Delta Sigma Modulator

АЦП на основе сигма-дельта модулятора.

Тип: SubSystem

Путь в библиотеке:

/Mixed-Signal/ADC/Building Blocks/Delta Sigma Modulator

Описание

Блок Delta Sigma Modulator моделирует АЦП на основе сигма-дельта модулятора, используя четыре различных типа архитектуры:

каскад интеграторов с обратной связью (CIFB);
каскад резонаторов с обратной связью (CRFB);
каскад интеграторов с прямой связью (CIFF);
каскад резонаторов с прямой связью (CRFF).

Можно моделировать сигма-дельта модуляторы порядков от первого до шестого. Блок также позволяет проектировать каскадные структуры, такие как многоступенчатая фильтрация и преобразование шума (MASH) и устойчивая архитектура MASH (S-MASH). Кроме того, поддерживается моделирование шумов, обусловленных характеристиками компонентов цепи. Можно построить графики передаточной функции шума и передаточной функции сигнала, а также оценить отношение сигнал/шум.

Порты

Вход

# input — аналоговый входной сигнал
скаляр

Details

Аналоговый входной сигнал, заданный как скаляр.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# reset — сброс сигма-дельта модулятора
скаляр

Details

Сигнал сброса для блока Delta Sigma Modulator, заданный как скаляр.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# feedback — выходной сигнал следующего каскада
скаляр

Details

Выходной сигнал следующего каскада. Используйте этот порт для подачи выходного сигнала обратно в блок при моделировании многоступенчатого сигма-дельта модулятора. Если обратная связь от следующего каскада отсутствует, подключите этот порт к блоку Ground.

Используйте этот порт для построения каскадных структур сигма-дельта модулятора таких, как MASH и S-MASH.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Выход

# dsmOut — цифровой выходной сигнал
скаляр

Details

Цифровой выходной сигнал, возвращаемый в виде скаляра.

Типы данных	`Float32`, `Float64`, `Int8`, `Int16`, `Int32`, `UInt8`, `UInt16`, `UInt32`, `Bool`, `Fixed`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# filterOut — выходной сигнал контурного фильтра
скаляр

Details

Выходной сигнал контурного фильтра внутри сигма-дельта модулятора, возвращаемый в виде скаляра.

Типы данных	`Float32`, `Float64`, `Int8`, `Int16`, `Int32`, `UInt8`, `UInt16`, `UInt32`, `Bool`, `Fixed`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# quantOut — выходной сигнал квантователя
скаляр

Details

Выходной сигнал квантователя внутри сигма-дельта модулятора, возвращаемый в виде скаляра. Если этот порт не используется, подключите его к блоку Terminator.

Если порт feedback не используется, значения на портах quantOut и dsmOut совпадают.

Используйте этот порт для построения каскадных структур сигма-дельта модулятора таких, как MASH и S-MASH.

Типы данных	`Float32`, `Float64`, `Int8`, `Int16`, `Int32`, `UInt8`, `UInt16`, `UInt32`, `Bool`, `Fixed`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Parameters

Configuration

# Architecture — архитектура сигма-дельта модулятора
CIFB | CRFB | CIFF | CRFF

Details

Архитектура сигма-дельта модулятора, заданная одним из следующих значений:

CIFB — каскад интеграторов с обратной связью;
CRFB — каскад резонаторов с обратной связью;
CIFF — каскад интеграторов с прямой связью;
CRFF — каскад резонаторов с прямой связью.

Значения	`CIFB` \| `CRFB` \| `CIFF` \| `CRFF`
Значение по умолчанию	`CIFB`
Имя для программного использования	`dsmArchitecture`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Details

Порядок сигма-дельта модулятора. Можно выбрать порядок от первого до шестого.

Значения	`1st order` \| `2nd order` \| `3rd order` \| `4th order` \| `5th order` \| `6th order`
Значение по умолчанию	`2nd order`
Имя для программного использования	`dsmOrder`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Input parameters

# System bandwidth (Hz) — полоса пропускания системы сигма-дельта модулятора

Details

Полоса пропускания системы сигма-дельта модулятора, заданная как неотрицательный вещественный скаляр.

