Schéma dac. Digitálně-analogové převodníky: typy, klasifikace, pracovní princip, účel

V elektronice je obvod DAC jakýmsi systémem. Je to ona, kdo převádí digitální signál na analogový signál.

Existuje několik schémat DAC. Vhodnost pro konkrétní aplikaci je určena ukazateli kvality, včetně rozlišení, maximální vzorkovací frekvence a dalších.

Digitálně-analogová transformace může degradovat odesílání signálu, takže je nutné najít takový nástroj, který má z hlediska aplikace drobné chyby.

Aplikace

DAC se obvykle používají v hudebních přehrávačích za účelem přepracování numerických toků informací na analogové zvukové signály. Kromě toho se používají v televizorech a mobilních telefonech za účelem přepracování video dat ve video signálech, které jsou připojeny k ovladačům obrazovky, aby odrážely monochromatické nebo vícebarevné obrázky.

Právě tyto dvě aplikace používají schémata DAC na opačných koncích kompromisu mezi hustotou a počtem pixelů. Zvuk je nízkofrekvenční typ s vysokým rozlišením, zatímco video je vysokofrekvenční varianta s nízkým a středním obrazem.

Vzhledem ke složitosti a potřebě přesně vybraných komponent jsou všechny kromě nejvíce specializovaných DAC implementovány ve formě integrovaných obvodů (IC). Diskrétní komunikace jsou obvykle extrémně rychle působící energeticky úsporné typy s nízkým rozlišením, které se používají ve vojenských radarových systémech. Velmi vysokorychlostní zkušební zařízení, zejména vzorkovací osciloskopy, mohou také používat diskrétní DAC.

Přehled

Částečně konstantní výstup konvenčního DAC bez filtru je vložen do téměř jakéhokoli zařízení a počáteční obraz nebo koncová šířka pásma konstrukce vyhlazuje odezvu kroku do souvislé křivky.

Odpověď na otázku: "Co je DAC?", stojí za zmínku, že daná složka převádí abstraktní číslo konečné přesnosti (obvykle binární číslice s pevnou čárkou) na fyzickou veličinu (např. Zejména digitálně-analogová transformace se často používá ke změně dat časových řad na nepřetržitě se měnící fyzický signál.

Ideální DAC převádí abstraktní číslice na koncepční posloupnost Pulzů, které jsou poté zpracovány pomocí rekonstrukčního filtru, pomocí určité formy interpolace k vyplnění dat mezi impulsy. Obvyklý praktický převodník digitálního na analogový mění čísla na po částech konstantní funkci složenou ze sekvence obdélníkových modelů, které jsou vytvářeny s udržováním nulového řádu. Také odpověď na otázku: "Co je DAC?"za zmínku stojí i jiné metody (například metody založené na modulaci Delta-Sigma). Vytvářejí výstup s modulovanou hustotou Pulzů, který lze podobným způsobem filtrovat pro získání plynule se měnícího signálu.

Podle Nyquist-Shannonovy věty o počítání může DAC rekonstruovat původní vibrace ze vzorových dat za předpokladu, že jeho implementační zóna splňuje určité požadavky (např. Digitální vzorkování představuje kvantizační chybu, která se projevuje jako nízkoúrovňový šum v rekonstruovaném signálu.

Zjednodušené funkční schéma 8bitového nástroje

Okamžitě stojí za povšimnutí, že populární model je digitální analogový převodník Real Cable NANO-DAC. DAC je součástí pokročilé technologie, která významně přispěla k digitální revoluci. Pro ilustraci stojí za zvážení typické dálkové telefonní hovory.

Hlas volajícího je převeden na analogový elektrický signál pomocí mikrofonu a tento impuls se poté změní na digitální tok spolu s DAC. Poté se druhý rozdělí na síťové pakety, kde může být odeslán spolu s dalšími digitálními daty. A nemusí to být nutně zvuk.

Pakety jsou pak přijímány v cíli, ale každý může jít úplně jinou cestou a dokonce nedosáhnout cíle ve správném pořadí a ve správný čas. Digitální řečová data jsou poté extrahována z paketů a shromažďována do proudu sdílených dat. DAC to převede zpět na analogový elektrický signál, který pohání zvukový zesilovač (např. A zase aktivuje reproduktor, který nakonec vytvoří potřebný zvuk.

