В електрониката веригата на ЦАП е вид система. Тя е тази, която преобразува цифровия сигнал в аналогов.
Има няколко DAC вериги. Подходящостта за конкретно приложение се определя от показатели за качество, включително разделителна способност, максимална честота на семплиране и други.
Цифрово-аналогово преобразуване може да влоши изпращането на сигнала, така че е необходимо да се намери инструмент, който има малки грешки по отношение на приложението.
Приложения
DAC обикновено се използват в музикални плейъри за преобразуване на цифрови потоци от информация в аналогови аудио сигнали. Те се използват и в телевизори и мобилни телефони за преобразуване на видео данни във видео сигнали, съответно, които са свързани към екранни драйвери за показване на едноцветни или многоцветни изображения.
Тези две приложения използват DAC вериги в противоположните краища на компромиса между плътността и броя на пикселите. Аудиото е нискочестотен тип с висока разделителна способност, а видеото е високочестотен вариант с ниско до средно изображение.
Поради сложността и необходимостта от внимателно съчетани компоненти, всички с изключение на най-специализираните ЦАП се изпълняват като интегрални схеми (ИС). Дискретните връзки обикновено са изключително бързи, с ниска разделителна способност, енергоспестяващи типове, които се използват във военните радарни системи. Много високоскоростното тестово оборудване, особено осцилоскопите за вземане на проби, може да използва и дискретни ЦАП.
Преглед
Полупостоянният изход на конвенционален нефилтриран DAC е вграден в почти всяко устройство, а първоначалното изображение или крайната честотна лента на дизайна изглажда реакцията на тона в непрекъсната крива.
Отговаряйки на въпроса: „Какво е DAC?“, заслужава да се отбележи, че този компонент преобразува абстрактно число с крайна точност (обикновено двоична цифра с фиксирана точка) във физическа стойност (например напрежение или налягане). По-специално, D/A преобразуването често се използва за промяна на данните от времевите серии в непрекъснато променящ се физически сигнал.
Идеалният DAC преобразува абстрактни цифри в концептуален набор от импулси, които след това се обработват от филтър за реконструкция, използвайки някаква форма на интерполация за попълване на данните между импулсите. обикновенипрактичен цифрово-аналогов преобразувател променя числата в постоянна функция на парче, съставена от поредица от правоъгълни модели, които се създават в нулевия ред. Също така, отговаряйки на въпроса "Какво е DAC?" заслужава да се отбележат други методи (например, базирани на делта-сигма модулация). Те създават модулиран изход с импулсна плътност, който може да бъде филтриран по подобен начин, за да произведе плавно променящ се сигнал.
Съгласно теоремата за вземане на проби на Найкуист-Шанън, DAC може да реконструира оригиналната вибрация от пробните данни, при условие че неговата зона на проникване отговаря на определени изисквания (например, импулс на основна лента с по-ниска плътност на линията). Цифровата проба представлява грешката на квантуването, която се появява като шум от ниско ниво в реконструирания сигнал.
Опростена функционална диаграма на 8-битов инструмент
Заслужава да се отбележи веднага, че най-популярният модел е цифрово-аналоговият преобразувател Real Cable NANO-DAC. DAC е част от усъвършенствана технология, която има значителен принос към цифровата революция. За да илюстрирате, помислете за типичните телефонни разговори на дълги разстояния.
Гласът на повикващия се преобразува в аналогов електрически сигнал с помощта на микрофон и след това този импулс се променя в цифров поток заедно с ЦАП. След това последният се разделя на мрежови пакети, където може да бъде изпратен заедно с други цифрови данни. И може да не е непременно аудио.
След това пакетисе приемат в дестинацията, но всеки от тях може да поеме по напълно различен маршрут и дори да не достигне дестинацията в правилния ред и в точния час. След това цифровите гласови данни се извличат от пакетите и се събират в общ поток от данни. DAC преобразува това обратно в аналогов електрически сигнал, който задвижва аудио усилвател (като Real Cable NANO-DAC цифрово-аналогов преобразувател). А той от своя страна активира високоговорителя, който накрая произвежда необходимия звук.
