Převodník digitálně-analogový - Digital-to-analog converter

8-kanálový Cirrus Logic CS4382 digitálně-analogový převodník, jak se používá ve zvukové kartě .

V elektronice je digitálně-analogový převodník ( DAC , D / A , D2A nebo D-to-A ) systém, který převádí digitální signál na analogový signál . Analogově-digitální převodník (ADC) provádí reverzní funkce.

Existuje několik architektur DAC ; vhodnost DAC pro konkrétní aplikaci je určena čísly zásluh, včetně: rozlišení , maximální vzorkovací frekvence a dalších. Digitálně-analogová konverze může degradovat signál, proto by měl být specifikován DAC, který má z hlediska aplikace nevýznamné chyby.

DAC se běžně používají v hudebních přehrávačích k převodu digitálních datových toků na analogové zvukové signály . Používají se také v televizorech a mobilních telefonech k převodu digitálních video dat na analogové video signály . Tyto dvě aplikace používají DAC na opačných koncích kompromisu frekvence / rozlišení. Audio DAC je nízkofrekvenční typ s vysokým rozlišením, zatímco video DAC je vysokofrekvenční typ s nízkým až středním rozlišením.

Vzhledem ke složitosti a potřebě přesně sladěných komponent jsou všechny DAC kromě nejspecializovanějších implementovány jako integrované obvody (IC). Obvykle mají podobu čipů integrovaných obvodů se smíšeným signálem kov-oxid-polovodič (MOS), které integrují analogové i digitální obvody .

Diskrétní DAC (obvody konstruované z více samostatných elektronických součástek namísto zabaleného IC) by obvykle byly extrémně vysokorychlostní typy náročné na energii s nízkým rozlišením, které se používají ve vojenských radarových systémech. Velmi vysokorychlostní testovací zařízení, zejména vzorkovací osciloskopy , mohou také používat diskrétní DAC.

Přehled

Vzorkovaný signál.

DAC převádí abstraktní číslo s konečnou přesností (obvykle binární číslo s pevným bodem ) na fyzickou veličinu (např. Napětí nebo tlak ). Zejména se DAC často používají k převodu dat časové řady s konečnou přesností na neustále se měnící fyzický signál .

Podle Nyquist-Shannonovy vzorkovací věty může DAC rekonstruovat původní signál ze vzorkovaných dat za předpokladu, že jeho šířka pásma splňuje určité požadavky (např. Signál v základním pásmu se šířkou pásma menší než Nyquistova frekvence ). Digitální vzorkování zavádí chybu kvantování ( chyba zaokrouhlování), která se projevuje jako nízkoúrovňový šum v rekonstruovaném signálu.

Aplikace

Zjednodušené funkční schéma 8bitového DAC

DAC a ADC jsou součástí umožňující technologie , která významně přispěla k digitální revoluci . Pro ilustraci zvažte typický dálkový telefonní hovor. Hlas volajícího se převádí na analogový elektrický signál pomocí mikrofonu , poté se analogový signál převádí na digitální proud pomocí ADC. Digitální stream je poté rozdělen na síťové pakety, kde může být odeslán spolu s dalšími digitálními daty , ne nutně se zvukem. Pakety jsou poté přijaty na místo určení, ale každý paket může trvat úplně jinou cestou a nemusí dokonce dorazit do cíle ve správném časovém pořadí. Digitální hlasová data jsou poté extrahována z paketů a sestavena do digitálního datového proudu. DAC převádí toto zpět na analogový elektrický signál, který pohání audio zesilovač , který zase pohání reproduktor , který nakonec produkuje zvuk.

Zvuk

Top-loading CD přehrávač a externí digitálně-analogový převodník.

Většina moderních zvukových signálů je uložena v digitální podobě (například MP3 a CD ) a aby bylo možné je slyšet prostřednictvím reproduktorů, musí být převedeny na analogový signál. DAC se proto nacházejí v CD přehrávačích , digitálních hudebních přehrávačích a zvukových kartách PC .

