W elektronice obwód DAC jest rodzajem systemu. To ona zamienia sygnał cyfrowy na analogowy.
Istnieje kilka obwodów DAC. Przydatność do konkretnego zastosowania zależy od wskaźników jakości, w tym rozdzielczości, maksymalnej częstotliwości próbkowania i innych.
Konwersja cyfrowo-analogowa może pogorszyć przesyłanie sygnału, dlatego konieczne jest znalezienie instrumentu, który ma drobne błędy w zakresie zastosowania.
Aplikacje
Przetworniki cyfrowo-analogowe są zwykle używane w odtwarzaczach muzycznych do konwersji numerycznych strumieni informacji na analogowe sygnały audio. Są one również używane w telewizorach i telefonach komórkowych do konwersji danych wideo na sygnały wideo, które są podłączone do sterowników ekranu w celu wyświetlania obrazów monochromatycznych lub wielokolorowych.
To właśnie te dwie aplikacje wykorzystują obwody DAC na przeciwległych końcach kompromisu między gęstością a liczbą pikseli. Dźwięk to dźwięk o niskiej częstotliwości i wysokiej rozdzielczości, a wideo to wariant o wysokiej częstotliwości z obrazem od niskiej do średniej.
Ze względu na złożoność i potrzebę starannie dobranych komponentów, wszystkie oprócz najbardziej wyspecjalizowanych przetworników cyfrowo-analogowych są implementowane jako układy scalone (IC). Łącza dyskretne są zazwyczaj niezwykle szybkimi, energooszczędnymi typami o niskiej rozdzielczości, które są używane w wojskowych systemach radarowych. Bardzo szybki sprzęt testowy, zwłaszcza oscyloskopy próbkujące, może również wykorzystywać dyskretne przetworniki cyfrowo-analogowe.
Przegląd
Półstała moc wyjściowa konwencjonalnego, niefiltrowanego przetwornika cyfrowo-analogowego jest wbudowana w prawie każde urządzenie, a początkowy obraz lub końcowa przepustowość projektu wygładza reakcję skoku w ciągłą krzywą.
Odpowiadając na pytanie: „Co to jest przetwornik cyfrowo-analogowy?”, warto zauważyć, że składnik ten przekształca abstrakcyjną liczbę o skończonej precyzji (zwykle binarną cyfrę stałoprzecinkową) na wartość fizyczną (na przykład napięcie lub nacisk). W szczególności konwersja C/A jest często używana do zmiany danych szeregów czasowych na stale zmieniający się sygnał fizyczny.
Idealny przetwornik cyfrowo-analogowy przekształca abstrakcyjne cyfry w konceptualny ciąg impulsów, które są następnie przetwarzane przez filtr rekonstrukcyjny, wykorzystujący pewną formę interpolacji w celu wypełnienia danych między impulsami. Zwykłypraktyczny konwerter cyfrowo-analogowy zamienia liczby w odcinkową stałą funkcję złożoną z sekwencji prostokątnych wzorów, które są tworzone z zachowaniem zerowego rzędu. Również odpowiadając na pytanie „Co to jest DAC?” warto zwrócić uwagę na inne metody (np. oparte na modulacji delta-sigma). Tworzą wyjście modulowane gęstością impulsu, które może być podobnie filtrowane w celu uzyskania płynnie zmieniającego się sygnału.
Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu Nyquista-Shannona, przetwornik cyfrowo-analogowy może zrekonstruować oryginalną wibrację na podstawie próbkowanych danych, pod warunkiem, że jego strefa penetracji spełnia określone wymagania (na przykład impuls pasma podstawowego o niższej gęstości linii). Próbka cyfrowa reprezentuje błąd kwantyzacji, który pojawia się jako szum niskiego poziomu w zrekonstruowanym sygnale.
Uproszczony schemat funkcji 8-bitowego narzędzia
Warto od razu zauważyć, że najpopularniejszym modelem jest przetwornik cyfrowo-analogowy Real Cable NANO-DAC. DAC jest częścią zaawansowanej technologii, która wniosła znaczący wkład w cyfrową rewolucję. Aby to zilustrować, rozważ typowe połączenia międzymiastowe.
