V elektronike je obvod DAC akýmsi systémom. Je to ona, kto prevádza digitálny signál na analógový.
Existuje niekoľko obvodov DAC. Vhodnosť pre konkrétnu aplikáciu je určená metrikami kvality vrátane rozlíšenia, maximálnej vzorkovacej frekvencie a ďalších.
Digitálna-analógová konverzia môže zhoršiť odosielanie signálu, preto je potrebné nájsť prístroj, ktorý má menšie chyby z hľadiska aplikácie.
Aplikácie
DAC sa zvyčajne používajú v hudobných prehrávačoch na konverziu číselných tokov informácií na analógové zvukové signály. Používajú sa aj v televízoroch a mobilných telefónoch na konverziu video údajov na video signály, ktoré sú pripojené k ovládačom obrazovky na zobrazenie monochromatických alebo viacfarebných obrázkov.
Práve tieto dve aplikácie využívajú obvody DAC na opačných koncoch kompromisu medzi hustotou a počtom pixelov. Zvuk je nízkofrekvenčný typ s vysokým rozlíšením a video je vysokofrekvenčný variant s nízkym až stredným obrazom.
Vzhľadom na zložitosť a potrebu starostlivo zladených komponentov sú všetky DAC okrem tých najšpecializovanejších implementované ako integrované obvody (IC). Diskrétne spojenia sú zvyčajne extrémne rýchle typy s nízkym rozlíšením a úsporou energie, ktoré sa používajú vo vojenských radarových systémoch. Veľmi vysokorýchlostné testovacie zariadenia, najmä vzorkovacie osciloskopy, môžu používať aj diskrétne DAC.
Prehľad
Polokonštantný výstup bežného nefiltrovaného DAC je zabudovaný do takmer každého zariadenia a počiatočný obraz alebo konečná šírka pásma dizajnu vyhladzuje odozvu výšky tónu do súvislej krivky.
Pri odpovedi na otázku: „Čo je to DAC?“stojí za zmienku, že tento komponent prevádza abstraktné číslo s konečnou presnosťou (zvyčajne binárnu číslicu s pevnou desatinnou čiarkou) na fyzickú hodnotu (napríklad napätie alebo tlak). Najmä D/A konverzia sa často používa na zmenu údajov časových radov na neustále sa meniaci fyzický signál.
Ideálny DAC konvertuje abstraktné číslice na koncepčný sled impulzov, ktoré sú potom spracované rekonštrukčným filtrom pomocou určitej formy interpolácie na vyplnenie údajov medzi impulzmi. Obyčajnýpraktický digitálno-analógový prevodník mení čísla na po častiach konštantnú funkciu vytvorenú zo sekvencie pravouhlých vzorov, ktoré sú vytvorené v nultom ráde. Tiež odpoveď na otázku: "Čo je to DAC?" za zmienku stoja aj iné metódy (napríklad založené na delta-sigma modulácii). Vytvárajú výstup modulovaný pulznou hustotou, ktorý možno podobne filtrovať, aby sa vytvoril plynule sa meniaci signál.
Podľa Nyquist-Shannonovej vzorkovacej vety môže DAC rekonštruovať pôvodné vibrácie zo vzorkovaných údajov za predpokladu, že jeho zóna prieniku spĺňa určité požiadavky (napríklad impulz v základnom pásme s nižšou hustotou čiary). Digitálna vzorka predstavuje chybu kvantizácie, ktorá sa javí ako nízkoúrovňový šum v rekonštruovanom signáli.
Zjednodušený funkčný diagram 8-bitového nástroja
Okamžite stojí za zmienku, že najobľúbenejším modelom je digitálno-analógový prevodník Real Cable NANO-DAC. DAC je súčasťou pokročilej technológie, ktorá významne prispela k digitálnej revolúcii. Na ilustráciu zvážte typické telefonické hovory na dlhé vzdialenosti.
Hlas volajúceho sa pomocou mikrofónu premení na analógový elektrický signál a potom sa tento impulz zmení na digitálny tok spolu s DAC. Potom sa rozdelí na sieťové pakety, kde sa môže odoslať spolu s inými digitálnymi dátami. A nemusí to byť nevyhnutne zvuk.
Potom balíčkysú akceptované v cieli, ale každý z nich môže ísť úplne inou trasou a ani sa nedostane do cieľa v správnom poradí a v správnom čase. Digitálne hlasové dáta sú potom extrahované z paketov a zostavené do spoločného dátového toku. DAC to prevedie späť na analógový elektrický signál, ktorý poháňa audio zosilňovač (ako je digitálno-analógový prevodník Real Cable NANO-DAC). A on na oplátku aktivuje reproduktor, ktorý konečne vydá potrebný zvuk.