Samostatné specializované převodníky DAC najdete také ve špičkových hi-fi systémech. Obvykle využívají digitální výstup kompatibilního přehrávače CD nebo vyhrazený přenos (což je v podstatě přehrávač CD bez interního DAC) a převádějí signál na analogový výstup na úrovni linky, který lze poté přivést do zesilovače a řídit reproduktory.

Podobné převaděče digitálního signálu na analogové lze nalézt v digitálních reproduktorech, jako jsou reproduktory USB , a ve zvukových kartách .

V aplikacích typu Voice over IP musí být zdroj nejdříve digitalizován pro přenos, takže prochází převodem přes ADC a poté je rekonstruován na analogový pomocí DAC na konci přijímající strany.

Video

Vzorkování videa má tendenci pracovat úplně v úplně jiném měřítku díky vysoce nelineární odezvě jak katodových trubic (pro které byla zaměřena převážná většina základů digitálního videa), tak i lidského oka pomocí „křivky gama“ vzhled rovnoměrně distribuovaných kroků jasu v celém dynamickém rozsahu displeje - proto je potřeba používat RAMDAC v počítačových video aplikacích s dostatečně hlubokým barevným rozlišením, aby bylo inženýrství pevně zakódované hodnoty do DAC pro každou výstupní úroveň každého kanálu nepraktické (např. Atari ST nebo Sega Genesis by vyžadovala 24 takových hodnot; 24bitová grafická karta by potřebovala 768 ...). Vzhledem k tomuto vlastnímu zkreslení není neobvyklé, že televizní nebo videoprojektor pravdivě požaduje lineární kontrastní poměr (rozdíl mezi nejtmavší a nejjasnější výstupní úrovní) 1 000: 1 nebo vyšší, což odpovídá 10 bitům zvukové přesnosti, i když může být pouze přijímat signály s 8bitovou přesností a používat LCD panel, který představuje pouze 6 nebo 7 bitů na kanál.

Video signály z digitálního zdroje, například z počítače, musí být převedeny do analogové podoby, pokud mají být zobrazeny na analogovém monitoru. Od roku 2007 se analogové vstupy používaly častěji než digitální, ale to se změnilo, protože se rozšířily ploché displeje s připojením DVI a / nebo HDMI . Video DAC je však součástí jakéhokoli digitálního video přehrávače s analogovými výstupy. DAC je obvykle integrován s nějakou pamětí ( RAM ), která obsahuje převodní tabulky pro korekci gama , kontrast a jas, aby se vytvořilo zařízení zvané RAMDAC .

Zařízení, které je vzdáleně spojeno s DAC, je digitálně řízený potenciometr , který se používá k digitálnímu ovládání analogového signálu.

Mechanické

Psací stroj IBM Selectric používá mechanický digitálně-analogový převodník k ovládání svého psacího stroje.

Jednobitový mechanický pohon zaujímá dvě polohy: jednu, když je zapnut, druhou, když je vypnut. Pohyb několika jednobitových akčních členů lze kombinovat a zvážit pomocí whiffletree mechanismu pro dosažení jemnějších kroků. IBM Selectric psací stroj používá takový systém.

komunikace

DAC jsou široce používány v moderních komunikačních systémech, které umožňují generování digitálně definovaných přenosových signálů. Vysokorychlostní DAC se používají pro mobilní komunikaci a ultravysokorychlostní DAC se používají v optických komunikačních systémech.