Głos dzwoniącego jest konwertowany na analogowy sygnał elektryczny za pomocą mikrofonu, a następnie ten impuls jest zamieniany na strumień cyfrowy wraz z przetwornikiem cyfrowo-analogowym. Następnie ta ostatnia jest dzielona na pakiety sieciowe, do których może zostać przesłana wraz z innymi danymi cyfrowymi. I niekoniecznie musi to być dźwięk.
Wtedy pakietysą akceptowane w miejscu docelowym, ale każdy z nich może obrać zupełnie inną trasę i nawet nie dotrzeć do miejsca docelowego we właściwej kolejności i we właściwym czasie. Cyfrowe dane głosowe są następnie wyodrębniane z pakietów i łączone we wspólny strumień danych. DAC konwertuje to z powrotem na analogowy sygnał elektryczny, który napędza wzmacniacz audio (taki jak przetwornik cyfrowo-analogowy Real Cable NANO-DAC). A on z kolei aktywuje głośnik, który w końcu wytwarza niezbędny dźwięk.
Dźwięk
Większość nowoczesnych sygnałów akustycznych jest zapisywana cyfrowo (np. MP3 i CD). Aby były słyszalne przez głośniki, muszą zostać przekształcone w podobny impuls. Możesz więc znaleźć konwerter cyfrowo-analogowy do telewizora, odtwarzacza CD, cyfrowych systemów muzycznych i kart dźwiękowych do komputerów PC.
Dedykowane samodzielne przetworniki cyfrowo-analogowe można również znaleźć w wysokiej jakości systemach Hi-Fi. Zazwyczaj wykorzystują cyfrowe wyjście kompatybilnego odtwarzacza CD lub dedykowanego pojazdu i konwertują sygnał na analogowe wyjście liniowe, które następnie można przesłać do wzmacniacza w celu napędzania głośników.
Podobne przetworniki C/A można znaleźć w kolumnach cyfrowych, takich jak głośniki USB i karty dźwiękowe.
W aplikacjach Voice over IP źródło musi być najpierw zdigitalizowane w celu transmisji, więc jest konwertowane przez ADC, a następnie konwertowane na analogowe za pomocą DAC nastrona przyjmująca. Na przykład ta metoda jest używana w przypadku niektórych konwerterów cyfrowo-analogowych (TV).
Zdjęcie
Próbkowanie ma tendencję do działania na zupełnie inną skalę, ze względu na wysoce nieliniową reakcję zarówno lamp katodowych (do których przeznaczona była zdecydowana większość cyfrowej produkcji wideo), jak i ludzkiego oka, przy użyciu krzywa gamma zapewniająca wrażenie równomiernie rozłożonych stopni jasności w całym zakresie dynamicznym wyświetlacza. Stąd potrzeba użycia RAMDAC w komputerowych aplikacjach wideo z dość głęboką rozdzielczością kolorów, tak że niepraktyczne jest tworzenie wartości zakodowanej na sztywno w przetworniku cyfrowo-analogowym dla każdego poziomu wyjściowego każdego kanału (na przykład Atari ST lub Sega Genesis wymagają 24 z tych wartości; 24-bitowa karta graficzna wymagałaby 768).
Biorąc pod uwagę to nieodłączne zniekształcenie, nie jest niczym niezwykłym, że telewizor lub projektor wideo zgodnie z prawdą ma liniowy współczynnik kontrastu (różnica między najciemniejszym i najjaśniejszym poziomem wyjściowym) wynoszący 1000:1 lub więcej. Odpowiada to 10 bitom wierności dźwięku, nawet jeśli może odbierać tylko sygnały o wierności 8-bitowej i używać panelu LCD, który wyświetla tylko sześć lub siedem bitów na kanał. Na tej podstawie publikowane są recenzje DAC.