Аудио
Повечето съвременни акустични сигнали се съхраняват цифрово (напр. MP3 и CD). За да бъдат чути през високоговорителите, те трябва да бъдат превърнати в подобен импулс. Така че можете да намерите цифрово-аналогов преобразувател за телевизор, CD плейър, цифрови музикални системи и звукови карти за компютър.
Специализирани самостоятелни ЦАП могат да бъдат намерени и във висококачествени Hi-Fi системи. Те обикновено приемат цифровия изход на съвместим CD плейър или специален автомобил и преобразуват сигнала в аналогов изход на ниво линия, който след това може да се подаде в усилвател за задвижване на високоговорителите.
Подобни D/A преобразуватели могат да бъдат намерени в цифрови колони като USB високоговорители и звукови карти.
В приложенията Voice over IP източникът първо трябва да бъде дигитализиран за предаване, така че да се преобразува чрез ADC и след това да се преобразува в аналогов с помощта на DAC наприемащата страна. Например, този метод се използва за някои цифрово-аналогови преобразуватели (TV).
Снимка
Вземането на проби има тенденция да работи в напълно различен мащаб като цяло, поради силно нелинейната реакция както на електронно-лъчевите тръби (за които е предназначено по-голямата част от цифровото видео производство), така и на човешкото око, използвайки гама крива, за да осигури появата на равномерно разпределени стъпки на яркост в целия динамичен диапазон на дисплея. Оттук и необходимостта от използване на RAMDAC в компютърни видео приложения с доста дълбока цветова разделителна способност, така че е непрактично да се създаде твърдо кодирана стойност в DAC за всяко изходно ниво на всеки канал (например Atari ST или Sega Genesis би се нуждаете от 24 от тези стойности; 24-битова видеокарта ще се нуждае от 768).
Като се има предвид това присъщо изкривяване, не е необичайно вярно да се твърди, че телевизор или видео проектор има линеен контраст (разликата между най-тъмното и най-яркото изходно ниво) от 1000:1 или повече. Това е еквивалентно на 10 бита прецизност на звука, дори ако може да приема само сигнали с 8-битова прецизност и да използва LCD панел, който показва само шест или седем бита на канал. Рецензиите на DAC се публикуват на тази основа.
Видео сигналите от цифров източник като компютър трябва да бъдат преобразувани в аналогова форма, ако трябва да се показват на монитор. Подобно от 2007 гвходовете бяха използвани по-често от цифровите, но това се промени, тъй като плоските дисплеи с DVI или HDMI връзки станаха по-чести. Въпреки това, видео DAC е вграден във всеки цифров видео плейър със същите изходи. Цифров-аналогов аудио конвертор обикновено е интегриран с някакъв вид памет (RAM), която съдържа таблици за реорганизация за гама корекция, контраст и яркост, за да създаде устройство, наречено RAMDAC.
Устройството, което е свързано дистанционно към DAC, е цифрово управляван потенциометър, използван за улавяне на сигнала.
Механичен дизайн
Например, пишещата машина IBM Selectric вече използва неръчен DAC за задвижване на топката.
Веригата на цифрово-аналогов преобразувател изглежда така.
Еднобитовото механично задвижване заема две позиции: едната, когато е включена, другата, когато е изключена. Движението на множество еднобитови задвижващи механизми може да бъде комбинирано и претеглено от устройството без колебание, за да се получат по-точни стъпки.
Това е пишещата машина IBM Selectric, която използва такава система.
Основни типове цифрово-аналогови преобразуватели
- Ширинен импулсен модулатор, при който стабилен ток или напрежение се превключва в нискочестотен аналогов филтър с продължителност, определена от цифров входен код. Този метод често се използва за контрол на скоростта на двигателя и затъмняването на LED светлините.
- Цифров към аналогов аудио конвертор сDAC за свръхсемплиране или интерполиране, като тези, използващи делта-сигма модулация, използват метода за промяна на плътността на импулса. Скорости над 100 ksample в секунда (например 180 kHz) и 28-битова разделителна способност са постижими с делта-сигма устройство.