Typy

Nejběžnější typy elektronických DAC jsou:

  • Šířkou impulsu modulátor , kde stabilní proud nebo napětí se přepne do nízkofrekvenční analogový filtr s trváním určenou digitální vstupní kód. Tato technika se často používá pro řízení otáček elektromotoru a stmívání LED žárovek .
  • Převzorkování DAC nebo interpolace DAC, jako jsou ty, které používají modulaci delta-sigma , použijte techniku ​​převodu hustoty impulzů s převzorkováním . Rychlosti vyšší než 100 tisíc vzorků za sekundu (například 192 kHz) a rozlišení 24 bitů jsou dosažitelné pomocí delta-sigma DAC.
  • Binárně vážený DAC, který obsahuje jednotlivé elektrické komponenty pro každý bit DAC připojeného k sčítacímu bodu, obvykle operační zesilovač . Každý vstup v součtu má hodnoty dvou mocnin s největším proudem nebo napětím na nejvýznamnějším bitu . Tato přesná napětí nebo proudy jsou součtem správné výstupní hodnoty. Jedná se o jednu z nejrychlejších metod převodu, ale trpí špatnou přesností kvůli vysoké přesnosti požadované pro každé jednotlivé napětí nebo proud. Tento typ převaděče je obvykle omezen na 8bitové rozlišení nebo méně.
    • Spínaný rezistor DAC obsahuje paralelní rezistorovou síť. Jednotlivé rezistory jsou povoleny nebo přemostěny v síti na základě digitálního vstupu.
    • Zdroj spínaného proudu DAC, ze kterého se na základě digitálního vstupu vybírají různé zdroje proudu.
    • Přepínaný kondenzátor DAC obsahuje paralelní síť kondenzátorů. Jednotlivé kondenzátory jsou připojeny nebo odpojeny pomocí přepínačů na základě vstupu.
    • Žebřík R-2R DAC, který je binární, vážený DAC, který používá opakující kaskádový strukturu odporu hodnoty R a 2R. To zlepšuje přesnost díky relativní snadnosti výroby rezistorů se stejnou hodnotou.
  • Postupná aproximace nebo cyklický DAC, který postupně vytváří výstup během každého cyklu. Jednotlivé bity digitálního vstupu se zpracovávají každý cyklus, dokud se nezohlední celý vstup.
  • Teploměr kódované DAC, který obsahuje stejný odpor nebo proud-source segment pro každou možnou hodnotu výstupu DAC. 8bitový teploměr DAC by měl 255 segmentů a 16bitový teploměr DAC měl 65 535 segmentů. Jedná se o rychlou a nejpřesnější architekturu DAC, ale na úkor požadavku na mnoho komponent, které pro praktickou implementaci vyžaduje výroba IC procesů s vysokou hustotou .
  • Hybridní DAC, které používají kombinaci výše uvedených technik v jediném převaděči. Většina integrovaných obvodů DAC je tohoto typu kvůli obtížnosti získání nízké ceny, vysoké rychlosti a vysoké přesnosti v jednom zařízení.
    • Segmentovaný DAC, který kombinuje princip kódovaný teploměrem pro nejvýznamnější bity a binárně vážený princip pro nejméně významné bity. Tímto způsobem se získá kompromis mezi přesností (pomocí principu kódovaného teploměrem) a počtem odporů nebo proudových zdrojů (použitím principu binárně váženého). Plně binárně vážený design znamená 0% segmentaci, plný design kódovaný teploměrem znamená 100% segmentaci.
  • Většina DAC zobrazených v tomto seznamu se při vytváření své výstupní hodnoty spoléhá na konstantní referenční napětí nebo proud. Alternativně multiplikační DAC převezme jako vstupní referenci proměnné vstupní napětí nebo proud. To klade další omezení návrhu na šířku pásma konverzního obvodu.
  • Moderní vysokorychlostní DAC mají prokládanou architekturu, ve které se paralelně používá více jader DAC. Jejich výstupní signály jsou kombinovány v analogové doméně, aby se zlepšil výkon kombinovaného DAC. Kombinace signálů může být provedena buď v časové doméně, nebo ve frekvenční doméně.

