Circuitul dac. Convertoare digital-analogice: tipuri, clasificare, principiu de funcționare, scop

În electronică, un circuit DAC este un tip de sistem. Este ceea ce transformă un semnal digital într-un semnal analogic.

Există mai multe diagrame DAC. Adecvarea la o anumită aplicație este determinată de indicatori de calitate, inclusiv rezoluția, rata maximă de eșantionare și altele.

Conversia digital-analogică poate degrada semnalul, astfel încât este necesar să se găsească un instrument care să aibă erori neglijabile în ceea ce privește aplicarea.

Aplicații

DAC-urile sunt utilizate în mod obișnuit în playerele muzicale pentru a converti fluxurile de date numerice în semnale audio analogice. Ele sunt, de asemenea, utilizate în televizoare și telefoane mobile pentru a converti datele video în semnale video, respectiv, care sunt conectate la driverele ecranului pentru a reflecta imagini monocromatice sau multicolore.

Aceste două aplicații sunt cele care utilizează circuite DAC la capetele opuse ale compromisului dintre densitatea și numărul de pixeli. Sunetul este de frecvență joasă, de înaltă rezoluție, în timp ce videoclipul este de frecvență înaltă, de definiție joasă sau medie.

Din cauza complexității și a necesității de a avea componente adaptate cu precizie, toate DAC-urile, cu excepția celor mai specializate, sunt implementate sub formă de circuite integrate (IC). Legăturile discrete sunt, de obicei, cele extrem de rapide, cu rezoluție redusă și cu economie de energie, utilizate în sistemele radar militare. Echipamentele de testare de foarte mare viteză, în special osciloscoapele de eșantionare, pot folosi, de asemenea, DAC-uri discrete.

Prezentare generală

Semnalul de ieșire parțial constant al unui DAC convențional fără filtru este încorporat în aproape orice dispozitiv, iar imaginea inițială sau lățimea de bandă finală a designului netezește răspunsul la pas într-o curbă continuă.

Răspunzând la întrebarea: "Ce este DAC??"Dacă aveți un DAC, este demn de remarcat faptul că această componentă convertește un număr abstract de precizie finită (de obicei o cifră binară cu un punct zecimal fix) într-o cantitate fizică (cum ar fi o tensiune sau o presiune). În special, convertorul D/A este adesea utilizat pentru a modifica datele din seriile de timp într-un semnal fizic cu variație continuă.

DAC-ul ideal convertește cifrele abstracte într-o secvență conceptuală de impulsuri, care sunt apoi procesate printr-un filtru de reconstrucție, folosind o anumită formă de interpolare pentru a completa datele dintre impulsuri. Convertorul D/A tipic practic schimbă numerele într-o funcție constantă pe bucăți, alcătuită dintr-o serie de modele dreptunghiulare care sunt generate cu o reținere de ordin zero. De asemenea, ca răspuns la întrebarea "Ce este DAC??"Alte metode (de exemplu, bazate pe modulația delta-sigma) sunt de asemenea demne de menționat. Acestea produc o ieșire modulată în densitate de impulsuri, care poate fi similar filtru pentru obținerea unui semnal cu variație lină.

Conform teoremei de eșantionare Nyquist-Shannon, DAC-urile pot reconstrui vibrația originală din datele eșantionate, cu condiția ca zona de încorporare a acestora să îndeplinească anumite cerințe (de exemplu, pulsul cu lățime de bandă principală cu o lățime de bandă de densitate mai mică). Eșantionul digital reprezintă eroarea de cuantificare, care apare ca zgomot de nivel scăzut în semnalul recuperat.

O schemă funcțională simplificată a unui instrument pe 8 biți

Este de remarcat de la bun început faptul că cele mai multe model popular este un convertor digital-analogic Real Cable NANO-DAC. DAC-ul face parte dintr-o tehnologie avansată care a contribuit semnificativ la revoluția digitală. Pentru exemplificare, merită să luăm în considerare o convorbire telefonică interurbană tipică.

Vocea interlocutorului este convertită de microfon într-un semnal electric analogic, iar apoi acest impuls este modificat într-un flux digital cu ajutorul DAC. Acesta din urmă este apoi împărțit în pachete de rețea, unde poate fi trimis împreună cu alte date digitale. Și s-ar putea să nu fie neapărat audio.

Pachetele sunt apoi recepționate la destinație, dar fiecare dintre ele ar putea urma o rută complet diferită și nici măcar nu ajunge la destinație în ordinea și la momentul potrivit. Datele vocale digitale sunt apoi extrase din pachete și reasamblate într-un flux de date comun. DAC-ul convertește acest semnal într-un semnal electric analogic care acționează un amplificator audio (cum ar fi convertorul digital-analogic Real Cable NANO-DAC). Acesta, la rândul său, activează un difuzor, care produce în final sunetul dorit.