- Двоичен претеглен елемент, който съдържа отделни електрически компоненти за всеки DAC бит, свързан към точката на сумиране. Именно тя може да добави операционния усилвател. Силата на тока на източника е пропорционална на теглото на бита, на който отговаря. По този начин всички ненулеви битове на кода се добавят към теглото. Това е така, защото те имат един и същ източник на напрежение. Това е един от най-бързите методи за преобразуване, но не е перфектен. Тъй като има проблем: ниска прецизност поради големите данни, необходими за всяко отделно напрежение или ток. Такива високопрецизни компоненти са скъпи, така че този тип модели обикновено са ограничени до 8-битова резолюция или дори по-малко. Превключваният резистор има за цел цифрово-аналогови преобразуватели в паралелни мрежови източници. Отделни екземпляри са свързани към електричество въз основа на цифров вход. Принципът на действие на този тип цифрово-аналогов преобразувател се крие в превключвания източник на ток на DAC, от който се избират различни ключове въз основа на цифров вход. Включва синхронна кондензаторна линия. Тези единични елементи се свързват или разединяват с помощта на специален механизъм (краче), който се намира близо до всички щепсели.
- Цифрови в аналогови стълбищни преобразувателитип, който е бинарно претеглен елемент. Той от своя страна използва повтаряща се структура на каскадните стойности на резистор R и 2R. Това подобрява точността поради относителната лекота на производство на същия номинален механизъм (или източници на ток).
- Последователен напредък или цикличен DAC, който изгражда изхода един по един по време на всяка стъпка. Отделни битове от цифров вход се обработват от всички съединители, докато се отчете целия обект.
- Термометърът е кодиран DAC, който съдържа равен резистор или сегмент с източник на ток за всяка възможна стойност на изхода на DAC. 8-битов термометър DAC ще има 255 елемента, а 16-битов термометър DAC ще има 65 535 части. Това е може би най-бързата и точна DAC архитектура, но за сметка на високата цена. С този тип DAC са постигнати скорости на преобразуване от над един милиард семпл в секунда.
- Хибридни ЦАП, които използват комбинация от горните методи в един преобразувател. Повечето DAC ИС са от този тип поради трудността да се получи ниска цена, висока скорост и точност в едно устройство.
- Сегментиран DAC, който комбинира принципа на термометърно кодиране за по-високи цифри и двоично претегляне за по-ниски компоненти. По този начин се постига компромис между точността (използвайки принципа на кодиране на термометъра) и броя на резисторите или източниците на ток (използвайки двоично претегляне). Дълбоко устройство с двоендействие означава сегментиране е 0%, а дизайнът с пълно термометрично кодиране има 100%.
Повечето от DACS в този списък разчитат на референтно постоянно напрежение, за да създадат изходната си стойност. Алтернативно, умножителният DAC приема входно променливо напрежение, за да ги преобразува. Това налага допълнителни дизайнерски ограничения върху честотната лента на схемата за реорганизация. Сега е ясно защо са необходими цифрово-аналогови преобразуватели от различни типове.
Изпълнение
DAC са много важни за производителността на системата. Най-важната характеристика на тези устройства е разделителната способност, която се създава за използване на цифрово-аналогов преобразувател.
Броят на възможните изходни нива, предназначени за възпроизвеждане на DAC, обикновено се посочва като броя на битовете, които използва, което е основният два логаритъма на броя на нивата. Например, 1-битов DAC е проектиран да възпроизвежда две схеми, докато 8-битов DAC е проектиран да възпроизвежда 256 схеми. Допълването е свързано с ефективния брой битове, който е мярка за действителната разделителна способност, постигната от DAC. Резолюцията определя дълбочината на цвета във видео приложенията и скоростта на аудио битрейта в аудио устройствата.
Максимална честота
Измерването на най-бързата скорост, с която може да работи дадена DAC верига и все пак да произвежда правилния изход, определя връзката между него и честотната лента на семплирания сигнал. Както беше посочено по-горе, теорематаИзвадките на Nyquist-Shannon свързват непрекъснати и дискретни сигнали и твърди, че всеки сигнал може да бъде реконструиран с всякаква точност от неговите дискретни записи.
