Dac circuit. Digitális-analóg átalakítók: típusok, osztályozás, működési elv, cél

Az elektronikában a DAC áramkör egyfajta rendszer. Ő az, aki átalakítja a digitális jelet analógvá.

Számos DAC rendszer létezik. Egy adott alkalmazásra való alkalmasságot minőségi mutatók határozzák meg, beleértve a felbontást, a maximális mintavételi gyakoriságot stb.

A digitális-analóg átalakítás ronthatja a jelküldést, ezért olyan eszközt kell találni, amely kisebb hibákat tartalmaz az alkalmazás szempontjából.

Alkalmazások

A dac-kat általában a zenelejátszókban használják annak érdekében, hogy a numerikus információfolyamokat analóg hangjelekké alakítsák. A televíziókban és a mobiltelefonokban is használják, hogy a videoadatokat videojelekké alakítsák, amelyek a képernyő-illesztőprogramokhoz kapcsolódnak, hogy tükrözzék a monokromatikus vagy többszínű képeket.

Ez a két alkalmazás használja a DAC áramköröket a sűrűség és a pixelszám közötti kompromisszum ellentétes végein. A hang alacsony frekvenciájú, nagy felbontású, a videó pedig magas frekvenciájú változat alacsony és közepes képpel.

A komplexitás és a pontosan illesztett alkatrészek szükségessége miatt a leginkább specializált DAC-k kivételével az összes integrált áramkör (ic)formájában valósul meg. A diszkrét kommunikáció általában rendkívül nagy sebességű, alacsony felbontású energiatakarékos típusok, amelyeket katonai radarrendszerekben használnak. A nagyon nagy sebességű tesztberendezések, különösen a mintavételi oszcilloszkópok, diszkrét DAC-kat is használhatnak.

Áttekintés

A szűrő nélküli hagyományos DAC részben állandó kimeneti jele szinte minden eszközbe be van ágyazva, a kezdeti kép vagy a tervezés végső sávszélessége pedig a lépésválaszt folyamatos görbévé simítja.

A kérdés megválaszolása: "Mi a DAC?. "Érdemes megjegyezni, hogy ez az összetevő egy absztrakt véges pontosságú számot (általában egy fix pontú bináris számjegyet) fizikai mennyiséggé (például feszültség vagy nyomás)alakít át. Különösen a digitális-analóg átalakítást gyakran használják az idősorok adatainak folyamatosan változó fizikai jellé történő megváltoztatására.

Az ideális DAC az absztrakt számokat impulzusok fogalmi sorrendjévé alakítja, amelyeket ezután rekonstrukciós szűrővel dolgoznak fel, valamilyen interpoláció alkalmazásával az impulzusok közötti adatok kitöltésére. Egy közönséges gyakorlati digitális-analóg átalakító a számokat darabonként állandó funkcióvá változtatja, amely téglalap alakú modellek sorozatából áll, amelyek nulla sorrendű megtartással jönnek létre. Ezenkívül a következő kérdés megválaszolása: "Mi a DAC?", érdemes megemlíteni más módszereket (például a delta-sigma moduláción alapul). Modulált impulzussűrűségű kimenetet hoznak létre, amely hasonlóan lehet szűrve szerezzen simán változó jelet.

A Nyquist-Shannon mintavételi tétel szerint a DAC rekonstruálhatja a kezdeti rezgést a mintaadatokból, feltéve, hogy beillesztési zónája megfelel bizonyos követelményeknek (például egy alapsávú impulzus alacsonyabb sűrűségű távvezetékkel). A digitális mintavétel kvantálási hibát jelent, amely alacsony szintű zajként nyilvánul meg a rekonstruált jelben.

Egy 8 bites eszköz egyszerűsített funkcionális diagramja

Azonnal érdemes megjegyezni, hogy a legtöbb népszerű modell a digitális-analóg átalakító valódi kábel NANO-DAC. A DAC egy olyan fejlett technológia része, amely jelentősen hozzájárult a digitális forradalomhoz. Szemléltetésül érdemes megfontolni a tipikus távolsági telefonhívásokat.