Audio

Majoritatea semnalelor audio din ziua de azi sunt stocate în format digital (de exemplu, MP3 și CD). Pentru a fi auzit prin difuzoare, trebuie convertit într-un impuls similar. Convertoare D/A pentru televizoare, CD playere, sisteme de muzică digitală și plăci de sunet pentru PC-uri.

DAC-urile autonome specializate pot fi găsite, de asemenea, în sistemele Hi-Fi high-end. De obicei, acestea preiau ieșirea digitală a unui CD player compatibil sau a unei unități de transport dedicate și convertesc semnalul într-o ieșire analogică la nivel de linie, care poate fi apoi introdusă într-un amplificator pentru a conduce difuzoarele.

Convertoare digitale-analogice similare pot fi găsite în coloanele digitale, cum ar fi difuzoarele USB, și în plăcile de sunet.

În aplicațiile voice-over-IP, sursa trebuie mai întâi să fie digitalizată pentru transmisie, deci este convertită printr-un ADC și apoi convertită în analogic cu ajutorul unui DAC la recepție. De exemplu, acesta este cazul unor convertoare D/A (TV).

Imagine

Eșantionarea tinde să funcționeze pe o scară complet diferită, în general din cauza răspunsului extrem de neliniar atât al CRT-urilor (pentru care a fost concepută marea majoritate a lucrărilor video digitale), cât și al ochiului uman, folosind o curbă gamma pentru a se asigura că treptele de luminozitate apar la intervale egale pe toată gama dinamică a ecranului. De aici necesitatea ca RAMDAC în aplicațiile video pe calculator cu o rezoluție destul de profundă a culorilor să creeze în mod nepractic o valoare codificată în DAC pentru fiecare nivel de ieșire al fiecărui canal (de exemplu, Atari ST sau Sega Genesis ar necesita 24 de astfel de valori; o placă video pe 24 de biți ar necesita 768).

Având în vedere această distorsiune inerentă, se afirmă adesea, în mod veridic, că raportul de contrast liniar (diferența dintre cel mai întunecat și cel mai luminos nivel de ieșire) este de 1.000:1 sau mai mult pentru un televizor sau un proiector video. Acest lucru este echivalent cu 10 biți de fidelitate audio, chiar dacă poate primi semnale cu o precizie de 8 biți și folosește un panou LCD care afișează abia șase sau șapte biți pe canal. Evaluările CAD sunt publicate pe această bază.

Semnalele video de la o sursă digitală, cum ar fi un computer, trebuie convertite în analogice pentru a fi afișate pe un monitor. Începând cu 2007, intrările similare au fost folosite mai des decât cele digitale, dar acest lucru s-a schimbat pe măsură ce ecranele cu panou plat cu conexiuni DVI sau HDMI au devenit mai frecvente. Cu toate acestea, un DAC pentru video este încorporat în orice player video digital cu aceleași ieșiri. Convertorul digital-analogic pentru audio este de obicei integrat cu un fel de memorie (RAM) care conține tabele de reorganizare pentru gamma, contrast și luminozitate pentru a crea un dispozitiv numit RAMDAC.

Dispozitivul care este legat la distanță de DAC este un potențiometru controlat digital folosit pentru a prelua semnalul.

Proiectare mecanică

De exemplu, mașina de scris IBM Selectric folosește deja un DAC non-manual pentru a controla bila.

Configurația convertorului digital-analogic arată în felul următor.

Un actuator mecanic cu un singur bit ia două poziții: una când este pornit, cealaltă când este oprită. Mișcarea mai multor actuatori cu un singur bit poate fi combinată și ponderată cu dispozitivul fără oscilații pentru a produce pași mai preciși.

Exact mașina de scris IBM Selectric folosește un astfel de sistem.