Sygnały wideo ze źródła cyfrowego, takiego jak komputer, muszą zostać przekonwertowane na postać analogową, jeśli mają być wyświetlane na monitorze. Podobny od 2007 rokuWejścia były używane częściej niż cyfrowe, ale to się zmieniło, ponieważ płaskie wyświetlacze ze złączami DVI lub HDMI stały się bardziej powszechne. Jednak wideo DAC jest wbudowany w każdy cyfrowy odtwarzacz wideo z tymi samymi wyjściami. Konwerter cyfrowo-analogowy audio jest zwykle zintegrowany z pewnego rodzaju pamięcią (RAM), która zawiera tabele reorganizacji dla korekcji gamma, kontrastu i jasności w celu stworzenia urządzenia o nazwie RAMDAC.
Urządzenie, które jest zdalnie podłączone do przetwornika cyfrowo-analogowego, to sterowany cyfrowo potencjometr służący do odbierania sygnału.
Projekt mechaniczny
Na przykład maszyna do pisania IBM Selectric już używa nieobsługiwanego ręcznie przetwornika cyfrowo-analogowego do napędzania piłki.
Obwód konwertera cyfrowo-analogowego wygląda tak.
Jednobitowy napęd mechaniczny przyjmuje dwie pozycje: jedną po włączeniu, drugą po wyłączeniu. Ruch wielu jednobitowych siłowników może być łączony i ważony przez urządzenie bez wahania, aby uzyskać dokładniejsze kroki.
To maszyna do pisania IBM Selectric używa takiego systemu.
Główne typy konwerterów cyfrowo-analogowych
- Modulator szerokości impulsu, w którym stabilny prąd lub napięcie jest przełączany na dolnoprzepustowy filtr analogowy o czasie trwania określonym przez kod wejścia cyfrowego. Ta metoda jest często używana do kontrolowania prędkości silnika i przyciemniania świateł LED.
- Konwerter dźwięku cyfrowego na analogowy zPrzetworniki cyfrowo-analogowe z nadpróbkowaniem lub interpolacją, takie jak te wykorzystujące modulację delta-sigma, wykorzystują metodę zmienności gęstości impulsów. Przy użyciu urządzenia delta-sigma można osiągnąć prędkości powyżej 100 kssample na sekundę (np. 180 kHz) i rozdzielczość 28-bitową.
- Binarnie ważony element, który zawiera oddzielne komponenty elektryczne dla każdego bitu przetwornika cyfrowo-analogowego podłączonego do punktu sumowania. To ona może zsumować wzmacniacz operacyjny. Obecna siła źródła jest proporcjonalna do wagi bitu, któremu odpowiada. W ten sposób wszystkie niezerowe bity kodu są dodawane do wagi. Dzieje się tak, ponieważ mają do dyspozycji to samo źródło napięcia. Jest to jedna z najszybszych metod konwersji, ale nie jest idealna. Ponieważ istnieje problem: niska wierność ze względu na duże dane wymagane dla każdego pojedynczego napięcia lub prądu. Tak precyzyjne podzespoły są drogie, więc tego typu model zazwyczaj ogranicza się do rozdzielczości 8-bitowej lub nawet mniejszej. Rezystor przełączany jest przeznaczony do przetworników cyfrowo-analogowych w równoległych źródłach sieciowych. Poszczególne instancje są podłączone do prądu na podstawie wejścia cyfrowego. Zasada działania tego typu przetwornika cyfrowo-analogowego polega na przełączanym źródle prądowym przetwornika cyfrowo-analogowego, z którego wybierane są różne klawisze na podstawie wejścia numerycznego. Zawiera synchroniczną linię kondensatorów. Te pojedyncze elementy są łączone lub odłączane za pomocą specjalnego mechanizmu (stopki), który znajduje się w pobliżu wszystkich wtyczek.
- Przetworniki schodowe cyfrowo-analogowetype, który jest elementem ważonym binarnie. To z kolei wykorzystuje powtarzalną strukturę rezystorów kaskadowych o wartościach R i 2R. Poprawia to dokładność ze względu na względną łatwość wykonania tego samego mechanizmu (lub źródeł prądu).
- Sekwencyjny postęp lub cykliczny przetwornik cyfrowo-analogowy, który buduje wyjście jeden po drugim podczas każdego kroku. Poszczególne bity wejścia cyfrowego są przetwarzane przez wszystkie złącza, aż do rozliczenia całego obiektu.
