Цифро-аналоговый преобразователь

В электронике цифро -аналоговый преобразователь ( DAC , D/A , D2A или D-to-A ) — это система, которая преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал . Аналого -цифровой преобразователь (АЦП) выполняет обратную функцию.

Существует несколько архитектур ЦАП ; Пригодность ЦАП для конкретного применения определяется такими показателями , как разрешение , максимальная частота дискретизации и другие. Цифро-аналоговое преобразование может ухудшить сигнал, поэтому следует выбирать ЦАП с незначительными ошибками с точки зрения применения.

ЦАП обычно используются в музыкальных проигрывателях для преобразования потоков цифровых данных в аналоговые аудиосигналы . Они также используются в телевизорах и мобильных телефонах для преобразования цифровых видеоданных в аналоговые видеосигналы . Эти два приложения используют ЦАП с противоположным соотношением частоты и разрешения. Аудио ЦАП — это низкочастотный ЦАП с высоким разрешением, а видео ЦАП — высокочастотный с низким и средним разрешением.

Из-за сложности и необходимости точно подобранных компонентов все ЦАП, кроме наиболее специализированных, реализуются в виде интегральных схем (ИС). Обычно они имеют форму металл-оксид-полупроводник (МОП) интегральных схем смешанных сигналов , которые объединяют как аналоговые , так и цифровые схемы .

Дискретные ЦАП (схемы, построенные из множества дискретных электронных компонентов вместо единой микросхемы) обычно представляют собой чрезвычайно быстродействующие и энергоемкие типы с низким разрешением, которые используются в военных радиолокационных системах. Высокоскоростное испытательное оборудование, особенно стробоскопические осциллографы , также может использовать дискретные ЦАП.

Обзор

ЦАП преобразует абстрактное число конечной точности (обычно с фиксированной точкой двоичное число ) в физическую величину (например, напряжение или давление ). В частности, ЦАП часто используются для преобразования данных временных рядов конечной точности в постоянно меняющийся физический сигнал .

При условии, что полоса пропускания сигнала соответствует требованиям теоремы выборки Найквиста-Шеннона (т. е. сигнал основной полосы частот с полосой пропускания меньше частоты Найквиста ) и была дискретизирована с бесконечным разрешением, исходный сигнал теоретически может быть восстановлен из дискретизированных данных. Однако фильтрация АЦП не может полностью исключить все частоты выше частоты Найквиста, которые попадают в диапазон частот основной полосы частот. А процесс цифровой выборки АЦП вносит некоторую ошибку квантования (ошибку округления), которая проявляется в виде низкоуровневого шума. Эти ошибки можно ограничить требованиями целевого приложения (например, в условиях ограниченного динамического диапазона человеческого слуха для аудиоприложений).

Приложения

ЦАП и АЦП являются частью передовой технологии , которая внесла большой вклад в цифровую революцию . Для иллюстрации рассмотрим типичный междугородный телефонный звонок. Голос звонящего преобразуется в аналоговый электрический сигнал с помощью микрофона , затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой поток с помощью АЦП. Затем цифровой поток разделяется на сетевые пакеты , куда он может быть отправлен вместе с другими цифровыми данными , не обязательно аудио. Затем пакеты принимаются в пункт назначения, но каждый пакет может идти по совершенно другому маршруту и может даже не дойти до пункта назначения в правильном порядке по времени. Цифровые голосовые данные затем извлекаются из пакетов и собираются в поток цифровых данных. ЦАП преобразует его обратно в аналоговый электрический сигнал, который приводит в действие аудиоусилитель , который, в свою очередь, приводит в действие динамик , который в конечном итоге воспроизводит звук.

Аудио

с верхней загрузкой CD-проигрыватель (вверху) и внешний цифро-аналоговый преобразователь (внизу) той же компании.

Большинство современных аудиосигналов хранятся в цифровой форме (например, MP3 и компакт-диски ), и для того, чтобы их можно было услышать через динамики, их необходимо преобразовать в аналоговый сигнал. Поэтому ЦАП используются в проигрывателях компакт-дисков , цифровых музыкальных проигрывателях и звуковых картах ПК .

