Dac circuit. Digitalni-analogni pretvarači: vrste, klasifikacija, princip rada, namjena

U elektronici, DAC kolo je neka vrsta sistema. Ona je ta koja pretvara digitalni signal u analogni.

Postoji nekoliko DAC šema. Pogodnost za određenu primjenu određuje se pokazateljima kvaliteta, uključujući rezoluciju, maksimalnu brzinu uzorkovanja i druge.

Digitalna-analogna konverzija može degradirati slanje signala, pa je potrebno pronaći alat koji ima manje greške u pogledu primjene.

Aplikacije

DAC-ovi se, po pravilu, koriste u muzičkim plejerima za pretvaranje numeričkih tokova informacija u analogne audio signale. Takođe se koriste u televizorima i mobilnim telefonima kako bi pretvorili, respektivno, video podatke u video signale koji su povezani sa upravljačkim programima ekrana kako bi odražavali jednobojne ili raznobojne slike.

. Ove dvije aplikacije koriste DAC kola na suprotnim krajevima kompromisa između gustine i broja piksela. Audio je niskofrekventni tip sa visokom rezolucijom, a video je visokofrekventna varijanta sa niskom i srednjom slikom.

Zbog složenosti i potrebe za precizno usklađenim komponentama, svi osim najspecijaliziranijih DAC-ova implementirani su u obliku integriranih kola (IC). Diskretne komunikacije imaju tendenciju da budu izuzetno brzi tipovi koji štede energiju niske rezolucije koji se koriste u vojnim radarskim sistemima. Oprema za testiranje vrlo velike brzine, posebno osciloskopi za uzorkovanje, također može koristiti diskretne DAC-ove.

Recenzija

Djelomično konstantni izlazni signal konvencionalnog DAC-a bez filtera ugrađen je u gotovo svaki uređaj, a početna slika ili konačni propusni opseg dizajna izglađuje odgovor koraka u kontinuiranu krivulju.

Odgovarajući na pitanje: "šta je DAC?", vrijedi napomenuti da ova komponenta pretvara apstraktni Broj konačne preciznosti (obično binarnu cifru sa fiksnom tačkom) u fizičku veličinu (na primjer, napon ili pritisak). Konkretno, digitalna-analogna konverzija se često koristi za promjenu podataka vremenske serije u fizički signal koji se stalno mijenja.

Idealni DAC pretvara apstraktne brojeve u konceptualni niz impulsa, koji se zatim obrađuju pomoću filtera za rekonstrukciju, koristeći neki oblik interpolacije za popunjavanje podataka između impulsa. Običan praktični digitalni-analogni pretvarač mijenja brojeve u komadnu konstantnu funkciju sastavljenu od niza pravokutnih modela koji su kreirani sa zadržavanjem nultog reda. Pored toga, odgovarajući na pitanje: "šta je DAC?", vrijedi napomenuti druge metode (na primjer, na osnovu delta-sigma modulacije). Oni stvaraju izlaz sa moduliranom gustinom impulsa, što može biti slično filtrirano u dobijte signal koji se lagano mijenja.

Prema Nyquist-Shannonovoj teoremi uzorkovanja, DAC može rekonstruisati početnu vibraciju iz podataka uzorka, pod uslovom da njegova zona umetanja ispunjava određene zahtjeve (na primjer, impuls osnovnog pojasa sa dalekovodom manje gustine). Digitalno uzorkovanje predstavlja grešku kvantizacije, koja se manifestuje kao buka niskog nivoa u rekonstruisanom signalu.

Pojednostavljeni funkcionalni dijagram 8-bitnog alata

Odmah vrijedi napomenuti da najviše popularni model da li je digitalni-analogni konverter pravi kabl NANO-DAC. DAC je deo napredne tehnologije koja je dala značajan doprinos digitalnoj revoluciji. Za ilustraciju, vrijedi uzeti u obzir tipične međugradske telefonske pozive.

Glas pozivaoca pretvara se u analogni električni signal pomoću mikrofona, a zatim se ovaj impuls mijenja u digitalni tok zajedno sa DAC-om. Nakon toga, ovaj se deli na mrežne pakete, gde se može poslati zajedno sa drugim digitalnim podacima. I to ne mora nužno biti audio.

Zatim se paketi primaju na odredište, ali svaki od njih može ići potpuno drugom rutom i čak ne stići do odredišta pravim redoslijedom i u pravo vrijeme. Digitalni govorni podaci se zatim izdvajaju iz paketa i prikupljaju u zajednički tok podataka. DAC pretvara ovo nazad u analogni električni signal, koji pokreće audio amplifier (na primer, digitalni-analogni konverter Real Cable NANO-DAC). A on zauzvrat aktivira zvučnik, koji konačno daje potreban zvuk.

