Guten Abend liebe Forumsgemeinde, ich bastle mir grad einen DeltaSigma Wandler zweiter Ordnung. Angefangen hab ich mit einem einfachen Wandler erster Ordnung der auch sehr zufriedenstellend funktioniert. Leider gerate ich bei der zweiten Ordnung doch sehr ins straucheln. Folgendes mal zum funktionieren Aufbau erster Ordnung: Schaltung findet ihr im Anhang. Wenn kein Signal am Input anliegt schaltet diese Schaltung sehr exakt auf 50% DutyCycle bei 380kHz. Leg ich ein Signal an wird das verarbeitet und sieht am Spektrum Analyzer ziemlich sauber aus. SNR von ca. 80db. Verwendet habe ich einen MCP6022 mit einem Gain von 1 (R3 und R1). So nun möchte ich den Rauschabstand verbessen und erweitere den ersten Integrator um einen Zweiten (siehe ebenfalls Bild). Mit der exakt identischen Beschaltung wie im ersten Integrator, also auch einem Gain von 1 läuft die Schaltung überhaupt nicht an. Erhöhe ich den Gain des zweiten Integrators auf ca. 10 läuft sie mit etwa doppelter Geschwindigkeit wie die erster Ordnung ABER nicht mit einem DutyCycle von 50% sondern etwa 70%. Kurioserweise kann ich den ersten Integrator sogar aus der Fassung nehmen und es läuft weiter. Am Spektrum Analyzer sieht man einen extrem unruhigen Verlauf. SNR liegt hier sogar bei nur noch 40db und das Eingangssignal ist stark abgeschwächt. Jemand einen Tipp was ich falsch mache? Sooo falsch kanns ja nicht sein wenn die erste Ordnung super läuft. Danke euch auf jeden Fall schon mal :)
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Hallo Matthias Machmal, das Problem könnte die Phasendrehung der beiden Stufen sein? Jeder Integrator erzeugt eine Phasendrehung von 180°. Du mußt sie von unterschiedlichen Ausgängen des D-FlipFlop rückkoppeln, sonst arbeitet einer davon in Mitkopplung. Gruß. Tom
Oooooh mann na klar... Danke!! es läuft nun wie es soll :) Die Hilfe hier im Forum ist manchmal unbezahlbar. Danke, danke, danke Tom!!!
Und welche Werte schafft dein Design? Würde mich mal interessieren, also SNR und Bandbreite. Danke.
Den +Eingang der OPs über einen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung zu versorgen, halte ich für eine Lösung, die verbesserungsfähig ist. Erstens fängt man sich da am Eingang einen Haufen Dreck aus der Betriebsspannung ein, zweitens ist das driftanfällig.
Abdul K. schrieb: > Und welche Werte schafft dein Design? Würde mich mal interessieren, also > SNR und Bandbreite. Danke. Muss ich heute Abend nochmal in Ruhe messen. > Den +Eingang der OPs über einen Spannungsteiler aus der Betriebsspannung > zu versorgen, halte ich für eine Lösung, die verbesserungsfähig ist. > Erstens fängt man sich da am Eingang einen Haufen Dreck aus der > Betriebsspannung ein, zweitens ist das driftanfällig. Ja, das stimmt. Muss ich noch ändern. Referenzspannungsquellen liegen schon bereit. Weiß jemand wie man die Delta Sigma Integratoren dimensioniert? Also welchen Gain man am besten verwendet und wie sich die C's berechnen? Ich fahr aktuell bei beiden Integratoren mit einem Gain von 1. Nimmt man besser identische OP's oder unterschiedliche? Langsame oder schnelle SlewRate?
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Was soll denn ueberhaupt gemessen werden ? Mit welcher Geschwindigkeit und Aufloesung ?
Jetzt Nicht schrieb: > Was soll denn ueberhaupt gemessen werden ? Mit welcher Geschwindigkeit > und Aufloesung ? Audiosignal, 20Hz-20kHz, SNR möglichst hoch (>100db wären super). Output soll bei 4-500kHz und 50% DutyCycle liegen.
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Hallo Matthias, meiner Meinung nach könntest du die Schaltung etwas verbessern, indem du den 2. Operationsverstärker durch einen Komparator (als Integrator) ersetzt. Die Ausgänge von Komparatoren sind für schnelles schalten ausgelegt, dadurch kannst du eventuell sogar den Schmitt-Trigger überflüssig machen. Als nächstes scheint mir die Taktfrequenz von 25MHz für ein Audiosignal reichlich hoch, aber das hängt auch von der nachfolgenden Schaltung ab. Versuchsweise könntest du mal das freie FlipFlop als Frequenzteiler schalten und die 12,5MHz als Takt verwenden. Hat zusätzlich den Vorteil, daß das Taktsignal dann absolut phasensymetrisch (50:50) ist. Übliche Abtastfrequenzen von Audiosignalen liegen bei 44kHz, da sind 100kHz eigentlich schon viel. P.S. Die Eingänge des 2. FlipFlop einfach offen lassen ist keine gute Idee. Gruß. Tom
TomA schrieb: > Übliche > Abtastfrequenzen von Audiosignalen liegen bei 44kHz, da sind 100kHz > eigentlich schon viel. Bei einem Wandler mit 16 Bit, oder mehr, schon, aber bei einem Delta Sigma Wandler (1 Bit) brauchts ein Vielfaches davon. Mit freundlichen Grüßen - Martin
Hallo Martin, danke, da habe ich wieder etwas dzugelernt! Gruß. Tom
Hallo Matthias, habe mir das mit der Frequenz jetzt nochmal in den Kopf genommen. Du schreibst, das der Output bis 500kHz gehen soll - dafür reicht, am Eingang des FlipFlop, ein Takt von 1MHz. Eine höhere Taktfrequenz bringt keinen Vorteil, vor allem wenn der Analogteil und damit die Signallaufzeit nich schnell genug ist! Das kannst du leicht messen. Was ist die höchste Frequenz deines Ausgangssignals? Diese Frequenz mal 2 ist die höchstmögliche Taktfrequenz für dein FlipFlop. Gruß. Tom
Hier habe ich mich unglücklich ausgedrückt:
>Diese Frequenz mal 2 ist die höchstmögliche Taktfrequenz für dein FlipFlop.
Es ist nicht die höchstmögliche Frequenz, wie man an deinen 25MHz Takt
sieht. Es ist die höchste Frequenz die das System verarbeiten kann. Die
tatsächlich gewählte Frequenz liegt sogar noch darunter, um nicht am
Grenzbereich zu arbeiten.
Im Grunde hast du es ja schon beschrieben. Die höchste Frequenz tritt
bei einer Eingangsspannung von 0,5 * Versorgung auf (symetrisches
Ausgangssignal), also ohne Eingangssignal. Da hast du 380kHz - Das ist
die Arbeitsfrequenz deines Systems. Ein Takt von 700kHz reicht also
völlig aus.
Gruß. Tom
Meine Empfehlung: Nimm als zweiten Integrator einen Komparator (geringere Durchlaufzeit als OP) und lasse den Schmitt-Trigger weg (so entfällt seine Durchlaufzeit). Wähle die Zeitkonstanten der Integratoren für eine Leerlauffrequenz etwas größer 500kHz. Nimm einen Taktgenerator mit 2Mhz und teile seine Frequenz im 2. FlipFlop auf 1Mhz als Taktfrequenz für das 1. FlipFlop. Wenn der "ivertierende" Schmitt-Trigger weg ist, nicht vergessen die Rückkoppelpfade zu tauschen - sonst gibt es wieder Mitkopplung. Gruß. Tom
Ok, danke schon mal für die zahlreiche Unterstützung! 25MHz Takt hatte ich halt noch rumliegen, aber müsste auch noch andere übrig haben. Werd mich heute Abend hinsetzen und das alles versuchen umzusetzen :)
Hallo Matthias, nicht vergessen, die Leerlauffrequenz noch mit einer hohen Taktfrequenz (25MHz, 2MHz) einzustellen. Bei 1MHz Takt ist die höchste Ausgangsfrequenz nur noch 500kHz. Viel Erfolg. Tom
Moin, Der Geiz-ist-geil-Mann in mir hat sich schon gefragt, ob/wie gut das denn funktioniert, wenn man statt der OpAmps als Integrator nur jeweils einen simplen Transistor mit Miller-C nimmt. 2 Transistoren in Kette haben ja auch schon eine ganz ordentliche Verstaerkung. (Und natuerlich den extra Schmitt-Trigger weglaesst; die Setup/Hold Zeiten des Flipflops koennen ja eh nicht garantiert werden). Solange der NF-Eingang AC gekoppelt ist, muesste sich das auch alles automatisch auf 50% Dutycycle ohne Eingangssignal einstellen). Gruss WK
Hallo derguteweka, das sollte man ausprobieren. Das Ganze ist ja ein geschlossener Regelkreis, der sich selbst stabilisiert, und wenn die Verstärkung hoch genug ist sollte es funktionieren? Die erhöhte Temperatudrift müßte dem AC-Signal eigentlich egal sein. Wenn jetzt "Um Lei Tung" mitließt, hat er wieder was zu lachen :) Ich meine, da hast du den Chinamann doch wieder auf eine Einsparungsidee gebracht. Gruß. Tom
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So sorry für die späte Rückmeldung, war ein paar Tage krank und konnte nicht viel weiter machen. Live hab ich auch noch gar nicht wirklich weiter gemacht sondern mich jetzt erstmal aufs Simulieren beschränkt. Im Anhang findet ihr den Versuchsaufbau für eine DeltaSigma Schaltung 4ter Ordnung die ich nicht vernünftig simuliert bekomme. Vielleicht kann mir jemand weiter helfen?? So grundlegend läuft sie zwar, der SNR ist aber viel zu schlecht und man sieht dass ab dem 3. Integrator das Signal sehr "leise" wird. Jemand eine Idee wie man die Gainstruktur so anpasst dass es passt?
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Zumindest die Bauteile für die Simulation habe ich mal "gerichtet". Der Anstieg in deiner FFT bei tiefen Frequenzen kommt von dem Einschwingen des Koppelkondensators am Eingang. Das Zeitfenster der FFT muss so gewählt werden, dass das Einschwingen abgeschlossen ist.
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Helmut S. schrieb: > Zumindest die Bauteile für die Simulation habe ich mal "gerichtet". Ok, ja hab's bei mir grad laufen lassen. Deine Schaltung mit den LTC1051 hat viel schlechtere Werte, mit den universellen OP Amps dagegen sieht alles gut aus. Den Komparator gegen einen Schmitt Trigger zu tauschen ist auch keine schlechte Idee. > Der Anstieg in deiner FFT bei tiefen Frequenzen kommt von dem > Einschwingen des Koppelkondensators am Eingang. Das Zeitfenster der FFT > muss so gewählt werden, dass das Einschwingen abgeschlossen ist. Ok, macht Sinn. Danke schon mal für die Hilfestellung!! So falsch lag ich dann ja aber gar nicht.
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Hallo Matthias, achte mal auf die Lage des Integrationskondensator. Die Schaltung ist für 5V, sollte aber auch für 3,3V machbar sein. Gruß. Tom
Leider hab ich jetzt das Problem dass die Schaltung ohne Eingangssignal nicht sauber mit 50% hin- und herschaltet. @Helmut: weißt du dazu noch Rat? @Tom: Mit deiner Schaltung komme ich irgendwie gar nicht zurecht. Außerdem müsste das FFT Plot bei einem Delta Sigma Wandler doch anders aussehen? So wie im Post von Helmut... Gibt's eigentlich vernünftige und vorallem für nicht Akademiker verständliche Literatur über das Thema. Das Internet ist voll von Formeln zur Berechnung aber ich versteh sie leider nicht. Grundlegende Dinge wie "welche OP Amps eignen sich dafür" oder welche Stufe braucht welchen Gain etc...? Irgendwie findet man dazu rein gar nichts :(
Hallo Matthias, meine Schaltung ist die einfache Grundschaltung mit FlipFlop (7474) und Komparator (LM311). Ich gebe das Eingangssignal über R2 direkt auf den Komparator, in einer realen Schaltung wäre da natürlich noch ein Verstärker davor. Das FFT-Diagramm zeigt, daß das analoge Signal von 1kHz wunderbar, mit einem Tiefpaß, aus dem digitalen Datenstrom rekonstruierbar ist. Nennenswerte Oberwellen treten erst ab ca. 20kHz (oberhalb der Hörgrenze) auf, aber da ist ihre Amplitude, wegen des Tiefpasses, bereits sehr klein. Verwendet man anstelle des einfachen Tiefpaß einen Aktiven, ist das Ausgangssignal noch besser. Aber davor steht noch irgendeine Art der digitalen Signalverarbeitung. Das Signal als Selbstzweck zu digitalisieren und dann wieder analogisieren macht ja wenig Sinn. Für ein digitales Hall- oder Echo-Gerät reicht die Bandbreite dieser einfachen Schaltung durchaus. Verständliche Literatur über die Delta-Sigma Wandlung kenne ich nur aus der Zeitschrift "Elrad", die hatten vor vielen Jahren (denke Mitte/Ende der 80er) mal ein Echogerät vorgestellt und die Grunlagen dazu mit veröffentlicht. Gruß. Tom
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Hier noch ein Bild dazu. Es zeigt die Verhältnisse nach dem Einschwingen, die letzten 2ms von 5ms.
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Hier mal ein Beispiel von mir. Das Standardwerk kann man in Uni-Bibliotheken ausleihen. Understanding Delta Sigma Converters Richard Schreier, Gabor C. Temes, ISBN 0-471-46585-2 The circuit parameters are from page 284 of this book. Soweit ich mich erinnere hat Richard Schreier auch eine Delta-Sigma Toolbox für Matlab entwickelt. Gruß Helmut
Also erstmals vielen, vielen Dank an euch für eure Unterstützung. Es hat mir enorm weiter geholfen zu verstehen was in einem Delta Sigma Wandler passiert und ich konnte gestern Abend ein wenig real daran herumbasteln. Den ersten Versuch machte ein MCP6022 mit 1nF als Integrator, also einen DS Wandler erster Ordnung. Damit bekam ich einen SNR von ca. 80db und einen THD+N von 0.02% :) Ein weiterer MCP6022, ebenfalls mit 1nF als Integrator verbesserte dann den SNR auf knapp 100db, verschlechterte aber den THD+N auf 0.1% :( Werd da wohl noch ein wenig herumexperimentieren müssen :) Aber soweit läuft es ja, und darum geht's ja ;-)
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