Цифро-аналоговый преобразователь

редактировать

8-канальный Cirrus Logic Цифро-аналоговый преобразователь CS4382, используемый в звуковая карта.

В electronics, 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 DAC ; пригодность ЦАП для конкретного применения определяется показателями качества, включая: разрешение, максимальную частоту дискретизации и другие. Цифро-аналоговое преобразование может ухудшить сигнал, поэтому следует указать ЦАП, который имеет незначительные ошибки с точки зрения приложения.

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 на противоположных концах соотношения частота / разрешение. Аудио ЦАП - это низкочастотный тип с высоким разрешением, а видео-ЦАП - это высокочастотный тип с низким и средним разрешением.

Из-за сложности и необходимости точно согласованных компонентов, все ЦАП, кроме наиболее специализированных, реализованы как интегральные схемы (ИС). Обычно они имеют форму металл-оксид-полупроводник (MOS) интегральная схема со смешанными сигналами, которые объединяют как аналоговые, так и цифровые схемы.

Дискретные ЦАП (схемы, построенные из нескольких дискретных электронных компонентов вместо упакованной ИС), как правило, будут чрезвычайно высокоскоростными энергоемкими с низким разрешением, которые используются в военных радарных системах.. В высокоскоростном испытательном оборудовании, особенно в стробоскопических осциллографах , также могут использоваться дискретные ЦАП.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Приложения
    • 2.1 Аудио
    • 2.2 Видео
    • 2.3 Механика
    • 2.4 Связь
  • 3 Типа
  • 4 Производительность
  • 5 Рисунки достоинства
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература
  • 9 Внешние ссылки

Обзор

Идеально дискретизированный сигнал. Кусочно-постоянный выходной сигнал обычного ЦАП без фильтр реконструкции. В практическом ЦАП фильтр или конечная полоса пропускания устройства сглаживают переходную характеристику в непрерывную кривую.

ЦАП преобразует абстрактное число конечной точности (обычно фиксированное- точку 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.

. Идеальный ЦАП преобразует абстрактные числа в концептуальную последовательность импульсов, которые затем обрабатываются фильтром реконструкции с использованием некоторой формы интерполяции для заполнения данных между импульсами. Обычный практический ЦАП преобразует числа в кусочно-постоянную функцию, составленную из последовательности прямоугольных функций, которая моделируется с помощью удержания нулевого порядка. Другие методы ЦАП (например, основанные на дельта-сигма-модуляции ) создают выходной сигнал , модулированный плотностью импульсов,, который можно аналогичным образом фильтровать для получения плавно изменяющегося сигнала.

Согласно теореме выборки Найквиста – Шеннона, ЦАП может восстановить исходный сигнал из выборочных данных при условии, что его полоса пропускания соответствует определенным требованиям (например, основная полоса сигнал с полосой меньше, чем частота Найквиста ). Цифровая выборка вносит ошибку квантования, которая проявляется в виде шума низкого уровня в восстановленном сигнале.

Приложения

Упрощенная функциональная схема 8-битного ЦАП

ЦАП и АЦП являются частью технологии, которая внесла большой вклад в цифровую революцию. Для иллюстрации рассмотрим типичный междугородний телефонный звонок. Голос вызывающего абонента 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, где он может быть отправлен вместе с другими цифровыми данными, не обязательно аудио. Затем пакеты принимаются в пункте назначения, но каждый пакет может идти по совершенно разному маршруту и ​​даже не прибывать в пункт назначения в правильном временном порядке. Затем цифровые голосовые данные извлекаются из пакетов и собираются в поток цифровых данных. ЦАП преобразует его обратно в аналоговый электрический сигнал, который управляет звуковым усилителем , который, в свою очередь, управляет громкоговорителем , который, наконец, воспроизводит звук.

Аудио

CD-проигрыватель с верхней загрузкой и внешний цифро-аналоговый преобразователь.

Большинство современных аудиосигналов хранятся в цифровой форме (например, MP3 и CD ) и, чтобы их можно было слышать через динамики, они должны быть преобразованы в аналоговый сигнал. Поэтому ЦАП можно найти в проигрывателях компакт-дисков, цифровых музыкальных проигрывателях и звуковых картах ПК .

. Отдельные специализированные ЦАП также можно найти в высококачественных hi- fi системы. Обычно они принимают цифровой выход совместимого проигрывателя компакт-дисков или выделенного транспортного (который по сути представляет собой проигрыватель компакт-дисков без внутреннего ЦАП) и преобразуют сигнал в аналоговый линейный . уровень, который затем можно подать на усилитель для управления динамиками.