Audio
Väčšina moderných akustických signálov sa ukladá digitálne (napr. MP3 a CD). Aby bolo počuť cez reproduktory, musia byť prevedené na podobný impulz. Takže môžete nájsť digitálno-analógový prevodník pre TV, CD prehrávač, digitálne hudobné systémy a PC zvukové karty.
Vyhradené samostatné DAC možno nájsť aj vo vysoko kvalitných Hi-Fi systémoch. Zvyčajne využívajú digitálny výstup kompatibilného CD prehrávača alebo špeciálneho vozidla a konvertujú signál na analógový výstup na linkovej úrovni, ktorý potom možno priviesť do zosilňovača na napájanie reproduktorov.
Podobné D/A prevodníky možno nájsť v digitálnych stĺpcoch, ako sú USB reproduktory a zvukové karty.
V aplikáciách Voice over IP musí byť zdroj pred prenosom najprv digitalizovaný, takže je konvertovaný cez ADC a potom konvertovaný na analógový pomocou DAC zapnutéhoprijímajúcej strane. Táto metóda sa napríklad používa pre niektoré digitálno-analógové prevodníky (TV).
Obrázok
Vzorkovanie má tendenciu fungovať celkovo v úplne inom meradle v dôsledku vysoko nelineárnej odozvy katódových trubíc (na ktoré bola určená veľká väčšina digitálnej video produkcie) a ľudského oka pomocou gama krivka poskytuje vzhľad rovnomerne rozložených krokov jasu v celom dynamickom rozsahu displeja. Z toho vyplýva potreba použiť RAMDAC v počítačových video aplikáciách s dosť hlbokým farebným rozlíšením, takže je nepraktické vytvárať pevne zakódovanú hodnotu v DAC pre každú výstupnú úroveň každého kanála (napríklad Atari ST alebo Sega Genesis by potrebuje 24 týchto hodnôt; 24-bitová grafická karta by potrebovala 768).
Vzhľadom na toto prirodzené skreslenie nie je nezvyčajné, že televízor alebo videoprojektor pravdivo uvádza, že má lineárny kontrastný pomer (rozdiel medzi najtmavšou a najjasnejšou výstupnou úrovňou) 1 000:1 alebo viac. To zodpovedá 10-bitovej vernosti zvuku, aj keď dokáže prijímať signály len s 8-bitovou vernosťou a používať LCD panel, ktorý zobrazuje iba šesť alebo sedem bitov na kanál. Recenzie DAC sú publikované na tomto základe.
Video signály z digitálneho zdroja, ako je počítač, musia byť prevedené na analógovú formu, ak sa majú zobraziť na monitore. Podobné od roku 2007vstupy sa používali častejšie ako digitálne, ale to sa zmenilo, pretože ploché obrazovky s pripojením DVI alebo HDMI sa stali bežnejšími. Video DAC je však zabudovaný do každého digitálneho video prehrávača s rovnakými výstupmi. Digitálno-analógový audio prevodník je zvyčajne integrovaný s nejakým druhom pamäte (RAM), ktorá obsahuje reorganizačné tabuľky pre gama korekciu, kontrast a jas, aby sa vytvorilo zariadenie s názvom RAMDAC.
Zariadenie, ktoré je na diaľku pripojené k DAC, je digitálne ovládaný potenciometer, ktorý sa používa na zachytenie signálu.
Mechanický dizajn
Napríklad písací stroj IBM Selectric už používa na pohon lopty nemanuálny DAC prevodník.
Obvod digitálno-analógového prevodníka vyzerá takto.
Jednobitový mechanický pohon má dve polohy: jednu pri zapnutí a druhú pri vypnutí. Pohyb viacerých jednobitových ovládačov môže zariadenie bez váhania kombinovať a vážiť, aby sa dosiahli presnejšie kroky.
Je to písací stroj IBM Selectric, ktorý používa takýto systém.
Hlavné typy digitálno-analógových prevodníkov
- Pulzný šírkový modulátor, kde sa stabilný prúd alebo napätie prepína do dolnopriepustného analógového filtra s trvaním určeným digitálnym vstupným kódom. Táto metóda sa často používa na ovládanie rýchlosti motora a stlmenia LED svetiel.
- Digitálny na analógový audio prevodník sprevzorkovanie alebo interpolácia DAC, ako napríklad tie, ktoré používajú delta-sigma moduláciu, používajú metódu zmeny hustoty impulzov. Rýchlosti nad 100 ksample za sekundu (napr. 180 kHz) a 28-bitové rozlíšenie sú dosiahnuteľné so zariadením delta-sigma.