Výkon

Nejdůležitější vlastnosti DAC jsou:

Řešení
Počet možných výstupních úrovní, které je DAC určen k reprodukci. To se obvykle uvádí jako počet bitů , které používá, což je binární logaritmus počtu úrovní. Například 1bitový DAC je navržen pro reprodukci 2 (2 1 ) úrovní, zatímco 8bitový DAC je navržen pro 256 (2 8 ) úrovní. Rozlišení souvisí s efektivním počtem bitů, což je měření skutečného rozlišení dosaženého DAC. Rozlišení určuje barevnou hloubku ve video aplikacích a bitovou hloubku zvuku v audio aplikacích.
Maximální vzorkovací frekvence
Maximální rychlost, s jakou mohou obvody DAC pracovat a stále produkovat správný výstup. Vzorkovací teorém Nyquist-Shannon definuje vztah mezi tímto a šířky pásma vzorkovaného signálu.
Monotónnost
Schopnost analogového výstupu DAC se pohybovat pouze ve směru, kterým se pohybuje digitální vstup (tj. Pokud se vstup zvýší, výstup neklesne před uplatněním správného výstupu.) Tato charakteristika je velmi důležitá pro DAC používané jako nízké -frekvenční zdroj signálu nebo jako digitálně programovatelný trimovací prvek.
Celkové harmonické zkreslení a šum (THD + N)
Měření zkreslení a šumu zavedeného do signálu DAC. Vyjadřuje se jako procento z celkového výkonu nežádoucího harmonického zkreslení a šumu, který doprovází požadovaný signál.
Dynamický rozsah
Měření rozdílu mezi největším a nejmenším signálem, který může DAC reprodukovat, vyjádřeno v decibelech . To obvykle souvisí s rozlišením a úrovní šumu .

Další měření, jako je fázové zkreslení a jitter , mohou být pro některé aplikace také velmi důležitá, přičemž některá z nich (např. Bezdrátový přenos dat, kompozitní video) se mohou dokonce spolehnout na přesnou produkci fázově upravených signálů.

Nelineární kódování PCM (A-law / μ-law, ADPCM, NICAM) se snaží zlepšit své efektivní dynamické rozsahy pomocí velikostí logaritmických kroků mezi silami výstupního signálu představovanými každým datovým bitem. Tím se vymění větší kvantizační zkreslení hlasitých signálů za lepší výkon tichých signálů.

Údaje o zásluhách

  • Statický výkon:
    • Diferenciální nelinearita (DNL) ukazuje, o kolik se dvě sousední analogové hodnoty kódu odchylují od ideálního kroku 1 LSB.
    • Integrovaná nelinearita (INL) ukazuje, jak moc se charakteristika přenosu DAC odchyluje od ideální. To znamená, že ideální charakteristikou je obvykle přímka; INL ukazuje, jak moc se skutečné napětí při dané hodnotě kódu liší od této linky, v LSB (1 LSB kroky).
    • Chyba zisku
    • Chyba offsetu
    • Hluk je nakonec omezen tepelným šumem generovaným pasivními součástmi, jako jsou rezistory. U zvukových aplikací a při pokojové teplotě je takový šum obvykle o něco méně než 1 μV (mikrovolt) bílého šumu . To omezuje výkon na méně než 20 ~ 21 bitů i ve 24bitových DAC.  
  • Výkon ve frekvenční doméně
    • Dynamický rozsah bez rušivých vlivů (SFDR) udává v dB poměr mezi výkony převedeného hlavního signálu a největším nežádoucím impulsem.
    • Signál-šum a zkreslení ( SINAD ) udává v dB poměr mezi výkony převedeného hlavního signálu a součtem šumu a generovaných harmonických ostruh
    • i-té harmonické zkreslení (HDi) označuje sílu i-té harmonické převedeného hlavního signálu
    • Celkové harmonické zkreslení (THD) je součet výkonů všech harmonických vstupního signálu
    • Pokud je maximální DNL menší než 1 LSB, pak je zaručeno , že D / A převodník bude monotónní. Mnoho monotónních převaděčů však může mít maximální DNL větší než 1 LSB.
  • Výkon v časové doméně:
    • Oblast impulzů závady (energie závady)

Viz také

  • I²S  - Sériové rozhraní pro digitální zvuk

Reference

Další čtení

externí odkazy