Монотонност
Тази концепция се отнася до способността на аналоговия изход на ЦАП да се движи само в посоката, в която се движи цифровият вход. Тази характеристика е много важна за DAC, използвани като източник на нискочестотен сигнал.
Общо хармонично изкривяване и шум (THD + N)
Измерване на изкривяването и външните звуци, въведени от DAC в сигнала, изразено като процент от общото количество нежелано хармонично изкривяване и шум, който придружава желания сигнал. Това е много важна характеристика за динамични и ниско изходни DAC приложения.
Обхват
Мярка за разликата между най-големите и най-малките сигнали, които DAC може да възпроизведе, изразена в децибели, обикновено е свързана с разделителната способност и нивото на шума.
Други измервания като фазово изкривяване и трептене също могат да бъдат много важни за някои приложения. Има такива (напр. безжично предаване на данни, композитно видео), които дори могат да разчитат на прецизно приемане на фазово коригирани сигнали.
Линейното PCM аудио семплиране обикновено работи с разделителна способност на всеки бит, еквивалентна на шест децибела амплитуда (удвояване на силата на звука или точността).
Нелинейни PCM кодировки (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) се опитват да подобрят своите ефективни динамични диапазони по различни начини -логаритмични размери на стъпката между изходните аудио нива, представени от всеки бит данни.
Класификация на цифрово-аналоговите преобразуватели
Класификацията по нелинейност ги разделя на:
- Отличителна нелинейност, която показва как две съседни кодови стойности се отклоняват от перфектната стъпка 1 LSB.
- Кумулативната нелинейност показва колко далеч предаването на DAC се отклонява от идеалното.
Така че идеалната характеристика обикновено е права линия. INL показва колко действителното напрежение при дадена кодова стойност се различава от този ред в най-малките битове.
Увеличаване
В крайна сметка шумът е ограничен от термично бръмчене, генерирано от пасивни компоненти като резистори. За аудио приложения и при стайна температура това обикновено е малко под 1 µV (микроволт) бял сигнал. Това ограничава производителността до по-малко от 20 бита дори в 24-битови ЦАП.
Ефективност в честотния домейн
Динамичен обхват без фалшиви данни (SFDR) показва в dB съотношението на мощностите на преобразувания главен сигнал към най-голямото нежелано превишаване.
Noise Distortion Ratio (SNDR) показва в dB мощността на преобразувания основен звук към неговата сума.
Общото хармонично изкривяване (THD) е сумата от мощностите на всички HDi.
Ако максималната DNL грешка е по-малка от 1 LSB, тогава цифрово-аналоговият преобразувател е гарантиранще бъде еднакъв. Въпреки това, много монотонни инструменти могат да имат максимален DNL, по-голям от 1 LSB.
Ефективност на времевия домейн:
- Импулсна зона на бъг (енергия на бъг).
- Несигурност на отговора.
- Време за нелинейност (TNL).
Основни операции на DAC
Аналогово-цифров преобразувател взема точно число (най-често двоично число с фиксирана точка) и го преобразува във физическа величина (като напрежение или налягане). DAC често се използват за реорганизиране на данни от времеви серии с ограничена точност в непрекъснато променящ се физически сигнал.
Идеалният D/A преобразувател взема абстрактни числа от поредица от импулси, които след това се обработват с помощта на форма на интерполация за попълване на данни между сигналите. Конвенционалният цифрово-аналогов преобразувател поставя числата в постоянна функция на парчета, състояща се от поредица от правоъгълни стойности, която се моделира с нулев ред.
Преобразувателят възстановява оригиналните сигнали, така че неговата честотна лента да отговаря на определени изисквания. Цифровото семплиране е придружено от грешки в квантуването, които създават шум с ниско ниво. Той е този, който се добавя към възстановения сигнал. Минималната амплитуда на аналогов звук, която може да предизвика промяна на цифров звук, се нарича най-малкият бит (LSB). И грешката (закръгляването), която възниква между аналоговия и цифровия сигнал,се нарича грешка в квантуването.