A hívó hangját mikrofon segítségével analóg elektromos jellé alakítják, majd ezt az impulzust a DAC-val együtt digitális adatfolyammá változtatják. Ezt követően az utóbbi hálózati csomagokra oszlik, ahol más digitális adatokkal együtt elküldhető. Lehet, hogy nem feltétlenül audio.

Ezután a csomagok a rendeltetési helyre érkeznek, de mindegyikük teljesen más útvonalon haladhat, és nem is érheti el a rendeltetési helyet a megfelelő sorrendben és a megfelelő időben. A digitális beszédadatokat ezután kibontják a csomagokból, majd egy megosztott adatfolyamba gyűjtik. A DAC ezt analóg elektromos jellé alakítja, amely audio erősítőt hajt (például egy digitális-analóg átalakító valós kábel NANO-DAC). Ő viszont aktiválja a hangszórót, amely végül előállítja a szükséges hangot.

Hang

A legtöbb modern akusztikus jelet digitálisan tárolják (például MP3 és CD). Annak érdekében, hogy a hangszórókon keresztül hallhassák őket, hasonló impulzussá kell alakítani őket. Így megtalálható egy digitális-analóg átalakító TV, CD-lejátszó, digitális zenei rendszerek és hangkártyák PC.

Speciális önálló DAC-k is megtalálhatók a kiváló minőségű Hi-Fi rendszerekben. Általában egy kompatibilis CD-lejátszó vagy dedikált átvitel digitális kimenetét veszik át, és a jelet vonalszintű analóg kimenetre konvertálják, amelyet ezután erősítőbe lehet táplálni a hangszórók vezérléséhez.

Hasonló digitális-analóg átalakítók találhatók digitális oszlopokban, például USB hangszórókés a hangkártyák.

A voice over IP-t használó alkalmazásokban a forrást először digitalizálni kell az átvitelhez, így ADC-n keresztül konvertálják, majd analógra konvertálják a fogadó oldalon lévő DAC segítségével. Például ezt a módszert használják néhány digitális-analóg átalakítóhoz (TV).

Kép

A mintavétel általában teljesen más skálán működik, általában mind a katódsugárcsövek (amelyekre a digitális videoalkotási munkák túlnyomó többségét szánták), mind az emberi szem rendkívül nemlineáris reakciója miatt, gamma-görbével biztosítva az egyenletesen elosztott fényerő megjelenését a kijelző teljes dinamikus tartományában. Ezért a RAMDAC-ot meglehetősen mély színfelbontású számítógépes videoalkalmazásokban kell használni annak érdekében, hogy gyakorlatilag egy kódolt értéket hozzon létre a DAC-ban az egyes csatornák minden kimeneti szintjéhez (például az Atari ST vagy a Sega Genesis 24 ilyen értékre lesz szüksége; egy 24 bites grafikus kártyának 768-ra lesz szüksége).

Tekintettel erre a benne rejlő torzításra, a televízió vagy a videoprojektor esetében gyakran őszintén kijelentik, hogy a lineáris kontrasztarány (a legsötétebb és a legfényesebb kimeneti szintek közötti különbség) 1000:1 vagy több. Ez 10 bit hanghűségnek felel meg, még akkor is, ha csak 8 bites pontossággal képes jeleket fogadni, és csatornánként alig hat vagy hét bitet megjelenítő LCD panelt használ. Ennek alapján közzéteszik a DAC-k áttekintését.