Специализированные автономные ЦАП также можно найти в высококачественных Hi-Fi -системах. Обычно они принимают цифровой выход совместимого проигрывателя компакт-дисков или специального транспорта (который, по сути, представляет собой проигрыватель компакт-дисков без внутреннего ЦАП) и преобразуют сигнал в аналоговый выход линейного уровня , который затем можно подать в усилитель для управления динамиками.

Подобные цифро-аналоговые преобразователи можно найти в цифровых колонках, таких как USB -колонки, и в звуковых картах .

В приложениях передачи голоса по IP источник сначала должен быть оцифрован для передачи, поэтому он подвергается преобразованию через АЦП, а затем реконструируется в аналоговый с помощью ЦАП на стороне получателя.

Видео

Видеосемплирование имеет тенденцию работать в совершенно другом масштабе благодаря сильно нелинейному отклику как электронно-лучевых трубок (на которые было нацелено подавляющее большинство работ по созданию цифрового видео), так и человеческого глаза, использующего «гамма-кривую» для обеспечения появление равномерно распределенных ступеней яркости по всему динамическому диапазону дисплея - отсюда необходимость использования RAMDAC в компьютерных видеоприложениях с достаточно глубоким цветовым разрешением, чтобы сделать непрактичным внесение жестко запрограммированного значения в ЦАП для каждого выходного уровня каждого канала (например, Atari ST или для Sega Genesis потребуется 24 таких значения, для 24-битной видеокарты потребуется 768...). Учитывая это неотъемлемое искажение, для телевизора или видеопроектора нередко правдиво заявлять о коэффициенте линейной контрастности (разница между самым темным и самым ярким выходным уровнем) 1000:1 или выше, что эквивалентно 10 битам точности звука, даже если это может быть всего лишь Принимайте сигналы с точностью до 8 бит и используйте ЖК-панель, которая отображает только 6 или 7 бит на канал.

Видеосигналы от цифрового источника, например компьютера, необходимо преобразовать в аналоговую форму, если они будут отображаться на аналоговом мониторе. По состоянию на 2007 год аналоговые входы использовались чаще, чем цифровые, но ситуация изменилась, поскольку плоские дисплеи с DVI и/или HDMI стали более распространенными. соединениями ^{[ нужна ссылка ]} Однако видео ЦАП встроен в любой цифровой видеоплеер с аналоговыми выходами. ЦАП обычно интегрирован с некоторой памятью ( ОЗУ ), которая содержит таблицы преобразования для гамма-коррекции , контрастности и яркости, чтобы создать устройство, называемое RAMDAC .

Цифровой потенциометр

Устройством, имеющим отдаленное отношение к ЦАП, является потенциометр с цифровым управлением , используемый для цифрового управления аналоговым сигналом.

Механический

Пишущая машинка IBM Selectric использует механический цифро-аналоговый преобразователь для управления печатным шариком.

Однобитный механический привод принимает два положения: одно — во включенном состоянии, другое — в выключенном. Движение нескольких однодолотных приводов можно комбинировать и взвешивать с помощью механизма Уифлтри для получения более точных шагов. Пишущая машинка IBM Selectric использует такую систему. ^[1]

Коммуникации

ЦАП широко используются в современных системах связи, позволяющих генерировать сигналы передачи в цифровой форме. Высокоскоростные ЦАП используются для мобильной связи , а сверхвысокоскоростные ЦАП — в системах оптической связи .