Значение по умолчанию	`1000.0`
Имя для программного использования	`BandWidth`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# OSR — отношение частоты дискретизации сигма-дельта модулятора к частоте Найквиста

Details

Отношение частоты дискретизации сигма-дельта модулятора к частоте Найквиста, заданное как неотрицательный вещественный скаляр. Высокий коэффициент передискретизации позволяет использовать менее сложный фильтр защиты от наложения спектров и снижает уровень шума квантования в рабочей полосе частот.

Значение по умолчанию	`64`
Имя для программного использования	`OSR`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Sampling frequency (Hz) — частота дискретизации сигма-дельта модулятора

Details

Частота дискретизации сигма-дельта модулятора. Этот параметр доступен только для чтения и рассчитывается на основе параметров System bandwidth (Hz) и OSR.

Значение по умолчанию	`128000.0`
Имя для программного использования	`SamplingFrequency`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Number levels — количество уровней квантователя в сигма-дельта модуляторе

Details

Количество уровней квантователя в сигма-дельта модуляторе, заданное как положительное целое число.

Значение по умолчанию	`2`
Имя для программного использования	`NumberLevels`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Quantizer output — диапазон выходных значений квантователя

Details

Диапазон выходных значений квантователя в архитектуре сигма-дельта модулятора, возвращаемый в виде вектора вещественных элементов. Этот параметр доступен только для чтения.

Значение по умолчанию	`[-1.0, 1.0]`
Имя для программного использования	`QuantizerOutput`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Enable dynamic range scaling — включение масштабирования динамического диапазона коэффициентов

Details

Установите этот флажок, чтобы включить масштабирование динамического диапазона коэффициентов. Это предотвращает преждевременное насыщение внутренних состояний.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Use custom coefficient values.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`EnableDynamicRangeScaling`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Use custom coefficient values — возможность использования пользовательских значений коэффициентов 'a', 'g', 'b' и 'c'

Details

Установите этот флажок, чтобы задать пользовательские значения параметров Coefficient 'a', Coefficient 'g', Coefficient 'b' и Coefficient 'c'.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`EnableCustomCoeff`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Custom coefficients

# Coefficient 'a' — коэффициенты обратной связи от квантователя или прямой связи к квантователю

Details

Коэффициенты обратной связи от квантователя или прямой связи к квантователю, заданные как вектор вещественных элементов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Use custom coefficient values.

Значение по умолчанию	`[0.1601, 0.6515]`
Имя для программного использования	`a`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Coefficient 'g' — коэффициенты резонатора

Details

Коэффициенты резонатора, заданные как вектор вещественных элементов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Use custom coefficient values.

Значение по умолчанию	`[0.0]`
Имя для программного использования	`g`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Coefficient 'b' — коэффициенты передачи сигнала с входа модулятора на каждый интегратор

Details

Коэффициенты передачи сигнала с входа модулятора на каждый интегратор, заданные как вектор вещественных элементов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Use custom coefficient values.

Значение по умолчанию	`[0.1601, 0.6515, 1.0]`
Имя для программного использования	`b`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Coefficient 'c' — межкаскадные коэффициенты интегратора

Details

Межкаскадные коэффициенты интегратора, заданные как вектор вещественных элементов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Use custom coefficient values.

Значение по умолчанию	`[1.0, 1.0]`
Имя для программного использования	`c`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Impairment

# Integrator op-amp gain — коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутым контуром

Details

Коэффициент усиления внутреннего операционного усилителя с разомкнутым контуром, заданный как положительный вещественный скаляр. Этот параметр используется при анализе передаточной функции шума. Идеальная передаточная функция шума предполагает бесконечный коэффициент усиления операционного усилителя.