Tipuri de bază de convertoare D/A

1. modulator de lățime a impulsurilor, în care un curent sau o tensiune stabilă este comutat la un filtru analogic trece-jos cu o durată determinată de un cod de intrare digital. Această metodă este adesea utilizată pentru a controla viteza motorului și pentru a regla intensitatea lămpilor cu LED-uri.
2. Convertoarele audio digital-analogice cu supraeșantionare sau DAC-uri de interpolare, cum ar fi cele care utilizează modulația delta-sigma, utilizează o metodă de variație a densității impulsurilor. Viteze de peste 100.000 de eșantioane pe secundă (de exemplu, 180 kHz) și o rezoluție de 28 de biți sunt realizabile cu un dispozitiv delta-sigma.
3. Un element cu pondere binară care conține componente electrice separate pentru fiecare bit DAC conectat la punctul de adunare. Este cel care poate stivui un amplificator operațional. Puterea sursei este proporțională cu greutatea bitului căruia îi corespunde. Deci, toți biții care nu sunt zero din cod sunt adăugați împreună cu o pondere. Acest lucru se întâmplă deoarece au la dispoziție aceeași sursă de tensiune. Acesta este cel mai rapid mod de conversie, dar nu este perfect. Deci așa cum este Problema: fidelitate scăzută din cauza datelor mari, necesare pentru fiecare tensiune sau curent individual. Astfel de componente de înaltă precizie sunt costisitoare, astfel încât acest tip de model este de obicei limitat la o rezoluție de 8 biți sau chiar mai puțin. Rezistorul comutat are funcția unui convertor D/A într-o sursă de rețea paralelă. Unitățile individuale sunt alimentate electric pe baza unei intrări digitale. Principiul de funcționare a acestui tip de convertor digital-analogic este o sursă de curent DAC comutat, din care sunt selectate diferite chei pe baza intrării numerice. Acesta include o linie de condensator sincron. Aceste elemente individuale sunt conectate sau deconectate cu ajutorul unui mecanism special (întrerupător de picior), care se află în apropierea tuturor prizelor.
4. Convertoare digital-analogice de tip Ladder care sunt elemente cu ponderare binară. Acesta, la rândul său, utilizează structura repetitivă a valorilor de rezistență R și 2R în cascadă. Acest lucru îmbunătățește precizia datorită simplității relative a fabricării unui mecanism cu aceeași valoare nominală (sau a surselor de curent).
5. DAC secvențial sau DAC ciclic care construiește ieșirile una după alta în timpul fiecărei etape. Biții individuali ai intrării digitale sunt procesați de toți conectorii până când se numără întregul obiect.
6. Termometrul este un DAC codificat care conține un segment de rezistență sau de sursă de curent egal pentru fiecare valoare de ieșire DAC posibilă. Un DAC de termometru pe 8 biți va avea 255 de părți, iar un DAC de termometru pe 16 biți va avea 65.535 de părți. Este probabil cea mai rapidă și mai precisă arhitectură DAC disponibilă, dar în detrimentul costurilor. Viteze de conversie de peste un miliard de eșantioane pe secundă au fost atinse cu acest tip de DAC.
7. DAC-uri hibride care utilizează o combinație a metodelor de mai sus într-un singur convertor. Majoritatea circuitelor integrate DAC sunt de tip acest tip din cauza dificultății de a obține simultan costuri reduse, viteză mare și corectitudine într-un singur dispozitiv.
8. DAC segmentat, care combină principiul codificării termocuplului pentru cifrele superioare și al ponderării binare pentru componentele inferioare. Se face astfel un compromis între precizie (folosind principiul codificării termometrelor) și numărul de rezistențe sau de surse de curent (folosind ponderarea binară). Dispozitivul de acțiune dublă profundă înseamnă 0 % segmentare și un design de codificare termometrică completă are 100 %.

Cele mai multe dintre DACS de pe această listă se bazează pe o referință de tensiune constantă pentru a crea valoarea lor de ieșire. Alternativ, un DAC de multiplicare ia o tensiune de intrare variabilă pentru a le converti. Acest lucru impune constrângeri suplimentare de proiectare asupra lățimii de bandă a circuitului de reorganizare. Acum este clar care sunt diferitele tipuri de convertoare D/A pentru.

Performanță

DAC-urile sunt esențiale Pentru rodnicie a sistemului . Cele mai semnificative caracteristici ale acestor dispozitive sunt rezoluția care este creată pentru aplicarea convertorului D/A.

Numărul de niveluri de ieșire posibile pe care un DAC este proiectat să le reproducă este, de obicei, specificat ca număr de biți pe care îi utilizează, aceasta fiind baza celor doi logaritmi ai numărului de niveluri. De exemplu, un DAC pe 1 bit este proiectat pentru a reproduce doi, în timp ce un DAC pe 8 biți este proiectat pentru 256 de circuite. Complementul este legat de numărul efectiv de biți, care este o măsură a rezoluției efective obținute de DAC. Rezoluția determină profunzimea culorii în aplicațiile video și rata de biți a sunetului în dispozitive audio.

Frecvența maximă

Măsurarea ratei maxime la care circuitul DAC poate funcționa și produce în continuare un semnal de ieșire corect determină relația dintre aceasta și lățimea de bandă a semnalului eșantionat. După cum s-a menționat mai sus, teorema de eșantionare Nyquist-Shannon relaționează semnalele continue și discrete și afirmă că orice semnal poate fi reconstruit cu orice precizie din rapoartele sale discrete.