Типы

Наиболее распространенными типами электронных ЦАП являются: ^[2]

, Широтно-импульсный модулятор в котором стабильный ток или напряжение переключается в аналоговый фильтр нижних частот с длительностью, определяемой кодом цифрового входа. Этот метод часто используется для регулирования скорости электродвигателя и регулировки яркости светодиодных ламп .
ЦАП с передискретизацией или интерполирующие ЦАП, например, использующие дельта-сигма модуляцию , используют метод преобразования плотности импульса с передискретизацией . Аудио-дельта-сигма-ЦАП продаются с частотой дискретизации 384 кГц и заявленным разрешением 24 бита, хотя качество ниже из-за собственного шума (см. § Показатели качества ). В некоторой бытовой электронике используется тип ЦАП с передискретизацией, называемый 1-битным ЦАП .
Двоично-взвешенный ЦАП, который содержит отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП, подключенного к точке суммирования, обычно операционному усилителю . Каждый вход суммирования имеет вес по степени двойки с наибольшим током или напряжением в самом старшем бите . Это один из самых быстрых методов преобразования, но он имеет низкую точность из-за высокой точности, необходимой для каждого отдельного напряжения или тока. ^[3]
- ЦАП с переключаемым резистором содержит параллельную сеть резисторов. Отдельные резисторы включаются или обходятся в сети в зависимости от цифрового входа.
- ЦАП с переключаемым источником тока , из которого выбираются разные источники тока на основе цифрового входа.
  Текущий ЦАП рулевого управления — DAC1138KX
- Переключаемый конденсатор ЦАП содержит параллельную конденсаторную сеть. Отдельные конденсаторы подключаются или отключаются переключателями в зависимости от входа.
- Лестничный ЦАП R-2R представляет собой двоично-взвешенный ЦАП, в котором используется повторяющаяся каскадная структура резисторов номиналов R и 2R. Это повышает точность благодаря относительной простоте изготовления резисторов одинакового номинала.
Последовательное приближение или циклический ЦАП, ^[4] который последовательно формирует выходные данные в течение каждого цикла. Отдельные биты цифрового входа обрабатываются каждый цикл до тех пор, пока не будет учтен весь вход.
ЦАП с кодировкой термометра , который содержит равный резистор или сегмент источника тока для каждого возможного значения выходного сигнала ЦАП. 8-битный ЦАП термометра будет иметь 255 сегментов, а 16-битный ЦАП термометра будет иметь 65 535 сегментов. Это быстрая и высокоточная архитектура ЦАП, но за счет этого требуется множество компонентов, которые для практической реализации требуют процессов изготовления интегральных схем высокой плотности . ^[5]
Гибридные ЦАП, в которых используется комбинация вышеперечисленных технологий в одном преобразователе. Большинство интегральных схем ЦАП относятся к этому типу из-за сложности обеспечения низкой стоимости, высокой скорости и высокой точности в одном устройстве.
- Сегментированный ЦАП, сочетающий в себе принцип термометрического кодирования для старших битов и принцип двоичного взвешивания для младших битов. Таким образом достигается компромисс между точностью (за счет использования принципа термометрического кодирования) и количеством резисторов или источников тока (за счет использования двоично-взвешенного принципа). Полный двоично-взвешенный дизайн означает 0% сегментацию, дизайн с полным термометрическим кодированием означает 100% сегментацию.
Большинство ЦАП, представленных в этом списке, для создания выходного значения используют постоянное опорное напряжение или ток. Альтернативно умножающий ЦАП ^[6] принимает переменное входное напряжение или ток в качестве опорного значения преобразования. Это накладывает дополнительные конструктивные ограничения на полосу пропускания схемы преобразования.
Современные высокоскоростные ЦАП имеют чередующуюся архитектуру, в которой несколько ядер ЦАП используются параллельно. Их выходные сигналы объединяются в аналоговой области для повышения производительности объединенного ЦАП. ^[7] Объединение сигналов может выполняться либо во временной области, либо в частотной области.