Audio

Većina modernih akustičnih signala se čuvaju digitalno (na primjer, MP3 i CD). Da bi se čuli kroz zvučnike, moraju se pretvoriti u sličan impuls. Tako možete pronaći digitalni-analogni konverter za TV, CD plejer, digitalne muzičke sisteme i zvučne kartice za PC.

Specijalizovani samostalni DAC-ovi se takođe mogu naći u visokokvalitetnim Hi-Fi sistemima. Obično uzimaju digitalni izlaz kompatibilnog CD playera ili namjenski transport i pretvaraju signal u analogni izlaz na linijskom nivou, koji se zatim može ubaciti u amplifier za kontrolu zvučnika.

Slični digitalni Pretvarači mogu se naći u digitalnim kolonama, kao što su USB zvučnici i u zvučnim karticama.

U aplikacijama koje koriste IP preko glasa, izvor se prvo mora digitalizovati za prenos, tako da se konvertuje preko ADC-a, a zatim konvertuje u analogni pomoću DAC-a na strani prijema. Na primjer, ova metoda se koristi za neke digitalno-analogne pretvarače (TV).

Slika

Uzorkovanje ima tendenciju da radi na potpuno drugačijoj skali, općenito, zbog izuzetno nelinearnog odgovora obje katodne cijevi (za koje je bila namijenjena velika većina digitalnih video kreacijskih radova) i ljudskog oka, koristeći gama krivulju kako bi se osiguralo izgled ravnomjerno raspoređenih nivoa svjetline u cijelom dinamičkom rasponu ekrana. Otuda potreba za korištenjem RAMDAC-a u računarskim video aplikacijama s prilično dubokom rezolucijom boja kako bi se nepraktično stvorila tvrdo kodirana vrijednost u DAC-u za svaki izlazni nivo svakog kanala (na primjer, Atari ST ili Sega Genesis trebat će 24 takve vrijednosti; 24-bitnoj grafičkoj kartici trebat će 768).

S obzirom na ovo inherentno izobličenje, često se istinito za televiziju ili video projektor navodi da je linearni kontrast (razlika između najtamnijih i najsvjetlijih izlaznih nivoa) 1,000:1 ili više. Ovo je ekvivalentno 10 bita vjernosti zvuka, čak i ako može primati signale samo sa 8-bitnom preciznošću i koristiti LCD panel koji prikazuje jedva šest ili sedam bita po kanalu. Na osnovu toga se objavljuju recenzije DAC-ova.

Video signali iz digitalnog izvora, poput računara, moraju se pretvoriti u analogni oblik ako ih je potrebno prikazati na monitoru. Od 2007. godine slični ulazi se koriste češće od digitalnih, ali se to promijenilo kako su displeji sa ravnim ekranom sa DVI ili HDMI vezama postali češći. Međutim, DAC za video ugrađen je u bilo koji digitalni video uređaj sa istim izlazima. Digitalni-analogni audio konverter je obično integrisan sa nekom memorijom (RAM) koja sadrži tabele reorganizacije za gama korekciju, kontrast i osvetljenost za kreiranje uređaja pod nazivom RAMDAC.

Uređaj koji je daljinski povezan na DAC je digitalno kontrolisani potenciometar koji se koristi za snimanje signala.

Mehanički dizajn

Na primjer, IBM Selectric pisaća mašina već koristi neručni DAC za kontrolu lopte.

Krug digitalno-analognog pretvarača izgleda ovako.

Jednobitni mehanički pogon zauzima dvije pozicije: jednu kada se okrene, uključeno i drugo kada su isključeni. Kretanje nekoliko jednobitnih aktuatora može se kombinovati i vagati pomoću uređaja bez oklijevanja kako bi se dobili precizniji koraci.

IBM Selectric pisaća mašina koristi takav sistem.

