Схема ЦАП. Цифро-аналоговые преобразователи: типы, классификация, принцип работы, назначение

В электронике схема ЦАП представляет собой своеобразную систему. Именно она преобразует цифровой сигнал в аналоговый.

Существует несколько схем ЦАП. Пригодность для конкретного применения определяется показателями качества, включая разрешение, максимальную частоту дискретизации и другие.

Цифро-аналоговое преобразование может ухудшить посыл сигнала, поэтому необходимо найти такой инструмент, который имеет незначительные ошибки с точки зрения применения.

Приложения

ЦАП, как правило, применяются в музыкальных проигрывателях с целью переустройства числовых потоков информации в аналоговые аудиосигналы. Они, кроме того, используются в телевизорах и мобильных телефонах с целью переустройства, соответственно, видеоданных в видеосигналы, которые подсоединяются к драйверам экрана с целью отражения монохроматических либо разноцветных изображений.

Именно эти два приложения используют схемы ЦАП на противоположных концах компромисса между плотностью и количеством пикселей. Аудио — это низкочастотный тип с высоким разрешением, а видео — высокочастотный вариант с низким и средним изображением.

Из-за сложности и необходимости точно подобранных компонентов все, кроме самых специализированных ЦАП, реализованы в виде интегральных микросхем (ИС). Дискретные связи, как правило, являются чрезвычайно быстродействующими энергосберегающими типами с низким разрешением, которые используются в военных радиолокационных системах. Очень высокоскоростное испытательное оборудование, особенно пробоотборные осциллографы, также могут использовать дискретные ЦАП.

Обзор

Частично-постоянный выходной сигнал обычного ЦАП без фильтра встраивается практически в любое устройство, а начальное изображение или конечная полоса пропускания конструкции сглаживают отклик шага в непрерывную кривую.

Отвечая на вопрос: «Что такое ЦАП?», стоит отметить, что данный компонент преобразует абстрактное число конечной точности (обычно двоичная цифра с фиксированной запятой) в физическую величину (например, напряжение или давление). В частности, цифро-аналоговое преобразование часто используется для изменения данных временных рядов в непрерывно изменяющийся физический сигнал.

Идеальный ЦАП преобразует абстрактные цифры в концептуальную последовательность импульсов, которые затем обрабатываются с помощью фильтра реконструкции, используя некоторую форму интерполяции для заполнения данных между импульсами. Обычный практический цифро-аналоговый преобразователь изменяет числа в кусочно-постоянную функцию, составленную из последовательности прямоугольных моделей, которые создаются с удержанием нулевого порядка. Кроме того, отвечая на вопрос: «Что такое ЦАП?» стоит отметить и другие методы (например, основанные на дельта-сигма-модуляции). Они создают выход с модулированной плотностью импульсов, который можно аналогичным образом фильтровать для получения плавно изменяющегося сигнала.

Согласно теореме отсчетов Найквиста-Шеннона ЦАП может реконструировать исходную вибрацию из выборочных данных при условии, что его зона внедрения соответствует определенным требованиям (например, импульс основной полосы частот с линией пропускания меньшей плотности). Цифровая выборка представляет ошибку квантования, которая проявляется как шум низкого уровня в восстановленном сигнале.

Упрощенная функциональная схема 8-битного инструмента

Сразу же стоит отметить, что самой популярной моделью является цифро-аналоговый преобразователь Real Cable NANO-DAC. ЦАП является частью передовой технологии, которая внесла значительный вклад в цифровую революцию. Для иллюстрации стоит рассмотреть типичные междугородние телефонные звонки.

Голос вызывающего абонента преобразуется в аналоговый электрический сигнал с помощью микрофона, а затем данный импульс изменяется уже в цифровой поток вместе с ЦАП. Вслед за тем последний разделяется на сетевые пакеты, где он может быть отправлен вместе с другими цифровыми данными. И это может быть необязательно аудио.