A digitális forrásból, például számítógépből származó videojeleket analóg formába kell konvertálni, ha azokat monitoron kell megjeleníteni. 2007 óta a hasonló bemeneteket gyakrabban használják, mint a digitálisakat, de ez megváltozott, mivel a DVI vagy HDMI csatlakozással rendelkező síkképernyős kijelzők egyre gyakoribbak. A videó DAC azonban bármilyen digitális videolejátszóba be van építve, azonos kimenetekkel. A digitális-analóg audio átalakító általában integrálva van néhány memóriával (RAM), amely átszervezési táblákat tartalmaz a gamma korrekcióhoz, a kontraszthoz és a fényerőhöz, hogy létrehozzon egy RAMDAC nevű eszközt.

A DAC-hoz távolról csatlakoztatott eszköz egy digitálisan vezérelt potenciométer, amelyet a jel rögzítésére használnak.

Mechanikai tervezés

Például az IBM Selectric írógép már nem kézi DAC-ot használ a labda irányításához.

A digitális-analóg átalakító áramkör így néz ki.

Az egybites mechanikus hajtás két pozíciót foglal el: egy amikor megfordult, a másik, amikor ki van kapcsolva. Több egybites működtető mozgása a készülék segítségével habozás nélkül kombinálható és lemérhető a pontosabb lépések elérése érdekében.

Ez az IBM Selectric írógép, amely ilyen rendszert használ.

A digitális-analóg átalakítók fő típusai

1. Impulzusszélesség-Modulátor, ahol egy stabil áramot vagy feszültséget alacsony frekvenciájú analóg szűrőre kapcsolnak, amelynek időtartamát digitális bemeneti kód segítségével határozzák meg. Ezt a módszert gyakran használják az elektromos motor és a dim LED lámpák sebességének szabályozására.
2. Digitális-analóg audio átalakító redundáns mintavételezéssel vagy interpolációs DAC-okkal, például delta-sigma modulációval, használja az impulzussűrűség változásának módszerét. Másodpercenként több mint 100 ezer minta (például 180 kHz), 28 bites felbontás érhető el delta szigma eszközzel.
3. Bináris súlyozott elem, amely külön elektromos alkatrészeket tartalmaz az összegzési ponthoz csatlakoztatott DAC minden bitjéhez. Ő tudja összehajtani az operációs erősítőt. A forrás áramszilárdsága arányos annak a bitnek a súlyával, amelynek megfelel. Így a kód összes nem nulla bitjét a tömeggel összegezzük. Ez azért történik, mert ugyanaz a feszültségforrás áll rendelkezésükre. Ez az egyetlen leggyorsabb módja az átalakításnak, de nem tökéletes. Mivel van probléma: alacsony hűség a nagy adatok miatt, szükséges minden egyes feszültség vagy áram. Az ilyen nagy pontosságú alkatrészek drágák, ezért az ilyen típusú modellek általában 8 bites felbontásra vagy még kevesebbre korlátozódnak. A kapcsolt ellenállás célja digitális-analóg átalakítók párhuzamos hálózati forrásokban. Az egyes példányokat a villamos energia tartalmazza a digitális bemenet alapján. A működés elve az ilyen típusú digitális-analóg átalakító egy kapcsolt áramforrásból áll DAC, amelyből a numerikus bemenet alapján különböző kulcsokat választanak ki. Tartalmaz egy szinkron kondenzátor vonalat. Ezeket az egyes elemeket egy speciális mechanizmus (láb) segítségével csatlakoztatják vagy leválasztják, amely az összes dugó közelében található.
4. Létra típusú digitális-analóg átalakítók, amelyek bináris súlyozású elemek. Ez viszont az R és 2R ellenállás kaszkádértékeinek ismétlődő szerkezetét használja. Ez növeli a pontosságot az azonos névértékű (vagy áramforrású)mechanizmus gyártásának viszonylagos egyszerűsége miatt.
5. Szekvenciális támadó vagy ciklikus DAC, amely minden szakaszban egyenként épít kimeneti adatokat. A digitális bemenet egyes bitjeit az összes csatlakozó feldolgozza, amíg a teljes objektumot el nem számolják.
6. A hőmérő egy kódolt DAC, amely egyenlő ellenállást vagy áramforrás szegmenst tartalmaz minden lehetséges DAC kimeneti értékhez. A hőmérő 8 bites DAC-ja 255, a hőmérő 16 töltésű DAC-ja pedig 65 535 részből áll. Ez talán a leggyorsabb és legnagyobb pontosságú DAC architektúra, de a magas költségek rovására. Az ilyen típusú DAC-nak köszönhetően másodpercenként több mint egymilliárd minta konverziós sebességét sikerült elérni.
7. Hibrid DAC-k, amelyek a fenti módszerek kombinációját használják egyetlen átalakítóban. A legtöbb DAC integrált áramkör a következőkhöz tartozik ez a típus az alacsony költség, a nagy sebesség és a helyesség egyidejű megszerzésének összetettsége miatt egy eszközben.
8. Szegmentált DAC, amely egyesíti a magasabb bitek hőmérőjének kódolásának elvét, az alsó komponensek bináris mérését. Ily módon kompromisszum érhető el a pontosság (a hőmérő kódolási elvével) és az ellenállások vagy áramforrások száma (bináris méréssel) között. A kettős működésű mély eszköz 0% - os szegmentációt jelent, a teljes hőmérési kódolású kialakítás pedig 100 %.

