ΣΔ Modulator & Klasse D Verstärker & Filter

ΣΔ Modulator & Klasse D Verstärker & Filter

Patrick Walther

Problemstellung
Um Steuersignale zwischen Tal- und Bergstation zu übertragen, wird das bewegte Tragseil der Bahn genutzt. Als Steuersignale dienen Sinussignale im Frequenzbereich von 2.5kHz bis 38.1kHz. Die Schwingungen werden durch nahe am Seil liegende Stahlplatten, kapazitiv eingekoppelt bzw. ausgekoppelt. Die Sendeeinheit ist nur schwer zugänglich und wird per Batterie betrieben. Daher ist es wichtig, dass die besagte Sendeeinheit möglichst wenig Energie verbraucht.
In einer früheren Bachelorthesis wurde bereits eine Sendeeinheit realisiert. Hierbei wurde eine PWM-Modulation angewandt; damit konnte jedoch der geforderte Klirrfaktor von 0.1% nicht eingehalten werden.

Lösungskonzept
Es geht nun darum ein Sinussignal per SDM 2. Ordnung zu modulieren, per Class-D-Verstärker zu verstärken und zum Schluss mit einem LC-Filter wieder zu rekonstruieren. Die Signalgenerierung kann von der früheren Arbeit übernommen werden. Der SDM soll auf einem FPGA implementiert werden, zudem wird der Verstärker und LC-Filter aufgebaut und ausgemessen. Die ganze Sendeeinheit soll möglichst wenig Energie verbrauchen.

Realisierung
Es wurde ein PCB mit Treiber und Filter designt und an der Hochschule hergestellt und bestückt. Der Modulator wurde einerseits in MATLAB/Simulink simuliert und auf dem FPGA implementiert.

Ergebnisse
Bei den Messungen hat sich gezeigt, dass das Filter den Erwartungen entspricht. Der Modulator weiss jedoch am Ausgang noch erhebliche harmonische Verzerrungen auf. Diese Harmonischen konnten mit Hilfe von Dithering unterdrückt werden. Das gesetzte Ziel von einem Klirrfaktor < 0.1% konnte aber nicht eingehalten werden. Die Anforderungen an den Energieverbrauch wurden jedoch erfüllt.

Studienbetreuer Prof. Othmar Schälli
Preisstifter Frey AG Stans

Übertragungsverhalten des Filters
FT des Ausgangssignals ohne Dithering bei einer Eingangsfrequenz von 4kHz
FFT des Ausgangssignals mit Dithering bei einer Eingangsfrequenz von 4kHz

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