- Termometr to kodowany przetwornik cyfrowo-analogowy, który zawiera równy rezystor lub segment źródła prądu dla każdej możliwej wartości wyjścia przetwornika cyfrowo-analogowego. 8-bitowy termometr DAC będzie miał 255 elementów, a 16-bitowy termometr DAC będzie miał 65 535 elementów. Jest to prawdopodobnie najszybsza i najdokładniejsza architektura DAC, ale kosztem wysokich kosztów. Dzięki temu typowi przetwornika cyfrowo-analogowego osiągnięto współczynniki konwersji ponad miliarda próbek na sekundę.
- Hybrydowe przetworniki cyfrowo-analogowe wykorzystujące kombinację powyższych metod w jednym konwerterze. Większość układów DAC jest tego typu ze względu na trudności z uzyskaniem niskich kosztów, dużej szybkości i dokładności w jednym urządzeniu.
- Segmentowy przetwornik cyfrowo-analogowy, który łączy zasadę kodowania termometru dla wyższych cyfr i ważenia binarnego dla niższych komponentów. W ten sposób osiągnięto kompromis między dokładnością (za pomocą zasady kodowania termometru) a liczbą rezystorów lub źródeł prądu (za pomocą ważenia binarnego). Głębokie urządzenie z podwójnymdziałanie oznacza, że segmentacja wynosi 0%, a projekt z pełnym kodowaniem termometrycznym ma 100%.
Większość przetworników DACS z tej listy opiera się na stałym napięciu odniesienia, aby utworzyć wartość wyjściową. Alternatywnie, mnożący przetwornik cyfrowo-analogowy akceptuje napięcie wejściowe AC w celu ich konwersji. Nakłada to dodatkowe ograniczenia projektowe na przepustowość schematu reorganizacji. Teraz jest jasne, dlaczego potrzebne są różnego rodzaju konwertery cyfrowo-analogowe.
Wydajność
DAC są bardzo ważne dla wydajności systemu. Najważniejszą cechą tych urządzeń jest rozdzielczość stworzona z myślą o zastosowaniu przetwornika cyfrowo-analogowego.
Liczba możliwych poziomów wyjściowych, które DAC ma odtwarzać, jest zwykle określana jako liczba używanych bitów, która jest logarytmem dwóch podstawowych liczby poziomów. Na przykład 1-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy jest przeznaczony do odtwarzania dwóch obwodów, podczas gdy 8-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy jest przeznaczony do odtwarzania 256 obwodów. Dopełnienie jest związane z efektywną liczbą bitów, która jest miarą rzeczywistej rozdzielczości osiąganej przez przetwornik cyfrowo-analogowy. Rozdzielczość określa głębię kolorów w aplikacjach wideo i szybkość transmisji dźwięku w urządzeniach audio.
Maksymalna częstotliwość
Pomiar największej prędkości, z jaką obwód DAC może działać i nadal wytwarzać poprawny sygnał wyjściowy, określa związek między nim a szerokością pasma próbkowanego sygnału. Jak wspomniano powyżej, twierdzeniePróbki Nyquista-Shannona dotyczą sygnałów ciągłych i dyskretnych i twierdzi, że każdy sygnał można zrekonstruować z dowolną dokładnością na podstawie jego dyskretnych zapisów.
Monotoniczność
Ta koncepcja odnosi się do zdolności wyjścia analogowego przetwornika cyfrowo-analogowego do poruszania się tylko w kierunku, w którym porusza się wejście cyfrowe. Ta charakterystyka jest bardzo ważna dla przetworników cyfrowo-analogowych używanych jako źródło sygnału o niskiej częstotliwości.
Całkowite zniekształcenia harmoniczne i szumy (THD + N)
Pomiar zniekształceń i obcych dźwięków wprowadzanych przez przetwornik cyfrowo-analogowy do sygnału, wyrażony jako procent całkowitej ilości niepożądanych zniekształceń harmonicznych i szumów towarzyszących żądanemu sygnałowi. Jest to bardzo ważna funkcja dla dynamicznych i niskowydajnych aplikacji DAC.
Zakres
Miara różnicy między największym i najmniejszym sygnałem, jaki może odtworzyć przetwornik cyfrowo-analogowy, wyrażona w decybelach, jest zwykle powiązana z rozdzielczością i poziomem szumu.
Inne pomiary, takie jak zniekształcenia fazowe i jitter, mogą być również bardzo ważne w niektórych zastosowaniach. Istnieją takie (np. bezprzewodowa transmisja danych, wideo kompozytowe), które mogą nawet polegać na dokładnym odbiorze sygnałów z regulacją fazową.
Liniowe próbkowanie dźwięku PCM zwykle działa z rozdzielczością każdego bitu odpowiadającą sześciu decybelom amplitudy (podwojenie głośności lub dokładności).
Nieliniowe kodowania PCM (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) próbują poprawić swoje efektywne zakresy dynamiki na różne sposoby -logarytmiczne rozmiary kroku między wyjściowymi poziomami audio reprezentowanymi przez każdy bit danych.
Klasyfikacja przetworników cyfrowo-analogowych
Klasyfikacja według nieliniowości dzieli je na:
- Wyraźna nieliniowość, która pokazuje, jak dwie sąsiednie wartości kodu odbiegają od idealnego kroku 1 LSB.
- Skumulowana nieliniowość wskazuje, jak bardzo transmisja DAC odbiega od ideału.
Więc idealną cechą jest zwykle linia prosta. INL pokazuje, jak bardzo rzeczywiste napięcie przy danej wartości kodu różni się od tej linii w najmniej znaczących bitach.
Wzmocnienie
Ostatecznie hałas jest ograniczany przez szum termiczny generowany przez elementy pasywne, takie jak rezystory. W zastosowaniach audio i w temperaturze pokojowej jest to zwykle nieco poniżej 1 µV (mikrowolt) białego sygnału. Ogranicza to wydajność do mniej niż 20 bitów, nawet w 24-bitowych przetwornikach cyfrowo-analogowych.
Wydajność w dziedzinie częstotliwości
Zakres dynamiki bez zakłóceń (SFDR) wskazuje w dB stosunek mocy przekonwertowanego sygnału głównego do największego niepożądanego przeregulowania.
Noise Distortion Ratio (SNDR) wskazuje w dB właściwość mocy przekonwertowanego dźwięku głównego na jego sumę.
Całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) to suma mocy wszystkich HDi.
Jeśli maksymalny błąd DNL jest mniejszy niż 1 LSB, gwarantowany jest konwerter cyfrowo-analogowybędzie jednolita. Jednak wiele instrumentów monotonicznych może mieć maksymalną wartość DNL większą niż 1 LSB.
Wydajność w dziedzinie czasu:
- Strefa impulsów glitch (energia glitch).
- Niepewność odpowiedzi.
- Czas nieliniowości (TNL).
Podstawowe operacje DAC
Przetwornik analogowo-cyfrowy pobiera dokładną liczbę (najczęściej stałą liczbę binarną) i przekształca ją na wielkość fizyczną (taką jak napięcie lub ciśnienie). Przetworniki cyfrowo-analogowe są często używane do reorganizacji danych szeregów czasowych o skończonej precyzji w stale zmieniający się sygnał fizyczny.
Idealny przetwornik cyfrowo-analogowy pobiera abstrakcyjne liczby z ciągu impulsów, które są następnie przetwarzane przy użyciu formy interpolacji w celu wypełnienia danych między sygnałami. Konwencjonalny konwerter cyfrowo-analogowy umieszcza liczby w odcinkowo stałej funkcji składającej się z sekwencji prostokątnych wartości, która jest modelowana z zachowaniem zerowego rzędu.
Konwerter przywraca oryginalne sygnały, dzięki czemu jego przepustowość spełnia określone wymagania. Cyfrowemu próbkowaniu towarzyszą błędy kwantyzacji, które tworzą szum o niskim poziomie. To on zostaje dodany do przywróconego sygnału. Minimalna amplituda dźwięku analogowego, która może spowodować zmianę dźwięku cyfrowego, nazywana jest najmniej znaczącym bitem (LSB). I błąd (zaokrąglenie) występujący między sygnałami analogowymi i cyfrowymi,nazywa się błędem kwantyzacji.