Glavni tipovi digitalnih pretvarača-analognih pretvarača

1. Modulator širine impulsa, gde se stabilna struja ili napon prebacuje na niskofrekventni analogni filter sa trajanjem određenim korišćenjem digitalnog ulaznog koda. Ova metoda se često koristi za kontrolu brzine električnog motora i prigušenih LED lampi.
2. Digitalni-analogni audio konverter sa redundantnim uzorkovanjem ili interpolacijskim DAC-ovima, na primjer, koristeći delta-sigma modulaciju, koristite metodu promjene gustine impulsa. Brzine veće od 100 hiljada uzoraka u sekundi (na primjer, 180 kHz) i rezolucija od 28 bita dostižu se pomoću uređaja sa delta sigmom.
3. Binarno ponderisani element koji sadrži odvojene električne komponente za svaki bit DAC spojen na tačku zbrajanja. Ona je ta koja može preklopiti operativno pojačalo. Jačina struje izvora proporcionalna je težini bita kojem odgovara. Dakle, svi bitovi koda koji nisu nula sumirani su sa težinom. Ovo se dešava zato što imaju isti izvor napona na raspolaganju. Ovo je jedini od najbržih načina za konverziju, ali nije savršen. Pošto postoji problem: niska vjernost zbog velikih podataka, potrebno za svaki pojedinačni napon ili struja. Takve komponente visoke preciznosti su skupe, tako da je ovaj tip modela obično ograničen na 8-bitnu rezoluciju ili čak manje. Komutirani otpornik ima svrhu digitalno-analognih pretvarača u paralelnim mrežnim izvorima. Pojedinačne instance su uključene u električnu energiju na osnovu digitalnog ulaza. Princip rada digitalni-analogni konverter ovog tipa sastoji se u preklopnom izvoru struje DAC, iz kojeg se biraju različiti tasteri na osnovu numeričkog ulaza. Uključuje sinhronu kondenzatorsku liniju. Ovi pojedinačni elementi su povezani ili isključeni pomoću posebnog mehanizma (stopala), koji se nalazi u blizini svih utikača.
4. Digitalni-analogni pretvarači tipa merdevina, koji je binarno ponderisani element. Zauzvrat koristi ponavljajuću strukturu kaskadnih vrijednosti otpornika R i 2R. Ovo povećava preciznost zbog relativne lakoće proizvodnje mehanizma sa istom nominalnom vrijednošću (ili izvorima struje).
5. Sekvencijalni ofanzivni ili ciklični DAC, koji gradi izlazne podatke jedan po jedan tokom svake faze. Pojedinačni bitovi digitalnog ulaza se obrađuju od strane svih konektora dok se ceo objekat ne obračunava.
6. Termometar je kodirani DAC koji sadrži jednak otpornik ili segment izvora struje za svaku moguću vrijednost DAC izlaza. 8-bitni DAC termometra imat će 255 elemenata, a 16-napunjeni DAC termometra imat će 65.535 dijelova. Ovo je vjerovatno najbrža i najpreciznija DAC arhitektura, ali na štetu visokih troškova. Zahvaljujući ovoj vrsti DAC-a postignute su brzine konverzije od više od milijardu uzoraka u sekundi.
7. Hibridni DAC-ovi koji koriste kombinaciju gore navedenih metoda u jednom pretvaraču. Većina DAC integrisanih kola pripada ovaj tip zbog složenosti istovremenog dobijanja niskih troškova, velike brzine i ispravnosti u jednom uređaju.
8. Segmentirani DAC, koji kombinuje princip kodiranja termometra za više bitove i binarno vaganje za niže komponente. Na ovaj način postiže se kompromis između tačnosti (koristeći princip kodiranja termometra) i broja otpornika ili izvora struje (koristeći binarno vaganje). Duboki uređaj sa dvostrukom akcijom znači 0% segmentacije, a dizajn sa potpunim termometrijskim kodiranjem ima 100 %.

Većina DAC-ova predstavljenih na ovoj listi oslanja se na stalni referentni napon za stvaranje njihove izlazne vrijednosti. Alternativno, množenje DAC prihvata varijabilni ulazni napon da ih konvertuje. Ovo nameće dodatna ograničenja dizajna na propusni opseg šeme reorganizacije. Sada je jasno zašto su potrebni digitalni-analogni pretvarači različitih tipova.

Efikasnost

DAC-ovi su veoma važni za plodnost sistema. Najznačajnije karakteristike ovih uređaja su rezolucija koja je stvorena za upotrebu digitalno-analognog pretvarača.

Broj mogućih izlaznih nivoa koje je DAC dizajniran za reprodukciju obično se označava kao broj bitova koje koristi, što je osnova dva logaritma broja nivoa. Na primjer, 1-bitni DAC je dizajniran za reprodukciju dva, dok je 8 - bitni dizajniran za 256 krugova. Dodavanje je povezano sa efektivnim brojem bitova, što je mjerenje stvarne rezolucije koju postiže DAC. Rezolucija određuje dubinu boje u video aplikacijama i brzina prijenosa audio uređaji.

Maksimalna frekvencija

Mjerenje najveće brzine pri kojoj DAC kolo može raditi i istovremeno proizvesti tačan izlazni signal određuje odnos između njega i propusne širine uzorkovanog signala. Kao što je gore navedeno, Nyquist-Shannonova teorema uzorkovanja povezuje kontinuirane i diskretne signale i navodi da se svaki signal može rekonstruisati sa bilo kojom tačnošću iz svojih diskretnih izvještaja.

