V elektronice je obvod DAC druh systému. Je to ona, kdo převádí digitální signál na analogový.
Existuje několik obvodů DAC. Vhodnost pro konkrétní aplikaci je určena metrikami kvality včetně rozlišení, maximální vzorkovací frekvence a dalších.
Převod digitálního signálu na analogový může zhoršit odesílání signálu, proto je nutné najít nástroj, který má drobné chyby z hlediska aplikace.
Aplikace
DAC se obvykle používají v hudebních přehrávačích k převodu numerických toků informací na analogové audio signály. Používají se také v televizích a mobilních telefonech pro převod video dat na video signály, které jsou připojeny k ovladačům obrazovky pro zobrazení monochromatických nebo vícebarevných obrázků.
Právě tyto dvě aplikace využívají obvody DAC na opačných koncích kompromisu mezi hustotou a počtem pixelů. Zvuk je nízkofrekvenční typ s vysokým rozlišením a video je vysokofrekvenční varianta s nízkým až středním obrazem.
Vzhledem ke složitosti a potřebě pečlivě sladěných komponent jsou všechny DAC kromě těch nejspecializovanějších implementovány jako integrované obvody (IC). Diskrétní spoje jsou typicky extrémně rychlé, s nízkým rozlišením a energeticky úspornými typy, které se používají ve vojenských radarových systémech. Velmi vysokorychlostní testovací zařízení, zejména vzorkovací osciloskopy, mohou také používat diskrétní DAC.
Přehled
Semikonstantní výstup konvenčního nefiltrovaného DAC je zabudován do téměř jakéhokoli zařízení a počáteční obraz nebo konečná šířka pásma návrhu vyhlazuje odezvu výšky tónu do souvislé křivky.
Při odpovědi na otázku: „Co je DAC?“stojí za zmínku, že tato součást převádí abstraktní číslo s konečnou přesností (obvykle binární číslici s pevnou řádovou čárkou) na fyzickou hodnotu (například napětí nebo tlak). Zejména D/A převod se často používá ke změně dat časové řady na neustále se měnící fyzický signál.
Ideální DAC převádí abstraktní číslice do koncepčního sledu pulzů, které jsou následně zpracovány rekonstrukčním filtrem s použitím nějaké formy interpolace k vyplnění dat mezi pulzy. Obyčejnýpraktický digitálně-analogový převodník mění čísla na po částech konstantní funkci tvořenou posloupností pravoúhlých vzorů, které jsou vytvořeny držící nultého řádu. Také odpověď na otázku: "Co je to DAC?" za zmínku stojí další metody (například založené na delta-sigma modulaci). Vytvářejí výstup modulovaný pulzní hustotou, který lze podobně filtrovat a vytvářet plynule se měnící signál.
Podle Nyquist-Shannonova vzorkovacího teorému může DAC rekonstruovat původní vibrace ze vzorkovaných dat za předpokladu, že jeho zóna průniku splňuje určité požadavky (například puls v základním pásmu s nižší hustotou vedení). Digitální vzorek představuje chybu kvantizace, která se jeví jako nízkoúrovňový šum v rekonstruovaném signálu.
Zjednodušený funkční diagram 8bitového nástroje
Okamžitě stojí za zmínku, že nejoblíbenějším modelem je digitálně-analogový převodník Real Cable NANO-DAC. DAC je součástí pokročilé technologie, která významně přispěla k digitální revoluci. Pro ilustraci zvažte typické dálkové telefonní hovory.
Hlas volajícího se pomocí mikrofonu převede na analogový elektrický signál a poté se tento puls spolu s DAC změní na digitální proud. Poté se posledně jmenovaný rozdělí do síťových paketů, kam může být odeslán spolu s dalšími digitálními daty. A nemusí to být nutně zvuk.
Pak balíčkyjsou v cíli přijímány, ale každý z nich může jít úplně jinou trasou a ani nedorazí do cíle ve správném pořadí a ve správný čas. Digitální hlasová data jsou pak extrahována z paketů a sestavována do společného datového toku. DAC jej převádí zpět na analogový elektrický signál, který pohání audio zesilovač (jako je digitálně-analogový převodník Real Cable NANO-DAC). A on zase aktivuje reproduktor, který konečně vydává potřebný zvuk.