Производительность

Наиболее важными характеристиками ЦАП являются: ^{[ нужна ссылка ]}

Разрешение: Количество возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначен для воспроизведения. Обычно это указывается как количество битов используемых , которое представляет собой двоичный логарифм количества уровней. Например, 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения 2 (2 ¹) уровней, тогда как 8-битный ЦАП рассчитан на 256 (2 ⁸) уровни. Разрешение связано с эффективным количеством бит , которое является измерением фактического разрешения, достигнутого ЦАП. Разрешение определяет глубину цвета в видеоприложениях и битовую глубину звука в аудиоприложениях.
Максимальная частота дискретизации: Максимальная скорость, на которой схема ЦАП может работать и при этом выдавать правильный выходной сигнал. Теорема выборки Найквиста -Шеннона определяет взаимосвязь между этим и полосой пропускания дискретизированного сигнала.
Монотонность: Способность аналогового выхода ЦАП двигаться только в том направлении, в котором движется цифровой вход (т. е. если входной сигнал увеличивается, выходной сигнал не падает до того, как будет установлен правильный выходной сигнал). Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых в качестве низкого уровня. -источник частотного сигнала или в качестве программируемого в цифровом виде подстроечного элемента. ^{[ нужна ссылка ]}
Суммарные гармонические искажения и шум (THD+N): Измерение искажений и шума, вносимых в сигнал ЦАП. Он выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, сопровождающего полезный сигнал.
Динамический диапазон: Измерение разницы между наибольшим и наименьшим сигналами, которые ЦАП может воспроизвести, выражается в децибелах . Обычно это связано с разрешением и уровнем шума .

Другие измерения, такие как фазовые искажения и джиттер , также могут быть очень важны для некоторых приложений, некоторые из которых (например, беспроводная передача данных, композитное видео) могут даже полагаться на точное создание сигналов с отрегулированной фазой.

Нелинейные кодировки PCM (A-law / μ-law, ADPCM, NICAM) пытаются улучшить свой эффективный динамический диапазон за счет использования логарифмических размеров шага между уровнями выходного сигнала, представленными каждым битом данных. При этом большие искажения квантования громких сигналов заменяются лучшими характеристиками тихих сигналов.

Цифры достоинств

Статическая производительность:
- Дифференциальная нелинейность (DNL) показывает, насколько два соседних аналоговых значения кода отклоняются от идеального шага в 1 младший бит. ^[8]
- Интегральная нелинейность (ИНЛ) показывает, насколько передаточная характеристика ЦАП отклоняется от идеальной. То есть идеальная характеристика обычно представляет собой прямую линию; INL показывает, насколько фактическое напряжение при заданном значении кода отличается от этой линии, в младших битах (с шагом в 1 младший бит). ^[8]
- Ошибка усиления ^[8]
- Ошибка смещения ^[8]
- Шум в конечном итоге ограничивается тепловым шумом , создаваемым пассивными компонентами, такими как резисторы. Для аудиоприложений и при комнатной температуре такой шум обычно составляет немногим менее 1 мкВ (микровольт) белого шума . Это практически ограничивает разрешение до уровня менее 20–21 бит даже в 24-битных ЦАП.
Производительность в частотной области
- Динамический диапазон без побочных эффектов (SFDR) указывает в дБ соотношение между мощностями преобразованного основного сигнала и наибольшей нежелательной помехой. ^[8]
- Отношение сигнал-шум и искажения ( SINAD ) указывает в дБ соотношение между мощностями преобразованного основного сигнала и суммой шума и генерируемых гармонических составляющих. ^[8]
- i-е гармоническое искажение (HDi) указывает мощность i-й гармоники преобразованного основного сигнала.
- Суммарные гармонические искажения (THD) — это сумма мощностей всех гармоник входного сигнала. ^[8]
- Если максимальный DNL меньше 1 младшего бита, то цифро-аналоговый преобразователь гарантированно будет монотонным. Однако многие монотонные преобразователи могут иметь максимальный DNL, превышающий 1 младший бит. ^[8]
Производительность во временной области:
- Область импульса глюка (энергия глюка) ^[8]

См. также

I²S — протокол последовательной связи для двухканального цифрового звука.

