Der Sigma-Delta-Wandler, kurz SDW, setzt analoge Signale mithilfe eines 1-Bit-Wandlers in eine digitale Folge um. Dabei werden 1-Bit-Wandler, Oversampling, Noise-Shaping und Digitalfilter kombiniert. Das Verfahren erreicht eine hohe Auflösung und wird unter anderem in der Audiotechnik, der Konsumelektronik und der Kommunikationstechnik eingesetzt.
Im Grundprinzip wird nicht der absolute Signalwert in vielen Bits erfasst. Stattdessen bewertet die Schaltung fortlaufend, ob sich der Signalpegel nach oben oder unten verändert. Bei der Deltamodulation kann eine digitale 1 für eine steigende und eine 0 für eine fallende Spannung stehen. Bei konstantem Pegel wechseln beide Zustände regelmäßig.
Oversampling erhöht die Informationstiefe
Beim Oversampling wird das Signal mit einer deutlich höheren Abtastrate erfasst, als es das Abtasttheorem für die reine Bandbreite verlangen würde. Dadurch kann ein 1-Bit-Wandler Informationen über viele Messzeitpunkte sammeln. Eine hohe Abtastrate kann so teilweise die geringe Sampletiefe ausgleichen.
Zusätzlich verteilt sich das Quantisierungsrauschen über einen breiteren Frequenzbereich. Ein nachgeschalteter Tiefpass kann den relevanten Signalbereich herausfiltern. Das verbessert den nutzbaren Dynamikbereich. Als Faustregel liefert achtfaches Oversampling etwa drei zusätzliche Bit Informationstiefe, 256-faches Oversampling etwa acht.
Aufbau des Sigma-Delta-Modulators
Ein Modulator führt das Eingangssignal einem Differenzverstärker und anschließend einem Integrator zu. Ein Komparator bewertet den Integratorausgang als 0 oder 1. Die Häufigkeit der Einsen im entstehenden Bitstrom ist proportional zum Eingangssignal.
Über eine Rückkopplung wird das Komparatorsignal wieder in eine positive oder negative Spannung umgesetzt und dem Eingang entgegengesetzt zugeführt. Die nachfolgende Filterung rekonstruiert daraus das analoge Signal. In umgekehrter Richtung kann das Prinzip auch in Digital-Analog-Wandlern eingesetzt werden.
Typische Einsatzgebiete
Sigma-Delta-Verfahren eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe Auflösung, gute Linearität und eine vergleichsweise einfache analoge Eingangsstufe wichtig sind. Beispiele finden sich bei Audio-Schnittstellen, Messgeräten, Sensorik und Kommunikationssystemen. Die hohe interne Abtastrate stellt dabei Anforderungen an Taktung, Filterung und digitale Signalverarbeitung.