Monotonicitate

Acest concept se referă la capacitatea ieșirii analogice a DAC-ului de a se mișca doar în direcția în care se mișcă intrarea digitală. Această caracteristică este foarte importantă pentru DAC-urile utilizate ca sursă de semnal de frecvență joasă.

Distorsiune armonică totală și zgomot (THD + N)

O măsură a distorsiunii și a zgomotului străin introduse într-un semnal de către DAC, exprimată ca procent din puterea totală a distorsiunii armonice nedorite și a zgomotului care însoțește semnalul dorit. Aceasta este o caracteristică foarte importantă pentru aplicațiile DAC cu ieșiri dinamice și mici.

Gama

Măsurarea diferenței dintre cea mai mare iar cel mai mic semnal pe care DAC-ul îl poate reproduce, exprimat în decibeli, este de obicei legat de rezoluție și de zgomotul de fond.

Alte măsurători, cum ar fi distorsiunea de fază și jitterul, pot fi, de asemenea, esențiale pentru anumite aplicații. Există unele (de exemplu, transmisia de date fără fir, video compozit) care se pot baza chiar și pe achiziția precisă a semnalelor acordate în fază.

Eșantionarea audio PCM liniară funcționează de obicei la o rezoluție per bit echivalentă cu șase decibeli de amplitudine (de două ori volumul sau precizia).

Codificările PCM neliniare (A-lege / μ-lege, ADPCM, NICAM) încearcă să își îmbunătățească domeniile dinamice efective în diferite moduri - prin mărimea logaritmică a pasului dintre nivelurile audio de ieșire reprezentate de fiecare bit de date.

Clasificarea convertoarelor D/A

Clasificarea în funcție de neliniaritate le împarte în:

1. Distingerea neliniarității, care arată cât de mult se abat două cuvinte de cod adiacente de la un pas perfect de 1 LSB.
2. Neliniaritatea acumulată arată cât de mult se abate câștigul DAC de la valoarea ideală.

Adică, caracteristica ideală este, în mod normal, o linie dreaptă. INL arată cât de mult diferă tensiunea reală la o anumită valoare de cod față de această linie în biții de jos.

Amplificare

În cele din urmă, zgomotul este limitat de zumzetul termic generat de componentele pasive, cum ar fi rezistențele. Pentru aplicațiile audio și la temperatura camerei, acest sunet este de obicei puțin sub 1 µV (microvolt) alb. Acest lucru limitează performanța la mai puțin de 20 de biți, chiar și în cazul DAC-urilor pe 24 de biți.

Performanța în domeniul de frecvență

Domeniul dinamic fără paraziți (SFDR) indică, în dB, raportul dintre puterea semnalului principal convertit și rejecția nedorită maximă.

Raportul zgomot/distorsiune (SNDR) indică, în dB, raportul dintre puterea sunetului principal convertit și suma acestuia.

Distorsiunea coerentă totală (THD) este suma puterilor tuturor HDi.

Dacă eroarea DNL maximă este mai mică de 1 LSB, convertorul digital-analogic este garantat a fi uniform. Cu toate acestea, multe instrumente monotone pot avea un DNL maxim mai mare de 1 LSB.

Performanța în domeniul timpului:

1. Zona de glitch de impuls (energie de glitch).
2. Incertitudinea răspunsului.
3. Timpul de neliniaritate (TNL).

Operațiuni de bază ale DAC

Un convertor analogic-digital ia un număr precis (cel mai adesea un număr binar cu virgulă fixă) și îl transformă într-o mărime fizică (de exemplu, tensiune sau presiune). DAC-urile sunt adesea folosite pentru a reorganiza datele din seriile temporale de precizie finită într-un semnal fizic care variază continuu.

Convertorul digital-analogic ideal preia numere abstracte dintr-o secvență de impulsuri, pe care apoi le procesează folosind o formă de interpolare pentru a completa datele dintre semnale. Un convertor D/A convențional transformă numerele într-o funcție constantă pe bucățele constând dintr-o secvență de valori rectangulare, care este modelată cu o reținere de ordin zero.

Convertorul reconstruiește semnalele originale astfel încât lățimea de bandă să îndeplinească anumite cerințe. Eșantionarea digitală este însoțită de erori de cuantificare, care creează zgomot de nivel scăzut. Acesta se adaugă la semnalul reconstruit. Amplitudinea minimă a sunetului analogic care poate determina modificarea unui sunet digital se numește bitul semnificativ cel mai mic (LSB). Iar eroarea (rotunjirea) care apare între semnalele analogice și cele digitale se numește eroare de cuantificare.