Audio

Většina moderních akustických signálů je uložena digitálně (například MP3 a CD). Aby je bylo možné slyšet prostřednictvím reproduktorů, musí být převedeny na podobný impuls. Lze tedy najít digitální a analogový převodník pro televizor, přehrávač CD, digitální hudební systémy a zvukové karty pro PC.

Specializované autonomní DAC lze nalézt také ve vysoce kvalitních hi-Fi systémech. Obvykle přijímají digitální výstup kompatibilního CD přehrávače nebo vyhrazeného transportu a převádějí signál na analogový výstup na úrovni linky, který pak může být přiváděn do zesilovače pro ovládání reproduktorů.

Podobné digitálně-analogové převodníky lze nalézt v digitálních sloupcích, jako jsou reproduktory USB, a ve zvukových kartách.

V aplikacích využívajících hlasové vysílání přes IP musí být zdroj nejprve digitalizován pro přenos, takže prochází převodem přes ADC a poté převeden na analogový pomocí DAC na přijímajícím konci. Například tato metoda se používá pro některé digitálně-analogové převodníky (TV).

Obraz

Vzorkování má tendenci fungovat v úplně jiném měřítku, obecně díky extrémně nelineární odezvě jak katodových trubic (pro které byla určena drtivá většina prací na vytváření digitálního videa), tak lidského oka, pomocí gama křivky k zajištění vzhled rovnoměrně rozložených stupňů jasu v celém dynamickém rozsahu displeje. Proto je nutné používat RAMDAC v počítačových video aplikacích s poměrně hlubokým barevným rozlišením, aby bylo možné neprakticky vytvořit pevně zakódovanou hodnotu v DAC pro každou výstupní úroveň každého kanálu (například Atari ST nebo Sega Genesis bude potřebovat 24 takových hodnoty; 24bitová grafická karta bude vyžadovat 768).

Vzhledem k tomuto vrozenému zkreslení není neobvyklé, že se u televizního nebo videoprojektoru pravdivě uvádí, že lineární kontrastní poměr (rozdíl mezi nejtmavšími a nejjasnějšími výstupními úrovněmi) je 1 000:1 nebo více. To odpovídá 10 bitům věrnosti zvuku, i když může přijímat pouze signály s 8bitovou přesností a používat LCD panel, který zobrazuje sotva šest nebo sedm bitů na kanál. Na tomto základě jsou publikovány recenze DAC.

Video signály z digitálního zdroje, jako je počítač, musí být převedeny na analogovou formu, pokud je to nutné, aby byly zobrazeny na monitoru. Od roku 2007 se podobné vstupy používají častěji než digitální vstupy, ale to se změnilo, protože ploché displeje s připojením DVI nebo HDMI se staly běžnějšími. Video DAC je však zabudován do jakéhokoli digitálního videopřehrávače se stejnými výstupy. Digitálně-analogový převodník zvuku se obvykle integruje s nějakou pamětí (RAM), která obsahuje reorganizační tabulky pro korekci gama, kontrast a jas, aby se vytvořilo zařízení zvané RAMDAC.

Zařízení, které je vzdáleně spojeno s DAC, je digitálně řízený potenciometr používaný k zachycení signálu.

Mechanická konstrukce

Například tiskový stroj IBM Selectric již používá k ovládání koule DAC bez učení.

Obvod digitálně-analogového převodníku vypadá takto.

Jednobitový mechanický pohon má dvě polohy: jednu při zapnutí, další při vypnutí. Pohyb více jednobitových akčních členů lze kombinovat a vážit pomocí zařízení bez váhání za účelem získání přesnějších kroků.

Je to psací stroj IBM Selectric, který používá takový systém.

