Online Tool für schnelles ΔΣ Modulator Design

Delta-Sigma (ΔΣ) Analog-Digital-Wandler (ADCs) werden in Signalverarbeitungsanwendungen häufig eingesetzt, da sie eine hohe Auflösung und einen großen Dynamikbereich erreichen können. Dies wird durch Oversampling und Noise Shaping erreicht, bei dem Quantisierungsrauschen aus dem Signalband verschoben wird. Dadurch sind sie besonders effizient für präzise Messungen. Je nach Anwendungsanforderungen gibt es verschiedene Konfigurationen von ΔΣ-ADCs, wie z.B. zeitdiskrete (DT), zeitkontinuierliche (CT), Bandpass und inkrementelle ΔΣ-ADCs.

DT ΔΣ-Modulatoren (DT DSMs) bieten eine präzise Kontrolle über die Dynamik des Regelkreises und lassen sich einfacher simulieren und entwerfen. Ihre switched-cap Implementierung bietet eine hohe Linearität und Stabilität. DT DSMs werden typischerweise in Audio-ADCs, in der Messtechnik sowie in Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Auflösung eingesetzt.

CT ΔΣ-Modulatoren (CT DSMs) sind besser für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet, da sie eine intrinsische Abtastung am Ausgang des Modulators ermöglichen. Sie verbrauchen weniger Leistung als DT DSMs, da der Loopfilter zeitkontinuierlich arbeitet, was die Anforderungen an die Bandbreite des Operationsverstärkers (Op-Amp) reduziert. CT DSMs bieten aufgrund ihrer zeitkontinuierliche  Natur von Haus aus Anti-Aliasing-Funktionalität. CT DSMs werden typischerweise in der Hochgeschwindigkeitskommunikation (z.B. in drahtlosen Empfängern) oder als Breitband-ADCs eingesetzt.

CT Bandpass (BP) ΔΣ-Modulatoren verschieben das Quantisierungsrauschen aus einem bestimmten Frequenzband und eignen sich daher ideal zur Modulation von Signalen, die um eine von Null verschiedene Frequenz zentriert sind. Sie sind entscheidend für Systeme, bei denen das interessierende Signal ein Schmalbandsignal ist, das auf Zwischenfrequenzen oder Funkfrequenzen moduliert wird. BP ΔΣ-Modulatoren werden typischerweise in Radioempfängern, Schmalbandkommunikationssystemen und softwaredefinierten Radios eingesetzt.

Inkrementelle ΔΣ-Modulatoren (I-DSMs) arbeiten mit Eingangssignalen von endlicher Dauer und fungieren daher als Nyquist-ADCs. Sie können zurückgesetzt werden, was sie ideal für Szenarien wie Mehrkanalmessungen macht, bei denen jeder Eingang eine isolierte Umwandlung erfordert. Darüber hinaus bieten sie eine geringere Latenz im Vergleich zu frei laufenden DSMs, was sie für den Einsatz in Regelkreisen geeigneter macht. Sie werden typischerweise in Sensorsystemen, in der Mehrkanal-Datenerfassung und in Präzisionsanwendungen mit niedrigen Frequenzen eingesetzt.

Der Entwurfsprozess für DSMs ist oft mühsam und stark von der Erfahrung und dem Wissen des Entwicklers abhängig. In diesem Projekt wird ein benutzerfreundliches Design-Tool entwickelt, das die direkte Gestaltung von DSMs ermöglicht. Es basiert auf einer heuristischen Suche mithilfe eines genetischen Algorithmus. Um sehr kurze Reaktionszeiten im Bereich von Sekunden für eine vollständige Optimierung zu erreichen, werden die Algorithmen auf einer GPU implementiert, um eine stark parallele Ausführung der Simulationen zu ermöglichen. Darüber hinaus berücksichtigt das Tool mehrere Nichtidealitäten, um mehr als nur eine grobe Schätzung zu liefern. Es sind keine fortgeschrittenen Kenntnisse über Loopfilter, Modellierung und Transformationen erforderlich.

Die webbasierte GUI für dieses Designtool finden Sie unter
https://www.sigma-delta.de

Aufgrund der Nachfrage nach anspruchsvolleren Architekturen und Modulatortypen wächst der Umfang der Toolbox kontinuierlich. Zusätzlich werden die Flexibilität der zugrunde liegenden Modelle und die Effektivität des Optimierungsalgorithmus ständig erweitert, um das Anwendungsspektrum zu vergrößern.