Monotonija

Ovaj koncept znači sposobnost analognog izlaza DAC-a da se kreće samo u smjeru u kojem se digitalni ulaz kreće. Ova karakteristika je veoma važna za DAC-ove koji se koriste kao izvor signala niske frekvencije.

Ukupno harmonično izobličenje i buka (THD + N)

Mjerenje distorzija i stranih zvukova koje DAC unosi u signal izražava se kao postotak ukupne snage neželjenog harmonijskog izobličenja i buke koji prate željeni signal. Ovo je veoma važna karakteristika za DAC aplikacije sa dinamičkim i malim izlazom.

P_romijeni

Mjerenje razlike između najveći a Mali Signali koje DAC može reproducirati, izraženi u decibelima, obično su povezani sa rezolucijom i nivoom buke.

Druga mjerenja kao što su fazno izobličenje i podrhtavanje također mogu biti vrlo važna za neke aplikacije. Imaju one (na primjer, bežični prijenos podataka, kompozitni video) koji se čak mogu osloniti na tačan prijem signala kontroliranih fazom.

Linearno uzorkovanje PCM zvuka obično radi na osnovu rezolucije svakog bita, što je ekvivalentno šest decibela amplitude (udvostručavanje jačine zvuka ili tačnosti).

Nelinearna PCM kodiranja (a-law/µ-law, ADPCM, NICAM) pokušavaju poboljšati svoje efektivne dinamičke opsege na razne načine - logaritamske veličine koraka između izlaznih nivoa zvuka predstavljenih svakim bitom podataka.

Klasifikacija digitalnih-analognih pretvarača

Klasifikacija po nelinearnosti dijeli ih na:

1. Karakteristična nelinearnost, koja pokazuje koliko dvije susjedne vrijednosti koda odstupaju od besprijekornog koraka 1 LSB.
2. Akumulirana nelinearnost pokazuje koliko DAC prenos odstupa od ideala.

Odnosno, idealna karakteristika je obično ravna linija. INL pokazuje koliko se stvarni napon na datoj vrijednosti koda razlikuje od ove linije u donjim bitovima.

Gain

Na kraju, buka je ograničena na termičko zujanje koje stvaraju pasivne komponente kao što su otpornici. Za audio aplikacije i na sobnoj temperaturi, ovaj zvuk je obično nešto manji od 1 MV (mikrovolti) bijelog signala. Ovo ograničava produktivnost na manje od 20 bita čak i kod 24-bitnih DAC-ova.

Performanse frekvencijskog domena

Dinamički raspon bez parazita (SFDR) u dB označava omjer snage konvertiranog glavnog signala i najveću neželjenu emisiju.

Odnos buke i distorzije (SNDR) ukazuje u dB svojstvo snage konvertovanog glavnog zvuka u njegov zbir.

Ukupna koherentna distorzija (THD) je dodavanje kapaciteta svih HDi.

Ako je maksimalna DNL greška manja od 1 LSB, tada se garantuje da će digitalni-analogni pretvarač biti monoton. Međutim, mnogi monotonski instrumenti mogu imati maksimalnu DNL vrijednost veću od 1 LSB.

Performanse vremenskog domena:

1. Glitch pulse zone (glitch energy).
2. Nesigurnost odgovora.
3. Vrijeme nelinearnosti (TNL).

Osnovne DAC operacije

Analogno-digitalni pretvarač uzima tačan broj (najčešće binarni broj sa fiksnom tačkom) i pretvara ga u fizičku veličinu (na primjer, napon ili pritisak). DAC-ovi se često koriste za reorganizaciju podataka o konačnoj preciznosti vremenskih serija u fizički signal koji se stalno mijenja.

Idealni digitalni-analogni konverter uzima apstraktne brojeve iz niza impulsa, koji se zatim obrađuju pomoću interpolacijskog obrasca za popunjavanje podataka između signala. Konvencionalni digitalni-analogni pretvarač stavlja brojeve u komadnu konstantnu funkciju koja se sastoji od niza pravokutnih vrijednosti, koji se modelira sa zadržavanjem nultog reda.

Konverter vraća originalne signale tako da njegov propusni opseg ispunjava određene zahtjeve. Digitalno uzorkovanje praćeno je greškama kvantizacije koje stvaraju buku niskog nivoa. On je taj koji se dodaje restauriranom signalu. Minimalna amplituda analognog zvuka koja može prouzrokovati digitalne promjene naziva se najmanje značajnim bitom (LSB). A greška (zaokruživanje) koja se javlja između analognih i digitalnih signala naziva se greška kvantizacije.