Hlavní typy digitálně-analogových převodníků

1. Modulátor šířky pulzu, kde se stabilní proud nebo napětí přepne na nízkofrekvenční analogový filtr s dobou trvání určenou digitálním vstupním kódem. Tato metoda se často používá za účelem řízení rychlosti elektromotoru a stmívání LED lamp.
2. Digitálně-analogový převzorkovaný audio převodník nebo interpolační DAC, jako jsou ty, které používají modulaci Delta-Sigma, používají metodu změny hustoty hybnosti. Rychlosti více než 100 tisíc vzorků za sekundu (například 180 kHz) a rozlišení 28 bitů jsou dosažitelné pomocí zařízení Delta Sigma.
3. Binárně vážený prvek, který obsahuje samostatné elektrické komponenty pro každý bit DAC připojený k bodu součtu. Je to ona, kdo dokáže složit operační zesilovač. Síla proudu zdroje je úměrná hmotnosti bitu, kterému odpovídá. Takže všechny nenulové bity kódu se sčítají s hmotností. K tomu dochází, protože mají k dispozici stejný zdroj napětí. Je to jediný z nejrychlejších způsobů transformace, ale není dokonalý. Tak jak jíst problém: nízká věrnost kvůli velkým datům, nezbytné pro každého jednotlivého napětí nebo proudu. Takové vysoce přesné komponenty jsou drahé, takže tento typ modelu je obvykle omezen na 8bitové rozlišení nebo dokonce méně. Spínaný odpor má účel digitálně-analogových převodníků v paralelních zdrojích sítě. Jednotlivé instance jsou začleněny do elektřiny na základě digitálního vstupu. Princip práce digitálně-analogový převodník tohoto typu spočívá v spínaném zdroji proudu DAC, ze kterého jsou vybrány různé klíče na základě numerického vstupu. Zahrnuje synchronní kondenzátorové vedení. Tyto jednotlivé prvky jsou připojeny nebo odpojeny pomocí speciálního mechanismu( patky), který je umístěn v blízkosti všech konektorů.
4. Digitálně-analogové převodníky žebříkového typu, což je binární vážený prvek. Využívá opakující se strukturu kaskádových hodnot rezistoru r a 2R. To zvyšuje přesnost v důsledku relativní snadnosti výroby mechanismu se stejným hodnocením (nebo proudových zdrojů).
5. Postupný útok je buď cyklický DAC, který jeden po druhém vytváří výstup během každé fáze. Jednotlivé bity digitálního vstupu jsou zpracovávány všemi konektory, dokud není zohledněn celý objekt.
6. Teploměr kódovaný DAC, který obsahuje stejný odpor nebo proud-zdroj segment pro každou možnou výstupní hodnotu DAC. 8bitový DAC teploměru bude obsahovat 255 prvků a 16bitový DAC teploměru bude mít 65 535 dílů. Je to možná nejrychlejší a nejpřesnější Architektura DAC, ale za cenu vysokých nákladů. Díky tomuto typu DAC bylo dosaženo konverzních rychlostí více než jedné miliardy vzorků za sekundu.
7. Hybridní DAC, které používají kombinaci výše uvedených metod v jednom převodníku. Většina integrovaných obvodů DAC se týká tomuto typu kvůli obtížnosti získání nízkých nákladů současně, vysoké rychlosti a správnosti V jednom zařízení.
8. Segmentovaný DAC, který integruje princip kódování teploměru pro vyšší výboje a binární vážení pro nižší komponenty. Tímto způsobem je dosaženo kompromisu mezi přesností (pomocí principu kódování teploměru) a počtem odporů nebo proudových zdrojů (pomocí binárního vážení). Hluboké zařízení s dvojitou akcí znamená segmentaci 0% a konstrukce s plným termometrickým kódováním má 100 %.

Většina DACS uvedených v tomto seznamu se spoléhá na konstantní referenční napětí, aby vytvořila svou výstupní hodnotu. Alternativně multiplikační DAC přijímá Střídavé vstupní napětí pro jejich převod. To ukládá další konstrukční omezení šířky pásma reorganizačního schématu. Nyní je jasné, k čemu jsou digitální a analogové převodníky různých typů.

Výkon

DAC jsou velmi důležité pro plodnost systému. Nejvýznamnějšími charakteristikami těchto zařízení jsou rozlišení, které je vytvořeno pro použití digitálně-analogového převodníku.

Počet možných výstupních úrovní, které je DAC určen k přehrávání, je obvykle uveden jako počet bitů, které používá, což je základ dva logaritmy počtu úrovní. Například 1bitový DAC je určen k přehrávání dvou, zatímco 8bitový DAC je vytvořen pro 256 obvodů. Doplněk je spojen s efektivním počtem bitů, což je měření skutečného povolení dosaženého DAC. Rozlišení určuje hloubku barev ve video aplikacích a bitová frekvence zvuku ve zvukových zařízeních.

Maximální frekvence

Měření nejvyšší rychlosti, při které může obvod DAC pracovat a stále produkovat správný výstup, určuje vztah mezi ním a šířkou pásma vzorkovaného signálu. Jak je uvedeno výše, Nyquist-Shannonova věta o počítání spojuje spojité a diskrétní signály a tvrdí, že jakýkoli signál může být obnoven s jakoukoli přesností na svých diskrétních zprávách.