Az ebben a listában szereplő DAC-k többsége állandó referenciafeszültségre támaszkodik a kimeneti érték létrehozásához. Alternatív megoldásként a szorzó DAC változó bemeneti feszültséget fogad el azok átalakításához. Ez további tervezési korlátozásokat ró az átszervezési rendszer sávszélességére. Most már világos, hogy miért van szükség különböző típusú digitális-analóg átalakítókra.

Hatékonyság

A DAC-k nagyon fontosak a termékenységért a rendszer. Ezeknek az eszközöknek a legjelentősebb jellemzői A felbontás, amelyet digitális-analóg átalakító használatára hoztak létre.

A DAC reprodukálására tervezett lehetséges kimeneti szintek számát általában az általa használt bitek számaként jelölik, ez a szintek számának két logaritmusának alapja. Például egy 1 bites DAC-t úgy terveztek, hogy kettőt reprodukáljon, míg egy 8 bites 256 áramkörre van tervezve. Az összeadás a tényleges bitszámhoz kapcsolódik, amely a DAC által elért tényleges felbontás mérése. A felbontás határozza meg a színmélységet a videoalkalmazásokban és a hang bitsebessége audioeszközökben.

Maximális frekvencia

Annak a legnagyobb sebességnek a mérése, amellyel a DAC áramkör működhet, és ugyanakkor előállíthatja a megfelelő kimeneti jelet, meghatározza a kapcsolatot a mintavételezett jel sávszélességével. Mint fentebb említettük, a Nyquist-Shannon mintavételi tétel folyamatos és diszkrét jeleket tartalmaz, és kijelenti, hogy bármely jel bármilyen pontossággal rekonstruálható diszkrét jelentéseiből.

Monotónia

Ez a koncepció azt jelenti, hogy a DAC analóg kimenete csak abban az irányban mozog, amelyben a digitális bemenet mozog. Ez a jellemző nagyon fontos az alacsony frekvenciájú jelforrásként használt DAC-k esetében.

Teljes harmonikus torzítás és zaj (THD + N )

A DAC által a jelbe bevezetett torzulások és idegen hangok mérését a kívánt jelet kísérő nem kívánt harmonikus torzítás és zaj teljes teljesítményének százalékában fejezzük ki. Ez egy nagyon fontos jellemző a dinamikus és alacsony teljesítményű DAC alkalmazásokhoz.

Tartomány

A különbség mérése a legnagyobb és a kis jelek, amelyeket a DAC képes reprodukálni, decibelben kifejezve, általában a felbontáshoz és a zajszinthez kapcsolódnak.