- Binárny vážený prvok, ktorý obsahuje samostatné elektrické komponenty pre každý bit DAC pripojený k súčtu. Práve ona vie zrátať operačný zosilňovač. Prúdová sila zdroja je úmerná hmotnosti bitu, ktorému zodpovedá. K váhe sa teda pripočítajú všetky nenulové bity kódu. Majú totiž k dispozícii rovnaký zdroj napätia. Toto je jedna z najrýchlejších metód konverzie, ale nie je dokonalá. Pretože existuje problém: nízka vernosť kvôli veľkým údajom požadovaným pre každé jednotlivé napätie alebo prúd. Takéto vysoko presné komponenty sú drahé, takže tento typ modelu je zvyčajne obmedzený na 8-bitové rozlíšenie alebo ešte menej. Spínaný odpor slúži ako digitálno-analógové prevodníky v paralelných sieťových zdrojoch. Jednotlivé inštancie sú napojené na elektrinu na základe digitálneho vstupu. Princíp činnosti tohto typu digitálno-analógového prevodníka spočíva v spínanom zdroji prúdu DAC, z ktorého sa na základe číselného vstupu vyberajú rôzne klávesy. Zahŕňa synchrónne kondenzátorové vedenie. Tieto jednotlivé prvky sa spájajú alebo odpájajú pomocou špeciálneho mechanizmu (nožičky), ktorý sa nachádza v blízkosti všetkých zástrčiek.
- Digitálne-analógové schodiskové prevodníkytypu, čo je binárne vážený prvok. Na druhej strane používa opakujúcu sa štruktúru kaskádových hodnôt odporu R a 2R. To zlepšuje presnosť vďaka relatívnej jednoduchosti výroby rovnakého menovitého mechanizmu (alebo zdrojov prúdu).
- Sekvenčný predstih alebo cyklický DAC, ktorý vytvára výstup jeden po druhom počas každého kroku. Jednotlivé bity digitálneho vstupu sú spracované všetkými konektormi, kým sa nezapočíta celý objekt.
- Teplomer je kódovaný DAC prevodník, ktorý obsahuje rovnaký odpor alebo segment zdroja prúdu pre každú možnú hodnotu výstupu DAC. 8-bitový teplomer DAC bude mať 255 prvkov a 16-bitový teplomer DAC bude mať 65 535 častí. Toto je možno najrýchlejšia a najpresnejšia architektúra DAC, ale na úkor vysokých nákladov. S týmto typom DAC boli dosiahnuté miery konverzie viac ako jedna miliarda vzoriek za sekundu.
- Hybridné DAC, ktoré používajú kombináciu vyššie uvedených metód v jednom prevodníku. Väčšina integrovaných obvodov DAC je tohto typu, pretože je ťažké dosiahnuť nízku cenu, vysokú rýchlosť a presnosť v jednom zariadení.
- Segmentovaný DAC, ktorý kombinuje princíp kódovania teplomera pre vyššie číslice a binárne váženie pre nižšie komponenty. Týmto spôsobom sa dosiahne kompromis medzi presnosťou (princíp kódovania teplomera) a počtom odporov alebo zdrojov prúdu (pomocou binárneho váženia). Hlboké zariadenie s dvojitýmakcia znamená, že segmentácia je 0 % a dizajn s úplným termometrickým kódovaním má 100 %.
Väčšina DACS na tomto zozname sa pri vytváraní svojej výstupnej hodnoty spolieha na referenčné konštantné napätie. Alternatívne, násobiaci DAC akceptuje vstupné striedavé napätie na ich konverziu. To ukladá ďalšie konštrukčné obmedzenia na šírku pásma schémy reorganizácie. Teraz je jasné, prečo sú potrebné digitálno-analógové prevodníky rôznych typov.
Výkon
DAC sú veľmi dôležité pre výkon systému. Najvýznamnejšou charakteristikou týchto zariadení je rozlíšenie, ktoré je vytvorené pre použitie digitálno-analógového prevodníka.
Počet možných výstupných úrovní, na ktoré je DAC navrhnutý, sa zvyčajne uvádza ako počet bitov, ktoré používa, čo je základný dva logaritmus počtu úrovní. Napríklad 1-bitový DAC je určený na prehrávanie dvoch obvodov, zatiaľ čo 8-bitový DAC je určený na prehrávanie 256 obvodov. Výplň súvisí s efektívnym počtom bitov, čo je miera skutočného rozlíšenia dosiahnutého DAC. Rozlíšenie určuje farebnú hĺbku vo video aplikáciách a prenosovú rýchlosť zvuku v audio zariadeniach.
Max. frekvencia
Meranie najvyššej rýchlosti, pri ktorej môže obvod DAC pracovať a stále produkovať správny výstup, určuje vzťah medzi ním a šírkou pásma vzorkovaného signálu. Ako je uvedené vyššie, vetaNyquist-Shannon vzorky spája spojité a diskrétne signály a tvrdí, že akýkoľvek signál môže byť zrekonštruovaný s akoukoľvek presnosťou z jeho diskrétnych záznamov.