Monotónnost

Tento koncept znamená schopnost analogového výstupu DAC pohybovat se pouze ve směru, kterým se digitální vstup pohybuje. Tato charakteristika je velmi důležitá pro DAC používané jako nízký zdroj frekvenčního signálu.

Celkové harmonické zkreslení a šum (THD + N )

Měření zakřivení a cizích zvuků zavedených DAC do signálu je vyjádřeno jako procento celkového výkonu nežádoucích harmonických zkreslení a šumu, které doprovázejí požadovaný signál. To je velmi důležitá vlastnost pro aplikace DAC s dynamickým a malým výstupem.

Rozsah

Měření rozdílu mezi největší a malými signály, které může DAC reprodukovat, vyjádřené v decibelech je obvykle spojeno s rozlišením a hladinou šumu.

Pro některé aplikace mohou být také velmi důležitá další měření, jako je fázové zkreslení a chvění. Mají ty (například bezdrátový přenos dat, kompozitní video), které se mohou dokonce spolehnout na přesné přijímání fázově řízených signálů.

Lineární vzorkování zvuku PCM obvykle funguje na základě rozlišení každého bitu ekvivalentního šesti decibelům amplitudy (dvojnásobné zvýšení hlasitosti nebo přesnosti).

Nelineární kódování PCM (a-law / μ-law, ADPCM, NICAM) se snaží zlepšit jejich efektivní dynamické rozsahy různými způsoby - logaritmické rozměry kroku mezi úrovněmi výstupního zvuku představovanými každým bitem dat.

Klasifikace digitálně-analogových převodníků

Klasifikace podle nelinearity je dělí na:

1. Výrazná nelinearita, která ukazuje, jak moc se dvě sousední kódové hodnoty odchylují od bezchybného kroku 1 LSB.
2. Akumulovaná nelinearita ukazuje, jak daleko se přenos DAC odchyluje od ideálu.

To znamená, že ideální charakteristikou je obvykle přímka. INL ukazuje, jak se skutečné napětí v dané hodnotě kódu liší od této čáry v nízkých bitech.

Posílení

Hluk je nakonec omezen tepelným hučením generovaným pasivními součástmi, jako jsou odpory. Pro zvukové aplikace a při pokojové teplotě je takový zvuk obvykle těsně pod 1 µV (mikrovolt) bílého signálu. To omezuje produktivitu na méně než 20 bitů i v 24bitových DAC.

Výkon ve frekvenční doméně

Dynamický rozsah bez parazitů (SFDR) označuje v dB dotýkající se výkonů transformovaného hlavního signálu a největšího nežádoucího uvolnění.

Poměr šumu a zkreslení (SNDR) označuje v dB vlastnost výkonu převedeného základního zvuku k jeho součtu.

Celkové koordinované zkreslení (THD) je přidání výkonu všech HDi.

Pokud je maximální chyba DNL menší než 1 LSB, je zaručeno, že digitálně-analogový převodník bude monotónní. Mnoho monotónních nástrojů však může mít maximální hodnotu DNL větší než 1 LSB.

Výkon v časové doméně:

1. Pulzní zóna glitch (gluckova energie).
2. Nejistota odpovědi.
3. Čas nelinearity (TNL).

Základní operace DAC

Analogově-digitální převodník přijímá přesné číslo (nejčastěji binární číslo s pevnou čárkou) a převádí jej na fyzickou veličinu (např. DAC se často používají k reorganizaci dat časových řad konečné přesnosti na nepřetržitě se měnící fyzický signál.

Ideální digitálně-analogový převodník odebírá abstraktní čísla ze sekvence Pulzů, které jsou poté zpracovány pomocí interpolačního formuláře k vyplnění dat mezi signály. Konvenční digitálně-analogový převodník umisťuje čísla do po částech konstantní funkce sestávající ze sekvence pravoúhlých hodnot, která je modelována s udržováním nulového řádu.

Převodník obnovuje původní signály tak, aby jeho šířka pásma splňovala určité požadavky. Digitální vzorkování je doprovázeno kvantizačními chybami, které vytvářejí šum na nízké úrovni. Je to on, kdo se přidává k obnovenému signálu. Minimální amplituda analogového zvuku, která může vést ke změně digitálního zvuku, se nazývá nejmenší významný bit (LSB). A chyba (zaokrouhlování), ke které dochází mezi analogovými a digitálními signály, se nazývá kvantizační chyba.