Ссылки

^ Брайан Брамфилд (02 сентября 2014 г.). «Сэлектрический ремонт входа 10-3А: Клавиатура» . Архивировано из оригинала 29 декабря 2015 г. – на YouTube.
^ «Архитектура преобразователей данных» (PDF) . Аналого-цифровое преобразование . Аналоговые устройства . Архивировано (PDF) из оригинала 30 августа 2017 г. Проверено 30 августа 2017 г.
^ «ЦАП с двоичным взвешенным резистором» . Учебник по электронике . Проверено 25 сентября 2018 г.
^ «Архитектура преобразователей данных» , с. 3.29.
^ Уолт Кестер, Базовые архитектуры ЦАП I: Струнные ЦАП и термометр (полностью декодированные) ЦАП (PDF) , Analog Devices , заархивировано (PDF) из оригинала 3 мая 2015 г.
^ «Умножение ЦАП: гибкие строительные блоки» (PDF) . Аналоговые устройства . 2010. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2011 г. Проверено 29 марта 2012 г.
^ Шмидт, Кристиан (2020). Концепции чередования для цифро-аналоговых преобразователей: алгоритмы, модели, моделирование и эксперименты . Висбаден: Springer Fachmedien Wiesbaden. дои : 10.1007/978-3-658-27264-7 . ISBN 9783658272630 . S2CID 199586286 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Глоссарий АЦП и ЦАП» . Максим. Архивировано из оригинала 8 марта 2007 г.

Дальнейшее чтение

Кестер, Уолт (2005), Справочник по преобразованию данных , Newnes, ISBN 0-7506-7841-0
С. Норсуорси, Ричард Шрайер, Габор К. Темес, Преобразователи данных дельта-сигма . ISBN 0-7803-1045-4 .
Минлян Лю, Демистификация схем с переключаемыми конденсаторами . ISBN 0-7506-7907-7 .
Бехзад Разави , Принципы проектирования систем преобразования данных . ISBN 0-7803-1093-4 .
Филлип Э. Аллен, Дуглас Р. Холберг, Проектирование аналоговых схем КМОП . ISBN 0-19-511644-5 .
Роберт Ф. Кофлин, Фредерик Ф. Дрисколл, Операционные усилители и линейные интегральные схемы . ISBN 0-13-014991-8 .
Ананд Кумар, Основы цифровых схем . ISBN 81-203-1745-9 , ISBN 978-81-203-1745-1 .
Нджунче Тертулиен, «Аналоговые интегральные схемы КМОП: высокоскоростная и энергоэффективная конструкция». ISBN 978-1-4398-5491-4 .

Внешние ссылки

«Глоссарий АЦП и ЦАП» . Архивировано из оригинала 13 декабря 2009 г.
Умножающие ЦАП высокого разрешения обрабатывают сигналы переменного тока
ЦАП R-2R Ladder DAC объяснен принципиальными схемами.
Динамическая оценка высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей высокого разрешения. Описываются измерения HD, IMD и NPR, а также вычисление шума квантования.

[1] Брайан Брамфилд (02 сентября 2014 г.). «Сэлектрический ремонт входа 10-3А: Клавиатура» . Архивировано из оригинала 29 декабря 2015 г. – на YouTube.

[ADDCH-2] «Архитектура преобразователей данных» (PDF) . Аналого-цифровое преобразование . Аналоговые устройства . Архивировано (PDF) из оригинала 30 августа 2017 г. Проверено 30 августа 2017 г.

[3] «ЦАП с двоичным взвешенным резистором» . Учебник по электронике . Проверено 25 сентября 2018 г.

[FOOTNOTE"Data_Converter_Architectures"3.29-4] «Архитектура преобразователей данных» , с. 3.29.

[5] Уолт Кестер, Базовые архитектуры ЦАП I: Струнные ЦАП и термометр (полностью декодированные) ЦАП (PDF) , Analog Devices , заархивировано (PDF) из оригинала 3 мая 2015 г.

[6] «Умножение ЦАП: гибкие строительные блоки» (PDF) . Аналоговые устройства . 2010. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2011 г. Проверено 29 марта 2012 г.

[7] Шмидт, Кристиан (2020). Концепции чередования для цифро-аналоговых преобразователей: алгоритмы, модели, моделирование и эксперименты . Висбаден: Springer Fachmedien Wiesbaden. дои : 10.1007/978-3-658-27264-7 . ISBN 9783658272630 . S2CID 199586286 .

[maxim-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Глоссарий АЦП и ЦАП» . Максим. Архивировано из оригинала 8 марта 2007 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]