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

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

Видео

Видеосэмплирование, как правило, работает в совершенно другом масштабе благодаря сильно нелинейному отклику как электронно-лучевых трубок (для которых было нацелено подавляющее большинство работ по созданию цифрового видео), так и человеческий глаз, используя «гамма-кривую», чтобы обеспечить видимость равномерно распределенных шагов яркости по всему динамическому диапазону дисплея - отсюда необходимость использования RAMDAC в компьютерных видеоприложениях с достаточно глубоким цветовым разрешением, чтобы создавать инженерные решения жестко запрограммированное значение в ЦАП для каждого выходного уровня каждого канала непрактично (например, для Atari ST или Sega Genesis потребуется 24 таких значения; 24-битной видеокарте потребуется 768...). Учитывая это врожденное искажение, для телевизора или видеопроектора нет ничего необычного в том, что он правдиво заявляет о линейном коэффициенте контрастности (разнице между самым темным и самым ярким выходными уровнями) 1000: 1 или больше, что эквивалентно 10 битам точности звука, даже если это может только принимать сигналы с 8-битной точностью и использовать ЖК-панель, отображающую только 6 или 7 бит на канал.

Видеосигналы от цифрового источника, такого как компьютер, необходимо преобразовать в аналоговую форму, если они должны отображаться на аналоговом мониторе. По состоянию на 2007 год аналоговые входы использовались чаще, чем цифровые, но это изменилось, поскольку плоские дисплеи с DVI и / или HDMI соединениями стали более распространенными. Однако видео ЦАП встроен в любой цифровой видеоплеер с аналоговыми выходами. ЦАП обычно интегрирован с некоторой памятью (RAM ), которая содержит таблицы преобразования для гамма-коррекции, контрастности и яркости, чтобы сделать устройство, называемое RAMDAC.

Устройство, которое удаленно связано с ЦАП, - это потенциометр с цифровым управлением, используемый для цифрового управления аналоговым сигналом.

Механический

Файл: IBM Selectric II typewriter.ogv Воспроизведение носителя Печатная машинка IBM Selectric использует механический цифро-аналоговый преобразователь для управления своим набором текста.

Однобитовый механический привод принимает два положения: одно при включении, другое когда выкл. Движение нескольких однобитовых исполнительных механизмов можно комбинировать и взвешивать с помощью механизма whiffletree для получения более точных шагов. Пишущая машинка IBM Selectric использует такую ​​систему.

Связь

ЦАП широко используются в современных системах связи, позволяющих генерировать сигналы передачи с цифровым определением. Высокоскоростные ЦАП используются для мобильной связи, а сверхвысокоскоростные ЦАП используются в системах оптической связи.

Типы

Наиболее распространенными типами электронных ЦАП являются:

  • широтно-импульсный модулятор, где стабильный ток или напряжение переключается на аналоговый фильтр нижних частот с длительностью, определяемой кодом цифрового входа. Этот метод часто используется для управления скоростью электродвигателя и диммирования светодиодных ламп.
  • ЦАП с передискретизацией или интерполирующих ЦАП, таких как те, которые используют дельта-сигма модуляцию, используйте плотность импульсов метод преобразования с передискретизацией. Скорость более 100 тысяч выборок в секунду (например, 192 кГц) и разрешение 24 бита достижимы с дельта-сигма ЦАП.
  • Двоично-взвешенный ЦАП, который содержит отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП подключен к точке суммирования, обычно к операционному усилителю . Каждый вход в суммировании имеет значения степени двойки с наибольшим значением тока или напряжения в старшем бите. Сумма этих точных напряжений или токов дает правильное выходное значение. Это один из самых быстрых методов преобразования, но он страдает низкой точностью из-за высокой точности, необходимой для каждого отдельного напряжения или тока. Этот тип преобразователя обычно ограничен разрешением 8 бит или меньше.
    • Коммутируемый резистор ЦАП содержит параллельную цепь резисторов. Отдельные резисторы включаются или отключаются в сети на основе цифрового входа.
    • Переключаемый источник тока ЦАП, из которого выбираются различные источники тока на основе цифрового входа.
    • Коммутируемый конденсатор ЦАП содержит параллельную цепь конденсаторов. Отдельные конденсаторы подключаются или отключаются переключателями в зависимости от входа.
    • Релейная диаграмма R-2R ЦАП, который представляет собой двоично-взвешенный ЦАП, который использует повторяющуюся каскадную структуру значений резисторов R и 2R. Это улучшает точность из-за относительной простоты изготовления резисторов с одинаковым номиналом.
  • ЦАП последовательного приближения или циклический ЦАП, который последовательно формирует выходной сигнал в течение каждого цикла. Отдельные биты цифрового входа обрабатываются каждый цикл до тех пор, пока не будет учтен весь вход.
  • кодированный термометром ЦАП, который содержит равный резистор или сегмент источника тока для каждого возможного значения выхода 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 необходимости многих компонентов, которые для практической реализации требуют изготовления с высокой плотностью процессов ИС.
  • гибридных ЦАП, в которых используется комбинация вышеуказанных методов в одном конвертер. Большинство интегральных схем ЦАП относятся к этому типу из-за сложности получения в одном устройстве низкой стоимости, высокой скорости и высокой точности.
    • Сегментированный ЦАП, который сочетает в себе принцип термометра для наиболее значимых битов и принцип двоичного взвешивания для наименее значимых битов. Таким образом достигается компромисс между точностью (за счет использования принципа кодирования термометра) и количества резисторов или источников тока (за счет использования принципа двоичного взвешивания). Полная дизайн означает 0% сегментация двоично-взвешенный, полный термометр-кодированное средство дизайна 100% сегментация.
  • Большинство ЦАП, показанные в этом списке полагается на постоянном опорное напряжении или токе, чтобы создать их выходное значение. В качестве альтернативы умножающий ЦАП принимает переменное входное напряжение или ток в качестве эталона преобразования. Это накладывает дополнительные конструктивные ограничения на полосу пропускания схемы преобразования.
  • Современные высокоскоростные ЦАП имеют архитектуру с чередованием, в которой несколько ядер ЦАП используются параллельно. Их выходные сигналы объединяются в аналоговой области для повышения производительности комбинированного ЦАП. Комбинация сигналов может выполняться либо во временной области, либо в частотной области.

