Dac obvod. Digitálno-analógové prevodníky: typy, klasifikácia, princíp činnosti, účel

V elektronike je obvod DAC akýmsi systémom. Je to ona, ktorá prevádza digitálny signál na analógový.

Existuje niekoľko schém DAC. Vhodnosť pre konkrétnu aplikáciu je určená ukazovateľmi kvality vrátane rozlíšenia, maximálnej vzorkovacej frekvencie a ďalších.

Digitálno-analógová konverzia môže zhoršiť vysielanie signálu, preto je potrebné nájsť nástroj, ktorý má z hľadiska aplikácie menšie chyby.

Aplikácia

DAC sa spravidla používajú v hudobných prehrávačoch na konverziu číselných informačných tokov na analógové zvukové signály. Používajú sa tiež v televízoroch a mobilných telefónoch na konverziu video dát na video signály, ktoré sú pripojené k ovládačom obrazovky, aby odrážali monochromatické alebo viacfarebné obrázky.

. Tieto dve aplikácie používajú obvody DAC na opačných koncoch kompromisu medzi hustotou a počtom pixelov. Zvuk je nízkofrekvenčný Typ S vysokým rozlíšením a video je vysokofrekvenčný variant s nízkym a stredným obrazom.

Vzhľadom na zložitosť a potrebu presne vybraných komponentov sú všetky DAC okrem najšpecializovanejších implementované vo forme integrovaných obvodov (IO). Diskrétna komunikácia má tendenciu byť extrémne vysokorýchlostnými typmi šetriacimi energiu s nízkym rozlíšením, ktoré sa používajú vo vojenských radarových systémoch. Veľmi vysokorýchlostné testovacie zariadenia, najmä vzorkovacie osciloskopy, môžu tiež používať diskrétne DAC.

Recenzia

Čiastočne konštantný výstupný signál konvenčného DAC bez filtra je zabudovaný do takmer akéhokoľvek zariadenia a počiatočný obraz alebo konečná šírka pásma konštrukcie vyhladzuje krokovú odozvu na súvislú krivku.

Odpoveď na otázku: "Čo je DAC?", stojí za zmienku, že táto zložka prevádza abstraktné konečné presné číslo (zvyčajne binárnu číslicu s pevným bodom) na fyzikálnu veličinu (napríklad napätie alebo tlak). Najmä digitálno-analógová konverzia sa často používa na zmenu údajov časových radov na neustále sa meniaci fyzický signál.

Ideálny DAC prevádza abstraktné čísla na koncepčnú postupnosť impulzov, ktoré sa potom spracujú pomocou rekonštrukčného filtra pomocou nejakej formy interpolácie na vyplnenie údajov medzi impulzmi. Bežný praktický digitálno-analógový prevodník mení čísla na po častiach konštantnú funkciu zloženú zo sledu obdĺžnikových modelov, ktoré sú vytvorené so zachovaním nulového poradia. Okrem toho odpoveď na otázku: "Čo je DAC?", stojí za zmienku ďalšie metódy (napríklad založené na modulácii delta-sigma). Vytvárajú výstup s modulovanou hustotou impulzov, ktorá môže byť podobne filtrovať do získajte hladko sa meniaci signál.

Podľa Nyquist-Shannonovej vzorkovacej vety môže DAC rekonštruovať počiatočné vibrácie zo vzorových údajov za predpokladu, že jeho zóna inzercie spĺňa určité požiadavky (napríklad impulz základného pásma s prenosovým vedením s nižšou hustotou). Digitálne vzorkovanie predstavuje kvantizačnú chybu, ktorá sa prejavuje ako nízkoúrovňový šum v rekonštruovanom signáli.

Zjednodušený funkčný diagram 8-bitového nástroja

Okamžite stojí za zmienku, že najviac populárne kategórie je digitálny analógový prevodník skutočný kábel NANO-DAC. DAC je súčasťou pokrokovej technológie, ktorá významne prispela k digitálnej revolúcii. Na ilustráciu stojí za zváženie typické diaľkové telefónne hovory.

