Die Delta-Sigma (ΔΣ) Modulation ist eine Form der Analog-Digital Wandlung oder Digital-Analog Wandlung, welche sich von der Delta_modulation ableitet. Trotz der Entwicklung der ΔΣ-Technik in den frühen 1960ern, hat sich diese Technik erst in den 1990ern mit den Fortschitten in der CMOS-Technologie preiswert fertigen lassen. Delta-Sigma-Wandler werden von vielen großen Halbleiterherstellern als fertige integrierte Schaltung angeboten.

Prinzip

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Das Prinzip der Delta-Sigma-Wandlung beruht auf einer zunächst groben Messung des Signals (Quantisierer, im Bild engl. „Quantizer“). Der dabei entstehende Messfehler wird integriert (im Bild engl. „Integrator“) und über eine Gegenkopplung fortwährend kompensiert.

Das mittlere Ausgangssignal gibt das mittlere Eingangssignal wieder. Dabei wird durch die Modulator-Schaltung das Spektrum des Quantisierungsrauschen zu höheren Frequenzen verschoben, was unter dem Begriff Noise Shaping bekannt ist. Damit können die niederfrequenten Nutzsignalanteile mit hohem Rauschabstand erfasst werden.

Höhere Frequenzen werden aufgrund des ungünstigen Signal-Rauschverhältnisses nicht genutzt, und durch ein digitales Filter (im Bild engl. „Digital Filter“) entfernt. Dieses Filter führt gleichzeitig eine Abtastratenkonvertierung auf die gewünschte Ausgangsbandreite durch und erweitert die Wortbreite des Quantisieres für einen passenden Dynamikumfang.

Die Anzahl der Integratoren bzw. die Anzahl der Gegenkopplungsschleifen charkaterisieren die Ordnung des ΔΣ-modulator. Je höher die Ordnung ist, umso stärker wird die Verschiebung des Rauschen, umso höhere Frequenzen können genutzt werden. Nachteilig ist bei höheren Ordnungen das prinzipiell mögliche Auftreten von Schwingungen und Instabilitäten in der Modulatorschaltung.

Vorteilhaft gegenüber anderen AD-Wandlungsprinzipien ist die hohe Abtastrate des Analogsignals im Vergleich zur Bandbreite des Nutzsignals. Durch diese Überabtastung benötigt ein analoger Bandbegrenzungsfilter, welcher zum Einhalten des Nyquist-Shannon-Abtasttheorem erforderlich ist, nur eine geringe Flankensteilheit und kann entsprechend einfach aufgebaut sein.

Anwendung

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Aufgrund seiner Eigenschaften findet er in einer Reihe von Applikationen vorteilhaft Anwendung:

• Im Bereich der Audiosignalverarbeitung hat er andere Wandlertechniken nahezu vollständig verdrängt. Ausführungen mit einer Signalbandreite von 100 kHz und einem Signal-Rauschabstand von 120 dB sind seit 2005 kommerziell verfügbar. Der Sigma-Delta-Modulator bildet insbesondere die Grundlage des in der Super Audio Compact Disc verwendeten Direct Stream Digital genennten Kodierungsverfahrens, in dem im wesentlichen das digitale Filter weggelassen wird.
• Bei der niederfrequenten Messdatenerfassung kommen spezielle Ausführungen mit Bandbreiten von weniger als 50 Hz in Seismometern, elektronischen Waagen und ähnlichen Geräten zum Einsatz. Diese Wandler verfügen meist auch über ein spezielles digitales Filter, welches die Stromnetzfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz und deren Oberschwingungen unterdrückt.
• Als Empfangsgerät durch eine Modifikation des Modulators. Damit ist es möglich, ein gewünschtes Frequenzband ohne Demodulation zu digitalisieren. Deartige Schaltungen befinden sich seit Beginn des Jahrzents in der Entwicklung.

Weblinks

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• Eine Simulation des Verfahrens findet sich in dem hübschen Applet von Analog Devices.

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