schritt, um ein Grundlegendes Verständnis zu erzielen eine Gleichspannung anschließen. Die Wechselspannung folgt danach.
Gleichspannung – Sigma Delta Wandler
Um das Verhalten bzw. die Funktionsweise des Sigma Delta Wandlers zu verstehen, lege ich zunächst ein Gleichspannungssignal an den Eingang. Hier sind das nun 5V.
Was passiert?
Der Integrator bemerkt ein positives Signal und beginnt zu steigen. Der Komparator bemerkt das positive Signal und gibt am Ausgang die positive Betriebsspannung von 6V aus.
Nun kommt die Rückkopplungsschleife und führt dieses Signal zum Eingang zurück. Dort wird es vom Eingangssignal abgezogen. D.h. 5V – 6V = -1V
An den Eingang des Integrators kommen nun -1V. Wert am Ausgang des Integrators beginnt zu sinken. Ist die Spannung aber noch positiv gibt der Komparator weiterhin 6V aus.
Erst wenn die Integrator-Ausgangsspannung die 0V unterschreitet, gibt der Komparator die negative Betriebsspannung (hier 0V) aus.
Wechselspannung – Sigma Delta Wandler
Nun möchte ich den Sigma Delta Wandler, in einer Funktion, Schritt für Schritt erklären. Hierzu beschränken wir uns im ersten Schritt nur auf den Integrator und den Komparator. Am Eingang liegt ein Sinusförmiges Signal an. Dieses teilen wir in mehrere Stücke auf und betrachten in jedem Schritt was damit passiert.
Schritt 1:
Die Rückkopplung ignorieren wir im ersten Schritt.
Eingang: Der Sinus beginnt anzusteigen.
Integrator: Die Steigung ist positiv deshalb gibt es auch beim Integrator eine positive Steigung.
Komparator: Am Eingang des Komparators liegt ein positives Signal an. Deshalb gibt er am Ausgang seine positive Betriebsspannung 1V aus.
Schritt 2:
Im zweiten Schritt wird nun die Rückkopplung wirksam. Das Ausgangssignal des Komparators, welches hier 1V aufwies, wird Rückgekoppelt.
Eingang: Der Sinus steigt weiter an. Allerdings mit etwas schwächerer Steigung.
Differenz: Vom Eingangssignal wird nun 1V abgezogen. Daraus ergibt sich ein negatives Signal, welches aber leicht ansteigt.
Integrator: Der Integrator sieht nun an seinem Eingang ein negatives Signal
Komparator Betriebsspannung
Hat man nun einen Sigma Delta Wandler erstellt, kommt schnell die Frage auf wie genau die einzelnen Werte der Bauteile definiert werden.
Beim Komparator stellt sich die Frage wie die Betriebsspannung definiert wird. Im Folgenden einzelne Szenarien aufgelistet.
Zu klein (Betriebsspannung = 1V):
Ist die Betriebsspannung des Komparators kleiner als die Eingangsspannung, funktioniert der Sigma Delta Wandler nicht mehr wie gewünscht. Der Ausgang nimmt durchgängig den Wert der positiven Betriebsspannung (hier 1V) an.
Wie erwähnt bedeutet dies: Die Komparatorbetriebsspannung muss immer größer sein als die Eingangsspannung (bei Gleichspannung).
Mittel (Betriebsspannung = 8V):
Wird die Betriebsspannung etwas über die Eingangsspannung gelegt erfolgt hier gezeigtes Verhalten.
Groß (Betriebsspannung = 20V):
Wird die Betriebsspannung weiter vergrößert, fällt auf, dass am Ausgang die „Aus-Zeit“ wesentlich größer wird. Über die Betriebsspannung kann also das Verhältnis zwischen Aus und An-Zeit eingestellt werden.
Negative Betriebsspannung
Differenzbildung – Integratortopologie
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Schritt für Schritt Anleitung
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