Hlas volajúceho sa pomocou mikrofónu prevedie na analógový elektrický signál a potom sa tento impulz spolu s DAC zmení na digitálny prúd. Potom je tento rozdelený na sieťové pakety, kde je možné ho odosielať spolu s ďalšími digitálnymi údajmi. A nemusí to byť nevyhnutne zvuk.

Potom sú pakety prijaté na miesto určenia, ale každý z nich môže ísť na úplne inú trasu a dokonca ani nedosiahne cieľ v správnom poradí av správnom čase. Digitálne rečové údaje sa potom extrahujú z paketov a zhromažďujú sa do zdieľaného dátového toku. DAC to prevádza späť na analógový elektrický signál, ktorý poháňa zvukový zosilňovač (napríklad digitálno-analógový prevodník skutočný kábel NANO-DAC). A on zase aktivuje reproduktor, ktorý nakoniec produkuje potrebný zvuk.

Audio

Väčšina moderných akustických signálov sa ukladá digitálne (napríklad MP3 a CD). Aby boli reproduktory počuť, musia byť prevedené na podobný impulz. Nájdete tak digitálno-analógový prevodník pre TV, CD prehrávač, digitálne hudobné systémy a zvukové karty pre PC.

Špecializované samostatné DAC možno nájsť aj vo vysoko kvalitných Hi-Fi systémoch. Zvyčajne berú digitálny výstup kompatibilného CD prehrávača alebo vyhradený transport a prevádzajú signál na linkový analógový výstup, ktorý je potom možné privádzať do zosilňovača na ovládanie reproduktorov.

Podobné digitálno-analógové prevodníky nájdete v digitálnych stĺpcoch, ako sú reproduktory USB, a na zvukových kartách.

V aplikáciách využívajúcich voice over IP musí byť zdroj najskôr digitalizovaný na prenos, takže je prevedený cez ADC a potom prevedený na analógový pomocou DAC na prijímacej strane. Táto metóda sa napríklad používa pre niektoré digitálno-analógové prevodníky (TV).

Obrázok

Vzorkovanie má tendenciu pracovať v úplne inom meradle, vo všeobecnosti kvôli extrémne nelineárnej odozve oboch katódových trubíc (pre ktoré bola určená veľká väčšina diel na tvorbu digitálneho videa) a ľudského oka, pričom sa pomocou gama krivky zabezpečí vzhľad rovnomerne rozložených úrovní jasu v celom dynamickom rozsahu displeja. Preto je potrebné používať RAMDAC v počítačových video aplikáciách s pomerne hlbokým farebným rozlíšením, aby sa neprakticky vytvorila pevne zakódovaná hodnota v DAC pre každú výstupnú úroveň každého kanála (napríklad Atari ST alebo Sega Genesis bude potrebovať 24 takýchto hodnôt; 24-bitová grafická karta bude potrebovať 768).

Vzhľadom na toto inherentné skreslenie sa pre televízor alebo videoprojektor často pravdivo uvádza, že lineárny kontrastný pomer (rozdiel medzi najtmavšou a najjasnejšou výstupnou úrovňou) je 1 000: 1 alebo viac. To sa rovná 10 bitom vernosti zvuku, aj keď dokáže prijímať signály iba s 8-bitovou presnosťou a používať panel LCD zobrazujúci sotva šesť alebo sedem bitov na kanál. Na tomto základe sa uverejňujú recenzie DAC.

Video signály z digitálneho zdroja, napríklad z počítača, musia byť prevedené do analógovej formy, ak je potrebné ich zobraziť na monitore. Od roku 2007 sa podobné vstupy používajú častejšie ako digitálne, ale to sa zmenilo, pretože ploché displeje s pripojením DVI alebo HDMI sa stali bežnejšími. DAC pre video je však zabudovaný do akéhokoľvek digitálneho videoprehrávača s rovnakými výstupmi. Digitálno-analógový audio prevodník je zvyčajne integrovaný s nejakou pamäťou (RAM), ktorá obsahuje reorganizačné tabuľky pre gama korekciu, kontrast a jas na vytvorenie zariadenia s názvom RAMDAC.