Audio
Většina moderních akustických signálů se ukládá digitálně (např. MP3 a CD). Aby bylo slyšet přes reproduktory, musí být převedeny na podobný impuls. Takže můžete najít digitálně-analogový převodník pro TV, CD přehrávač, digitální hudební systémy a zvukové karty PC.
Vyhrazené samostatné DAC lze nalézt také ve vysoce kvalitních Hi-Fi systémech. Obvykle využívají digitální výstup kompatibilního CD přehrávače nebo vyhrazeného vozidla a převádějí signál na analogový výstup na linkové úrovni, který pak lze přivést do zesilovače pro ovládání reproduktorů.
Podobné D/A převodníky lze nalézt v digitálních sloupcích, jako jsou USB reproduktory a zvukové karty.
V aplikacích Voice over IP musí být zdroj pro přenos nejprve digitalizován, takže je převeden přes ADC a poté převeden na analogový pomocí DAC napřijímající strana. Tato metoda se například používá pro některé digitálně-analogové převodníky (TV).
Obrázek
Vzorkování má tendenci fungovat celkově ve zcela jiném měřítku, a to kvůli vysoce nelineární odezvě katodových trubic (pro které je určena velká většina digitální videoprodukce) a lidského oka pomocí gama křivka poskytuje vzhled rovnoměrně rozložených kroků jasu v celém dynamickém rozsahu displeje. Z toho plyne potřeba používat RAMDAC v počítačových video aplikacích s poměrně hlubokým barevným rozlišením, takže je nepraktické vytvářet pevně zakódovanou hodnotu v DAC pro každou výstupní úroveň každého kanálu (například Atari ST nebo Sega Genesis by potřebuje 24 těchto hodnot; 24bitová grafická karta by potřebovala 768).
Vzhledem k tomuto přirozenému zkreslení není neobvyklé, že se u televizoru nebo videoprojektoru pravdivě uvádí lineární kontrastní poměr (rozdíl mezi nejtmavší a nejjasnější výstupní úrovní) 1 000:1 nebo více. To odpovídá 10bitové věrnosti zvuku, i když může přijímat signály pouze s 8bitovou věrností a používat LCD panel, který zobrazuje pouze šest nebo sedm bitů na kanál. Recenze DAC jsou publikovány na tomto základě.
Video signály z digitálního zdroje, jako je počítač, musí být převedeny do analogové formy, pokud mají být zobrazeny na monitoru. Podobné od roku 2007vstupy byly používány častěji než digitální, ale to se změnilo, protože ploché panely s připojením DVI nebo HDMI se staly běžnějšími. Video DAC je však zabudován do jakéhokoli digitálního video přehrávače se stejnými výstupy. Digitální převodník zvuku na analogový je obvykle integrován s nějakým druhem paměti (RAM), která obsahuje reorganizační tabulky pro gama korekci, kontrast a jas, aby se vytvořilo zařízení zvané RAMDAC.
Zařízení, které je vzdáleně připojeno k DAC, je digitálně řízený potenciometr používaný ke snímání signálu.
Mechanický design
Například psací stroj IBM Selectric již používá k pohonu míče nemanuální DAC.
Obvod digitálně-analogového převodníku vypadá takto.
Jednobitový mechanický pohon zaujímá dvě polohy: jednu při zapnutí a druhou při vypnutí. Pohyb více aktuátorů s jedním bitem lze bez váhání kombinovat a vážit zařízením, aby bylo dosaženo přesnějších kroků.
Tento systém používá psací stroj IBM Selectric.
Hlavní typy digitálně-analogových převodníků
- Pulsně šířkový modulátor, kde se stabilní proud nebo napětí přepíná do nízkopropustného analogového filtru s dobou trvání určenou digitálním vstupním kódem. Tato metoda se často používá k ovládání rychlosti motoru a ztlumení LED světel.
- Převodník digitálního zvuku na analogový spřevzorkování nebo interpolace DAC, jako jsou ty, které používají delta-sigma modulaci, používají metodu změny hustoty pulzu. Rychlosti přes 100 ksample za sekundu (např. 180 kHz) a 28bitové rozlišení jsou dosažitelné se zařízením delta-sigma.
- Binární vážený prvek, který obsahuje samostatné elektrické komponenty pro každý bit DAC připojený k součtovému bodu. Právě ona umí sečíst operační zesilovač. Proudová síla zdroje je úměrná hmotnosti bitu, kterému odpovídá. K váze se tedy přičtou všechny nenulové bity kódu. Mají totiž k dispozici stejný zdroj napětí. Jedná se o jednu z nejrychlejších metod převodu, ale není dokonalá. Protože existuje problém: nízká věrnost kvůli velkým datům požadovaným pro každé jednotlivé napětí nebo proud. Takovéto vysoce přesné komponenty jsou drahé, takže tento typ modelu je obvykle omezen na 8bitové rozlišení nebo ještě méně. Spínaný odpor slouží jako digitálně-analogové převodníky v paralelních síťových zdrojích. Jednotlivé instance jsou napojeny na elektřinu na základě digitálního vstupu. Princip činnosti tohoto typu digitálně-analogového převodníku spočívá ve spínaném zdroji proudu DAC, ze kterého se na základě číselného vstupu vybírají různé klíče. Zahrnuje vedení synchronního kondenzátoru. Tyto jednotlivé prvky se připojují nebo odpojují pomocí speciálního mechanismu (nohy), který je umístěn poblíž všech zástrček.
- Digitálně-analogové schodišťové převodníkytypu, což je binárně vážený prvek. Na druhé straně používá opakující se strukturu kaskádových hodnot odporu R a 2R. To zlepšuje přesnost díky relativní snadnosti výroby stejného jmenovitého mechanismu (nebo zdrojů proudu).
- Sekvenční předstih nebo cyklický DAC, který vytváří výstup jeden po druhém během každého kroku. Jednotlivé bity digitálního vstupu jsou zpracovávány všemi konektory, dokud není započítán celý objekt.
- Teploměr je kódovaný DAC, který obsahuje stejný odpor nebo segment zdroje proudu pro každou možnou hodnotu výstupu DAC. 8bitový teploměr DAC bude mít 255 prvků a 16bitový teploměr DAC bude mít 65 535 dílů. Toto je možná nejrychlejší a nejpřesnější architektura DAC, ale na úkor vysokých nákladů. S tímto typem DAC bylo dosaženo míry konverze více než jedné miliardy vzorků za sekundu.
- Hybridní DAC, které používají kombinaci výše uvedených metod v jediném převodníku. Většina integrovaných obvodů DAC je tohoto typu, protože je obtížné získat nízkou cenu, vysokou rychlost a přesnost v jednom zařízení.
- Segmentovaný DAC, který kombinuje princip kódování teploměru pro vyšší číslice a binární vážení pro nižší komponenty. Tímto způsobem je dosaženo kompromisu mezi přesností (při použití principu kódování teploměru) a počtem rezistorů nebo proudových zdrojů (pomocí binárního vážení). Hluboké zařízení s dvojitýmakce znamená, že segmentace je 0 % a design s úplným termometrickým kódováním má 100 %.
Většina DACS na tomto seznamu se při vytváření své výstupní hodnoty spoléhá na konstantní napětí. Alternativně násobící DAC přijímá střídavé vstupní napětí, aby je převedl. To ukládá další konstrukční omezení na šířku pásma schématu reorganizace. Nyní je jasné, proč jsou potřebné digitálně-analogové převodníky různých typů.
Výkon
DAC jsou velmi důležité pro výkon systému. Nejvýznamnější charakteristikou těchto zařízení je rozlišení, které je vytvořeno pro použití digitálně-analogového převodníku.
Počet možných výstupních úrovní, které má DAC přehrát, se obvykle uvádí jako počet bitů, které používá, což je základní dva logaritmus počtu úrovní. Například 1bitový DAC je navržen pro přehrávání dvou obvodů, zatímco 8bitový DAC je navržen pro přehrávání 256 obvodů. Výplň souvisí s efektivním počtem bitů, což je míra skutečného rozlišení dosaženého DAC. Rozlišení určuje barevnou hloubku ve video aplikacích a přenosovou rychlost zvuku ve zvukových zařízeních.
Max. frekvence
Měření nejvyšší rychlosti, kterou může obvod DAC pracovat a přesto produkovat správný výstup, určuje vztah mezi rychlostí a šířkou pásma vzorkovaného signálu. Jak je uvedeno výše, větaVzorky Nyquist-Shannon se týkají spojitých a diskrétních signálů a tvrdí, že jakýkoli signál lze z jeho diskrétních záznamů rekonstruovat s jakoukoli přesností.
Monotónnost
Tento koncept se týká schopnosti analogového výstupu DAC pohybovat se pouze ve směru, ve kterém se pohybuje digitální vstup. Tato charakteristika je velmi důležitá pro DAC používané jako zdroj nízkofrekvenčního signálu.
Celkové harmonické zkreslení a šum (THD + N)
Měření zkreslení a vnějších zvuků zaváděných DAC do signálu, vyjádřené jako procento celkového množství nežádoucího harmonického zkreslení a šumu, které doprovázejí požadovaný signál. Toto je velmi důležitá funkce pro dynamické aplikace DAC s nízkým výkonem.
Rozsah
Míra rozdílu mezi největším a nejmenším signálem, který DAC dokáže reprodukovat, vyjádřená v decibelech, obvykle souvisí s rozlišením a úrovní šumu.
Pro některé aplikace mohou být velmi důležitá i další měření, jako je fázové zkreslení a jitter. Existují takové (např. bezdrátový přenos dat, kompozitní video), které se mohou dokonce spolehnout na přesný příjem fázově upravených signálů.
Lineární PCM audio vzorkování obvykle pracuje s rozlišením každého bitu ekvivalentním šesti decibelům amplitudy (zdvojnásobení hlasitosti nebo přesnosti).
Nelineární kódování PCM (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) se snaží zlepšit své efektivní dynamické rozsahy různými způsoby -logaritmické velikosti kroku mezi výstupními úrovněmi zvuku reprezentovanými každým bitem dat.
Klasifikace digitálně-analogových převodníků
Klasifikace podle nelinearity je rozděluje na:
- Výrazná nelinearita, která ukazuje, jak se dvě sousední hodnoty kódu liší od dokonalého 1 kroku LSB.
- Kumulativní nelinearita udává, jak daleko se přenos DAC odchyluje od ideálu.
Ideálním prvkem je tedy obvykle přímka. INL ukazuje, jak moc se skutečné napětí při dané hodnotě kódu liší od tohoto řádku v nejméně významných bitech.
Boost
V konečném důsledku je šum omezen tepelným brumem generovaným pasivními součástmi, jako jsou odpory. Pro audio aplikace a při pokojové teplotě je to typicky těsně pod 1 µV (mikrovolt) bílého signálu. To omezuje výkon na méně než 20 bitů i ve 24bitových DAC.
Výkon ve frekvenční doméně
Spurious-free dynamický rozsah (SFDR) udává v dB poměr výkonů převedeného hlavního signálu k největšímu nechtěnému překmitu.
Noise Distortion Ratio (SNDR) udává v dB výkonovou vlastnost převedeného hlavního zvuku k jeho součtu.
Celkové harmonické zkreslení (THD) je součet mocnin všech HDi.
Pokud je maximální chyba DNL menší než 1 LSB, pak je digitální převodník zaručenbude jednotný. Mnoho monotónních nástrojů však může mít maximální DNL větší než 1 LSB.
Výkon v časové oblasti:
- Glitch impulsní zóna (glitch energy).
- Nejistota odpovědi.
- Čas nelinearity (TNL).
Základní operace DAC
Alogově-digitální převodník vezme přesné číslo (nejčastěji binární číslo s pevnou řádovou čárkou) a převede ho na fyzikální veličinu (jako je napětí nebo tlak). DAC se často používají k reorganizaci dat časové řady s konečnou přesností do neustále se měnícího fyzického signálu.
Ideální D/A převodník přebírá abstraktní čísla ze sledu pulzů, která jsou poté zpracována pomocí formy interpolace k vyplnění dat mezi signály. Konvenční digitálně-analogový převodník vkládá čísla do po částech konstantní funkce sestávající z posloupnosti pravoúhlých hodnot, která je modelována s přidržením nulového řádu.
Převodník obnovuje původní signály tak, aby jeho šířka pásma splňovala určité požadavky. Digitální vzorkování je doprovázeno chybami kvantizace, které vytvářejí nízkou úroveň šumu. Je to on, kdo se přidá k obnovenému signálu. Minimální amplituda analogového zvuku, která může způsobit změnu digitálního zvuku, se nazývá nejméně významný bit (LSB). A chyba (zaokrouhlení), ke které dochází mezi analogovými a digitálními signály,se nazývá kvantizační chyba.