Más mérések, például a fázistorzítás és a jitter szintén nagyon fontosak lehetnek egyes alkalmazásoknál. Vannak olyanok (például vezeték nélküli adatátvitel, kompozit videó), amelyek akár a fázisvezérelt jelek pontos vételére is támaszkodhatnak.

A PCM audio lineáris mintavétele általában az egyes bitek felbontása alapján működik, ami hat decibel amplitúdónak felel meg (megduplázva a hangerőt vagy a pontosságot).

A nemlineáris PCM-kódolások (a-law/ons-law, ADPCM, NICAM) megpróbálják javítani a hatékony dinamikus tartományukat különböző módon - logaritmikus lépésméretek az egyes adatbitek által képviselt kimeneti zajszintek között.

A digitális-analóg átalakítók osztályozása

A nemlinearitás szerinti osztályozás a következőkre osztja őket:

1. Megkülönböztető nemlinearitás, amely megmutatja, hogy két szomszédos kódérték mennyiben tér el a makulátlan lépéstől 1 LSB.
2. A felhalmozott nemlinearitás megmutatja, hogy a DAC átvitel mennyire tér el az ideálistól.

Vagyis az ideális jellemző általában egyenes. Az INL megmutatja, hogy egy adott kódértéknél a tényleges feszültség mennyiben különbözik ettől a vonaltól az alsó bitekben.

Nyereség

Végül a zaj a passzív alkatrészek, például ellenállások által generált hőzümmögésre korlátozódik. Audio alkalmazásokhoz és szobahőmérsékleten ez a hang általában valamivel kevesebb, mint 1 mV (mikrovolt) fehér jel. Ez a termelékenységet kevesebb, mint 20 bitre korlátozza még a 24 bites DAC-okban is.

Frekvenciatartomány teljesítménye

A parazitamentes dinamikatartomány (sfdr) dB-ben jelzi az átalakított főjel teljesítményarányát és a legnagyobb nemkívánatos emissziót.

A zaj és torzítás aránya (SNDR) dB-ben jelzi az átalakított fő hang teljesítménytulajdonságát annak összegéhez viszonyítva.

A teljes koherens torzítás (THD) az összes HDI kapacitásának hozzáadása.

Ha a maximális DNL hiba kisebb, mint 1 LSB, akkor a digitális-analóg átalakító garantáltan monoton. Sok monoton hangszer maximális DNL értéke azonban nagyobb lehet, mint 1 LSB.

Time domain teljesítmény:

1. Glitch impulzus zóna (glitch energia).
2. A válasz bizonytalansága.
3. A nemlinearitás ideje (TNL).

Alapvető DAC műveletek

Az analóg-digitális átalakító pontos számot (leggyakrabban bináris számot rögzített ponttal) vesz fel, és fizikai mennyiséggé alakítja (például feszültség vagy nyomás). A dac-kat gyakran használják a véges pontosságú idősorok adatainak folyamatosan változó fizikai jelekké történő átszervezésére.

Az ideális digitális-analóg átalakító elvont számokat vesz fel impulzusok sorozatából, amelyeket ezután interpolációs űrlap segítségével dolgoznak fel a jelek közötti adatok kitöltésére. A hagyományos digitális-analóg átalakító a számokat darabonként állandó függvénybe helyezi, amely téglalap alakú értékek sorozatából áll, amelyet nulla sorrendű megtartással modelleznek.

Az átalakító visszaállítja az eredeti jeleket, hogy sávszélessége megfeleljen bizonyos követelményeknek. A digitális mintavételt kvantálási hibák kísérik, amelyek alacsony szintű zajt hoznak létre. Ő az, aki hozzáadódik a visszaállított jelhez. Az analóg hang minimális amplitúdóját, amely digitális változást okozhat, a legkevésbé jelentős bitnek (LSB)nevezzük. Az analóg és digitális jelek között fellépő hibát (kerekítést) kvantálási hibának nevezzük.