Zariadenie, ktoré je diaľkovo pripojené k DAC, je digitálne riadený potenciometer používaný na zachytenie signálu.

Mechanická konštrukcia

Napríklad písací stroj IBM Selectric už používa na ovládanie lopty nemanuálny DAC.

Obvod digitálno-analógového prevodníka vyzerá takto.

Jednobitový Mechanický pohon má dve polohy: jednu keď sa otočí, zapnutá a druhá, keď je vypnutá. Pohyb niekoľkých jednobitových pohonov je možné bez váhania kombinovať a vážiť pomocou zariadenia, aby sa získali presnejšie kroky.

Je to písací stroj IBM Selectric, ktorý používa takýto systém.

Hlavné typy digitálno-analógových prevodníkov

1. Modulátor šírky impulzu, kde sa stabilný prúd alebo napätie prepína na nízkofrekvenčný analógový filter s trvaním určeným pomocou digitálneho vstupného kódu. Táto metóda sa často používa na riadenie rýchlosti elektromotora a tlmenia LED žiaroviek.
2. Digitálno-analógový audio prevodník s redundantným vzorkovaním alebo interpoláciou DAC, napríklad pomocou delta-sigma modulácie, použite metódu zmien hustoty impulzov. Rýchlosti viac ako 100 tisíc vzoriek za sekundu (napríklad 180 kHz) a rozlíšenie 28 bitov sú dosiahnuteľné pomocou zariadenia s delta sigma.
3. Binárne vážený prvok, ktorý obsahuje samostatné elektrické komponenty pre každý bit DAC pripojený k súčtovému bodu. Je to ona, ktorá môže zložiť operačný zosilňovač. Prúdová sila zdroja je úmerná hmotnosti bitu, ktorému zodpovedá. Všetky nenulové bity kódu sa teda sčítajú s hmotnosťou. Stáva sa to preto, lebo majú k dispozícii rovnaký zdroj napätia. Toto je jediný z najrýchlejších spôsobov konverzie, ale nie je dokonalý. Pretože existuje problém: nízka vernosť v dôsledku veľkých údajov, vyžaduje sa pre každé jednotlivé napätie alebo prúd. Takéto vysoko presné komponenty sú drahé, takže tento typ modelu je zvyčajne obmedzený na 8-bitové rozlíšenie alebo ešte menej. Spínaný odpor má účel digitálno-analógových prevodníkov v paralelných sieťových zdrojoch. Jednotlivé inštancie sú zahrnuté v elektrine na základe digitálneho vstupu. Princíp fungovania digitálno-analógový prevodník tohto typu spočíva v prepínanom zdroji prúdu DAC, z ktorého sa na základe číselného vstupu vyberajú rôzne klávesy. Zahŕňa synchrónnu kondenzátorovú linku. Tieto jednotlivé prvky sú pripojené alebo odpojené pomocou špeciálneho mechanizmu (nohy), ktorý je umiestnený v blízkosti všetkých zástrčiek.
4. Digitálno-analógové prevodníky rebríkového typu, čo je binárne vážený prvok. Na druhej strane používa opakujúcu sa štruktúru kaskádových hodnôt odporu R a 2R. To zvyšuje presnosť vďaka relatívnej jednoduchosti výroby mechanizmu s rovnakou nominálnou hodnotou (alebo zdrojmi prúdu).
5. Sekvenčný ofenzívny alebo Cyklický DAC, ktorý vytvára výstupné údaje jeden po druhom počas každej fázy. Jednotlivé bity digitálneho vstupu sú spracované všetkými konektormi, kým sa nezapočítava celý objekt.
6. Teplomer je kódovaný DAC, ktorý obsahuje rovnaký odpor alebo segment zdroja prúdu pre každú možnú výstupnú hodnotu DAC. 8-bitový DAC teplomeru bude mať 255 prvkov a 16-nabitý DAC teplomeru bude mať 65 535 častí. Toto je pravdepodobne najrýchlejšia a najpresnejšia architektúra DAC, ale na úkor vysokých nákladov. Vďaka tomuto typu DAC sa dosiahli rýchlosti konverzie viac ako jedna miliarda vzoriek za sekundu.
7. Hybridné DAC, ktoré používajú kombináciu vyššie uvedených metód v jednom prevodníku. Väčšina integrovaných obvodov DAC patrí do tento typ vzhľadom na zložitosť súčasného získania nízkych nákladov, vysokej rýchlosti a správnosti v jednom zariadení.
8. Segmentovaný DAC, ktorý kombinuje princíp kódovania teplomeru pre vyššie bity a binárne váženie pre nižšie komponenty. Týmto spôsobom sa dosiahne kompromis medzi presnosťou (pomocou princípu kódovania teplomera) a počtom odporov alebo zdrojov prúdu (pomocou binárneho váženia). Hlboké zariadenie s dvojitým pôsobením znamená 0% segmentáciu a dizajn s plným termometrickým kódovaním má 100 %.