Рабочие характеристики

Наиболее важными характеристиками ЦАП являются:

Разрешение
Число возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначен для воспроизведения. Обычно это указывается как количество используемых им битов, что является двоичным логарифмом количества уровней. Например, 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения 2 (2) уровней, а 8-битный ЦАП предназначен для 256 (2) уровней. Разрешение связано с эффективным числом бит, которое является мерой фактического разрешения, достигаемого ЦАП. Разрешение определяет глубину цвета в видео приложениях и битовую глубину звука в аудио приложениях.
Максимальная частота дискретизации
Максимальная скорость, с которой схема ЦАП может работать и по-прежнему производить правильный вывод. Теорема выборки Найквиста – Шеннона определяет взаимосвязь между этим и полосой дискретизированного сигнала.
Монотонность
Способность аналогового выхода ЦАП перемещаться только в направление, в котором движется цифровой вход (т. е. если вход увеличивается, выход не падает до подтверждения правильности выхода). Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых в качестве источника низкочастотного сигнала или как программируемый цифровой элемент подстройки.
Суммарные гармонические искажения и шум (THD + N)
Измерение искажения и шума, вносимых в сигнал ЦАП. Он выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, которые сопровождают полезный сигнал.
Динамический диапазон
Измерение разницы между самым большим и самым маленьким сигналами, которые ЦАП может воспроизведение выражено в децибелах. Обычно это связано с разрешением и минимальным 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) может даже полагаться на точное формирование сигналов с регулировкой фазы.

Нелинейное кодирование ИКМ (A-закон / μ-закон, ADPCM, NICAM) пытается улучшить свои эффективные динамические диапазоны за счет использования размеров логарифмического шага между уровнями выходного сигнала, представленными каждым битом данных. Это способствует большему искажению квантования громких сигналов для лучшей производительности тихих сигналов.

Показатели качества

  • Статические характеристики:
    • Дифференциальная нелинейность (DNL) показывает, насколько два соседних аналоговых значения кода отклоняются от идеального шага в 1 младший бит.
    • Интегральная нелинейность (INL) показывает, насколько передаточная характеристика ЦАП отклоняется от идеальной. То есть идеальной характеристикой обычно является прямая линия; INL показывает, насколько фактическое напряжение при данном значении кода отличается от этой строки, в младших разрядах (шаг 1 младший бит).
    • Ошибка усиления
    • Ошибка смещения
    • Шум в конечном итоге ограничивается тепловым шумом, создаваемым пассивными компонентами, такими как резисторы. Для аудиоприложений и при комнатной температуре такой шум обычно немного меньше 1 мкВ (микровольт) белого шума. Это ограничивает производительность менее 20 ~ 21 бит даже в 24-битных ЦАП.
  • Характеристики в частотной области
    • Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) указывает в дБ соотношение между мощностями преобразованного основного сигнала
    • сигнал-шум и искажение (SINAD ) указывает в дБ соотношение между мощностями преобразованного основного сигнала и суммой шума и генерируемого гармонические пики
    • i-е гармоническое искажение (HDi) указывает мощность i-й гармоники преобразованного основного сигнала
    • Суммарное гармоническое искажение (THD) - это сумма мощностей всех гармоники входного сигнала
    • Если максимальное значение DNL меньше 1 младшего разряда, то ЦАП гарантированно будет монотонным. Однако многие монотонные преобразователи могут иметь максимальное значение DNL, ​​превышающее 1 младший бит.
  • Характеристики во временной области:
    • Площадь импульса сбоя (энергия сбоя)

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Кестер, Уолт (2005), Справочник по преобразованию данных, ISBN 0-7506-7841-0
  • S. Норсуорси, Ричард Шрайер, Габор К. Темес, преобразователи данных дельта-сигма. ISBN 0-7803-1045-4.
  • Минлян Лю, Демистификация схем переключаемых конденсаторов. ISBN 0-7506-7907-7.
  • Бехзад Разави, Принципы проектирования систем преобразования данных. ISBN 0-7803-1093-4.
  • Филлип Э. Аллен, Дуглас Р. Холберг, Разработка аналоговых схем КМОП. ISBN 0-19-511644-5.
  • Роберт Ф. Кафлин, 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.
  • Нджунтче Тертулиен, «Аналоговые интегральные схемы КМОП : Быстрая и энергоэффективная конструкция ». ISBN 978-1-4398-5491-4.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-17 05:52:21
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте