Simulierter Sigma-Delta-Modulator verhält sich merkwürdig

[Marius K. (zephram)]

Hallo liebe Leute,

ich beiße mir schon seit ein paar Tagen die Zähne an einem Problem aus, 
welches Sigma-Delta-Modulatoren betrifft. Ich habe mich bereits ein 
wenig in die Grundlagen eingearbeitet und kenne die Funktionsweise. Ich 
habe mich nun daran gesetzt einen Modulator 2. Ordnung zu simulieren, 
bekomme aber nur ein minderwertiges Signal raus. Die Abtastfrequenz 
beträgt 5 Mhz, die Signalfrequenz 5 Khz. Der Modulator hat eine CRFB 
Topologie und einen binären Quantisierer. Die Koeffizenten habe ich aus 
diesem Paper:

(http://www.cppsim.com/Tutorials/sigma_delta_ord2_dt_adc_tutorial.pdf 
S.8)

Auf dem Diagramm erkennt man, das das modulierte Signal Pulsabstände von 
mehreren Millisekunden hat. Bei einer Abtastperiode von 200 ns scheint 
mir da iwo der Wurm drinne zu stecken. Die Abbildung auf S.10 des oben 
genannten Papers zeigt dagegen ein schön "dichtes" SDM-Signal. Die 
Schaltungen sollten mMn äquivalent sein, zeigen aber unterschiedliche 
Signale. Jemand eine Idee?  Der gezeigte Wandler wurde mit xcos 
simuliert, eine entsprechende Schaltungssimulation mit LTSpice zeigt 
aber dasselbe Verhalten.

Grüße

[Achim S. (Gast)]

Marius K. schrieb:
> Auf dem Diagramm erkennt man, das das modulierte Signal Pulsabstände von
> mehreren Millisekunden hat.

Ich erkenne das ehrlich gesagt nicht (wobei du die Skalierung der 
x-Achse in deiner Grafik leider abgeschnitten hast. Aber: die Periode 
deines Sinus beträgt 200µs, und du hast viele Pulse pro Periode. Von 
daher können das sicher keine Pulsabstände im Millisekundenbereich sein.

Oder meintest du µs-Bereich?

Marius K. schrieb:
> Die Abbildung auf S.10 des oben
> genannten Papers zeigt dagegen ein schön "dichtes" SDM-Signal

andere Zeitskala, andere Nutzung des Spannungsbereichs...
Bei einem "fairen" Vergleich wird dein Modulator voraussichtlich das 
selbe Verhalten zeigen.

[Raymund Hofmann (Gast)]

Marius K. schrieb:
> des oben
> genannten Papers zeigt dagegen ein schön "dichtes" SDM-Signal.

Ist der Modulator evtl. einfach zu nah an seiner Aussteuerungsgrenze?

Typischerweise bleibt man von der Maximalaussteureung weit genug weg um 
keine zu lange konstanten Abschnitte des Ausgangs zu bekommen.

Was soll der Modulator auch anderes tun wenn er 0.9 mit 1 und -1 
annähert?

[Marius K. (zephram)]

@Achim

Ja natürlich, ich meinte µs...

@Raymund

Ja, hmmm, nach ein wenig experimentieren scheint es wirklich an der Nähe 
zur Aussteuergrenze zu liegen - das Problem ist bei binären Quantisieren 
ja auch bekannt. Nimmt man die Amplitude ein wenig zurück so sieht das 
Ganze schon ein wenig besser aus, siehe Abbildung.

Grüße

PS: Sorry, Bild doppelt gepostet...

[J. S. (engineer)]

Raymund Hofmann schrieb:
> Typischerweise bleibt man von der Maximalaussteureung weit genug weg um
> keine zu lange konstanten Abschnitte des Ausgangs zu bekommen.

Oder man vorverzerrt richtig

[Raymund Hofmann (Gast)]

Jürgen S. schrieb:
> Oder man vorverzerrt richtig

Was gewinnt man dabei?

Ich vermute spektrale Anteile die evtl. nicht vollständig kompensierbar 
sind, vor allem wenn der Modulator analoge Komponenten und höhere 
Ordnung hat.

[J. S. (engineer)]

Raymund Hofmann schrieb:
> Ich vermute spektrale Anteile die evtl. nicht vollständig kompensierbar
> sind,

Der Modulator erzeugt ja immer einen Fehler, der in Verbindung mit der 
(kapazitven  induktiven  ohmschen) Last zu einem Spektrum führt, 
welches im nächsten Schritt wieder weggeregelt werden muss. Die Annahme 
des Modulators ist dabei ein idealer (oder eben auch nicht idealer ) 
Integrator beim Empfänger. Wenn man den Empfänger kennt, kann man so 
vorverzerren, dass sich diese Fehler minimieren. Zudem lässt sich das 
Spektrum so verschieben, dass es möglichst weit "oben" ist. Bei 
ausreichender Frequenz gegenüber der Grenzfrequenz lässt sichso ein Teil 
eliminieren.

Interessant ist das immer bei der Ansteuerung von Lasten mit stark 
komplexem Anteil. Lautsprechermembranen, Motoren etc ...

[Raymund Hofmann (Gast)]

Jürgen S. schrieb:
> Interessant ist das immer bei der Ansteuerung von Lasten mit stark
> komplexem Anteil. Lautsprechermembranen, Motoren etc ...

Das sind nichtlineare Beispiele in denen nicht 100% kompensierte 
"Vorverzerrungen" wohl eh untergehen / nicht auffallen.

Ein Sigma Delta Modulator ist nichtlinear und dessen mathematisches 
Modell ist ein statistisches.

Praktisch sind deswegen oft Maßnahmen nötig gegen spektrale "Annomalien" 
wie auch gegen die "Überraschung" dass 1% Einschaltzeit eben auch 99% 
Ausschaltzeit bedeutet.