Väčšina DAC uvedených v tomto zozname sa pri vytváraní svojej výstupnej hodnoty spolieha na konštantné referenčné napätie. Alternatívne násobiaci DAC akceptuje premenlivé vstupné napätie na ich konverziu. To ukladá ďalšie konštrukčné obmedzenia šírky pásma reorganizačnej schémy. Teraz je jasné, prečo sú potrebné digitálno-analógové prevodníky rôznych typov.

Účinnosť

DAC sú veľmi dôležité pre plodnosť systému. Najvýznamnejšími charakteristikami týchto zariadení sú rozlíšenie, ktoré je vytvorené pre použitie digitálno-analógového prevodníka.

Počet možných výstupných úrovní, ktoré je DAC navrhnutý na reprodukciu, sa zvyčajne označuje ako počet bitov, ktoré používa, to je základ dvoch logaritmov počtu úrovní. Napríklad 1-bitový DAC je navrhnutý na reprodukciu dvoch, zatiaľ čo 8-bitový je navrhnutý pre 256 obvodov. Pridanie súvisí s efektívnym počtom bitov, čo je meranie skutočného rozlíšenia dosiahnutého DAC. Rozlíšenie určuje farebnú hĺbku vo video aplikáciách a bitová rýchlosť zvuku v audio zariadeniach.

Maximálna frekvencia

Meranie najvyššej rýchlosti, pri ktorej môže obvod DAC pracovať a súčasne produkovať správny výstupný signál, určuje vzťah medzi ním a šírkou pásma vzorkovaného signálu. Ako je uvedené vyššie, Nyquist-Shannonova vzorkovacia veta sa týka spojitých a diskrétnych signálov a uvádza, že akýkoľvek signál je možné rekonštruovať s akoukoľvek presnosťou z jeho diskrétnych správ.

Monotónnosť

Tento koncept znamená schopnosť analógového výstupu DAC pohybovať sa iba v smere, v ktorom sa digitálny vstup pohybuje. Táto vlastnosť je veľmi dôležitá pre DAC používané ako zdroj nízkofrekvenčného signálu.

Celkové harmonické skreslenie a šum (THD + N )

Meranie skreslení a cudzích zvukov zavedených DAC do signálu je vyjadrené ako percento z celkového výkonu nežiaduceho harmonického skreslenia a šumu, ktoré sprevádzajú požadovaný signál. Toto je veľmi dôležitá vlastnosť pre aplikácie DAC s dynamickým a nízkym výkonom.

Rozsah

Meranie rozdielu medzi najväčší a malé signály, ktoré môže DAC reprodukovať, vyjadrené v decibeloch, sú zvyčajne spojené s rozlíšením a hladinou hluku.

Pre niektoré aplikácie môžu byť veľmi dôležité aj ďalšie merania, ako je fázové skreslenie a chvenie. Majú tie (napríklad bezdrôtový prenos dát, kompozitné video), ktoré sa môžu dokonca spoľahnúť na presný príjem fázovo riadených signálov.

Lineárne vzorkovanie zvuku PCM zvyčajne funguje na základe rozlíšenia každého bitu, čo zodpovedá šiestim decibelom amplitúdy (zdvojnásobenie hlasitosti alebo presnosti).

Nelineárne kódovania PCM (a-law/µ-law, ADPCM, NICAM) sa snažia zlepšiť svoje efektívne dynamické rozsahy rôznymi spôsobmi - logaritmické veľkosti krokov medzi výstupnými úrovňami zvuku reprezentovanými každým dátovým bitom.

Klasifikácia digitálno-analógových prevodníkov

Klasifikácia podľa nelinearity ich rozdeľuje na:

1. Výrazná nelinearita, ktorá ukazuje, o koľko sa dve susedné hodnoty kódu odchyľujú od Nepoškvrneného kroku 1 LSB.
2. Akumulovaná nelinearita ukazuje, do akej miery sa prenos DAC odchyľuje od ideálu.

To znamená, že ideálnou charakteristikou je zvyčajne priamka. INL ukazuje, ako veľmi sa skutočné napätie pri danej hodnote kódu líši od tohto riadku v dolných bitoch.

Získať

V konečnom dôsledku je hluk obmedzený na tepelný hukot generovaný pasívnymi komponentmi, ako sú rezistory. Pre zvukové aplikácie a pri izbovej teplote je tento zvuk zvyčajne o niečo menší ako 1 MV (mikrovolty) bieleho signálu. To obmedzuje produktivitu na menej ako 20 bitov aj v 24-bitových DAC.

Výkon frekvenčnej domény

Dynamický rozsah bez parazitov (SFDR) indikuje v dB pomer výkonu prevedeného hlavného signálu a najväčšiu nežiaducu emisiu.

Pomer šumu a skreslenia (SNDR) označuje v dB výkonovú vlastnosť prevedeného hlavného zvuku k jeho súčtu.

Celkové koherentné skreslenie (THD) je pridanie Kapacít všetkých HDi.

Ak je maximálna chyba DNL menšia ako 1 LSB, je zaručené, že digitálno-analógový prevodník bude monotónny. Mnoho monotónnych nástrojov však môže mať maximálnu hodnotu DNL vyššiu ako 1 LSB.

Výkon časovej domény:

1. Zóna závadového impulzu (energia závady).
2. Neistota odpovede.
3. Čas nelinearity (TNL).

Základné operácie DAC

Analógovo-digitálny prevodník vezme presné číslo (Najčastejšie binárne číslo s pevným bodom) a prevedie ho na fyzickú veličinu (napríklad napätie alebo tlak). DAC sa často používajú na reorganizáciu údajov časových radov s konečnou presnosťou na neustále sa meniaci fyzický signál.

Ideálny digitálno-analógový prevodník berie abstraktné čísla zo sekvencie impulzov, ktoré sa potom spracúvajú pomocou interpolačného formulára na vyplnenie údajov medzi signálmi. Konvenčný digitálno-analógový prevodník vkladá čísla do po častiach konštantnej funkcie pozostávajúcej zo sekvencie pravouhlých hodnôt, ktorá je modelovaná so zachovaním nulového poradia.

Prevodník obnovuje pôvodné signály tak, aby jeho šírka pásma spĺňala určité požiadavky. Digitálne vzorkovanie je sprevádzané kvantizačnými chybami, ktoré vytvárajú nízkoúrovňový šum. Je to on, kto je pridaný k obnovenému signálu. Minimálna amplitúda analógového zvuku, ktorá môže viesť k digitálnej zmene, sa nazýva najmenej významný bit (LSB). A chyba( zaokrúhľovanie), ktorá sa vyskytuje medzi analógovými a digitálnymi signálmi, sa nazýva chyba kvantovania.