Значение по умолчанию	`Inf`
Имя для программного использования	`OLgain`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Advanced

# NTF zeros optimization — метод оптимизации нулей передаточной функции шума
0: Unoptimized | 1: Optimized | 2: Optimized with at least one zero at band-center

Details

Метод, который блок использует для оптимизации нулей передаточной функции шума:

0: Unoptimized — без оптимизации;
1: Optimized — с оптимизацией;
2: Optimized with at least one zero at band-center — с оптимизацией и хотя бы одним нулем в центре полосы пропускания.

Значения	`0: Unoptimized` \| `1: Optimized` \| `2: Optimized with at least one zero at band-center`
Значение по умолчанию	`2: Optimized with at least one zero at band-center`
Имя для программного использования	`ntfOptim`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Modulator passband — тип полосы пропускания модулятора
Lowpass | Bandpass

Details

Тип полосы пропускания сигма-дельта модулятора.

Значения	`Lowpass` \| `Bandpass`
Значение по умолчанию	`Lowpass`
Имя для программного использования	`passbandType`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Center frequency — центральная частота модулятора

Details

Центральная частота модулятора, заданная как скаляр в диапазоне (0, 0.5]. Для фильтра нижних частот центральная частота равна 0.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Modulator passband значение Bandpass.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`centerFrequency`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Use custom value of H_inf — возможность использования пользовательского значения

Details

Установите этот флажок, чтобы использовать пользовательское значение . По умолчанию флажок снят.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`EnableCustomHinf`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Maximum out-of-band gain H_inf — максимальный коэффициент усиления передаточной функции шума вне полосы пропускания

Details

Максимальный коэффициент усиления передаточной функции шума вне полосы пропускания.

Согласно правилу Ли, условие обеспечивает устойчивую работу модулятора с двоичным квантователем. Уменьшение повышает вероятность устойчивой работы, но снижает степень подавления сигнала, обеспечиваемую передаточной функцией шума, и теоретическое разрешение модулятора.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Use custom value of H_inf.

Значение по умолчанию	`1.4`
Имя для программного использования	`Hinf`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Analysis

# Noise transfer function (NTF) — построение графика передаточной функции шума

Details

Установите этот флажок, чтобы построить график передаточной функции шума при формировании графиков анализа.

Значение по умолчанию	`true (включено)`
Имя для программного использования	`NTFflag`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# NTF pole-zero plot — визуализация расположения полюсов и нулей передаточной функции шума

Details

Установите этот флажок, чтобы отобразить положения полюсов и нулей передаточной функции шума при формировании графиков анализа.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`PZflag`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Signal transfer function (STF) — построение графика передаточной функции сигнала

Details

Установите этот флажок, чтобы построить график передаточной функции сигнала при формировании графиков анализа.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`STFflag`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Predict SNR — прогнозирование отношения сигнал/шум для двоичных модуляторов

Details

Установите этот флажок, чтобы прогнозировать отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR) для двоичных модуляторов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Number levels значение 2.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`SNRflag`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

# Append plots — добавление графиков к текущему рисунку

Details

Установите этот флажок, чтобы добавить новые графики анализа к текущему рисунку.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`AppendFlag`
Настраиваемый	Нет
Вычисляемый	Да

Результаты анализа учитывают только влияние конечного коэффициента усиления операционного усилителя, заданного параметром Integrator op-amp gain. При расчете результатов на вкладке Analysis блок не учитывает влияние теплового шума.

Дополнительно

Передаточная функция шума

Details

Блок вычисляет передаточную функцию шума с помощью уравнения:

где — цепь обратной связи внутреннего контурного фильтра сигма-дельта модулятора.

Идеальная передаточная функция шума предполагает бесконечный коэффициент усиления внутреннего операционного усилителя. Конечный коэффициент усиления влияет на передаточную функцию шума.

Передаточная функция сигнала

Details

Блок вычисляет передаточную функцию сигнала с помощью уравнения:

где

— цепь прямой связи внутреннего контурного фильтра сигма-дельта модулятора;
— цепь обратной связи внутреннего контурного фильтра сигма-дельта модулятора.

Литература

Shanthi Pavan, Richard Schreier, Gabor C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters, 2nd ed., IEEE Press, 2017.