Monotónnosť
Tento koncept sa týka schopnosti analógového výstupu DAC pohybovať sa iba v smere, v ktorom sa pohybuje digitálny vstup. Táto charakteristika je veľmi dôležitá pre DAC používané ako nízkofrekvenčný zdroj signálu.
Celkové harmonické skreslenie a šum (THD + N)
Meranie skreslenia a cudzích zvukov vnášaných do signálu DAC, vyjadrené ako percento z celkového množstva nežiaduceho harmonického skreslenia a šumu, ktoré sprevádza požadovaný signál. Toto je veľmi dôležitá funkcia pre dynamické aplikácie DAC s nízkym výkonom.
Rozsah
Miera rozdielu medzi najväčšími a najmenšími signálmi, ktoré DAC dokáže reprodukovať, vyjadrená v decibeloch, zvyčajne súvisí s rozlíšením a úrovňou šumu.
Pre niektoré aplikácie môžu byť veľmi dôležité aj iné merania, ako napríklad fázové skreslenie a jitter. Existujú také (napr. bezdrôtový prenos dát, kompozitné video), ktoré sa dokonca môžu spoľahnúť na presný príjem fázovo upravených signálov.
Lineárne PCM audio vzorkovanie zvyčajne funguje s rozlíšením každého bitu ekvivalentným šiestim decibelom amplitúdy (zdvojnásobenie hlasitosti alebo presnosti).
Nelineárne kódovania PCM (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) sa snažia zlepšiť svoje efektívne dynamické rozsahy rôznymi spôsobmi -logaritmické veľkosti krokov medzi výstupnými zvukovými úrovňami reprezentovanými každým bitom údajov.
Klasifikácia digitálno-analógových prevodníkov
Klasifikácia podľa nelinearity ich rozdeľuje na:
- Výrazná nelinearita, ktorá ukazuje, ako sa dve susedné hodnoty kódu líšia od dokonalého 1 kroku LSB.
- Kumulatívna nelinearita udáva, ako ďaleko sa prenos DAC líši od ideálu.
Ideálnym prvkom je teda zvyčajne rovná čiara. INL ukazuje, o koľko sa skutočné napätie pri danej hodnote kódu líši od tohto riadku v najmenej významných bitoch.
Boost
Hluk je v konečnom dôsledku obmedzený tepelným brumom generovaným pasívnymi komponentmi, ako sú odpory. Pre audio aplikácie a pri izbovej teplote je to zvyčajne tesne pod 1 µV (mikrovolt) bieleho signálu. To obmedzuje výkon na menej ako 20 bitov aj v 24-bitových DAC.
Výkon vo frekvenčnej doméne
Spurious-free dynamický rozsah (SFDR) udáva v dB pomer výkonov konvertovaného hlavného signálu k najväčšiemu nechcenému prekmitu.
Noise Distortion Ratio (SNDR) udáva v dB výkonovú vlastnosť konvertovaného hlavného zvuku na jeho súčet.
Celkové harmonické skreslenie (THD) je súčet síl všetkých HDi.
Ak je maximálna chyba DNL menšia ako 1 LSB, potom je zaručený digitálno-analógový prevodníkbude jednotný. Mnohé monotónne nástroje však môžu mať maximálne DNL väčšie ako 1 LSB.
Výkon v časovej doméne:
- Glitch impulzná zóna (glitch energy).
- Neistota odpovede.
- Čas nelinearity (TNL).
Základné operácie DAC
Alógovo-digitálny prevodník berie presné číslo (najčastejšie binárne číslo s pevnou desatinnou čiarkou) a prevádza ho na fyzickú veličinu (napríklad napätie alebo tlak). DAC sa často používajú na reorganizáciu údajov časových radov s konečnou presnosťou na neustále sa meniaci fyzický signál.
Ideálny D/A prevodník berie abstraktné čísla zo sledu impulzov, ktoré sú potom spracované pomocou formy interpolácie na vyplnenie údajov medzi signálmi. Bežný digitálno-analógový prevodník vkladá čísla do konštantnej funkcie po častiach pozostávajúcej zo sekvencie pravouhlých hodnôt, ktorá je modelovaná s nulovým podržaním.
Prevodník obnovuje pôvodné signály tak, aby jeho šírka pásma spĺňala určité požiadavky. Digitálne vzorkovanie je sprevádzané kvantizačnými chybami, ktoré vytvárajú nízku úroveň šumu. Je to on, kto sa pridá k obnovenému signálu. Minimálna amplitúda analógového zvuku, ktorá môže spôsobiť zmenu digitálneho zvuku, sa nazýva najmenej významný bit (LSB). A chyba (zaokrúhľovanie), ktorá sa vyskytuje medzi analógovými a digitálnymi signálmi,sa nazýva kvantizačná chyba.