Затем пакеты принимаются в месте назначения, но каждый из них может идти по совершенно разному маршруту и даже не достигать места назначения в правильном порядке и в нужное время. Цифровые речевые данные затем извлекаются из пакетов и собираются в поток общих данных. ЦАП преобразует это обратно в аналоговый электрический сигнал, который приводит в действие аудиоусилитель (например, цифро-аналоговый преобразователь Real Cable NANO-DAC). А он, в свою очередь, активирует громкоговоритель, который, наконец, производит необходимый звук.

Аудио

Большинство современных акустических сигналов хранятся в цифровом виде (например, MP3 и CD). Для того чтобы их можно было услышать через динамики, они должны быть преобразованы в похожий импульс. Таким образом можно найти цифро-аналоговый преобразователь для телевизора, проигрывателя компакт-дисков, цифровых музыкальных систем и звуковых карт для ПК.

Специализированные автономные ЦАП также можно найти в высококачественных Hi-Fi системах. Обычно они принимают цифровой выход совместимого проигрывателя компакт-дисков или выделенного транспорта и преобразуют сигнал в аналоговый выход линейного уровня, который затем можно подавать в усилитель для управления динамиками.

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

В приложениях, использующих трансляцию голоса по IP, источник должен быть сначала оцифрован для передачи, поэтому он подвергается преобразованию через АЦП, а затем преобразовывается в аналоговый с использованием ЦАП на принимающей стороне. Например, такой способ применяется для некоторых цифро-аналоговых преобразователей (телевизор).

Изображение

Сэмплирование имеет тенденцию работать в совершенно ином масштабе, в целом, благодаря крайне нелинейному отклику как электронно-лучевых трубок (для которых предназначалось подавляющее большинство работ по созданию цифрового видео), так и человеческого глаза, используя гамма-кривую для обеспечения появление равномерно распределенных ступеней яркости по всему динамическому диапазону дисплея. Отсюда необходимость использования RAMDAC в компьютерных видеоприложениях с довольно глубоким цветовым разрешением, чтобы непрактично создавать жестко закодированное значение в ЦАП для каждого выходного уровня каждого канала (например, для Atari ST или Sega Genesis понадобится 24 таких значения; для 24-битной видеокарты потребуется 768).

Учитывая это врожденное искажение, для телевизионного или видеопроектора нередко правдиво заявляется, что линейный коэффициент контрастности (разница между самыми темными и яркими выходными уровнями) составляет 1 000:1 или более. Это эквивалентно 10 битам верности звука, даже если он может только принимать сигналы с 8-битной точностью и использовать ЖК-панель, отображающую едва лишь шесть или семь бит на канал. На этой основе публикуются обзоры ЦАПов.

Видеосигналы от цифрового источника, такого как компьютер, должны быть преобразованы в аналоговую форму, если необходимо их отображение на мониторе. С 2007 года похожие входы использовались чаще, чем цифровые, но это изменилось, так как плоские дисплеи с подключениями DVI или HDMI стали более распространенными. Однако ЦАП для видео встроен в любой цифровой видеоплейер с такими же выходами. Цифро-аналоговый преобразователь звука обычно интегрируется с некоторой памятью (ОЗУ), которая содержит таблицы реорганизации для гамма-коррекции, контрастности и яркости, чтобы создать приспособление под названием RAMDAC.

Устройство, которое отдаленно связано с ЦАП, представляет собой потенциометр с цифровым управлением, используемый для улавливания сигнала.

Механическая конструкция

Например, в печатной машинке IBM Selectric уже используется неручной ЦАП для управления шариком.

Схема цифро-аналогового преобразователя выглядит так.

Однобитовый механический привод принимает два положения: одно при включении, другое при выключении. Движение нескольких однобитовых исполнительных механизмов может быть объединено и взвешено с помощью устройства без колебаний для получения более точных шагов.

Именно пишущая машинка IBM Selectric использует такую систему.

Основные типы цифро-аналоговых преобразователей

1. Широтно-импульсный модулятор, где стабильный ток или напряжение переключается в низкочастотный аналоговый фильтр с длительностью, определяемой с помощью цифрового входного кода. Этот метод зачастую применяется с целью управления скоростью электродвигателя и затемнения светодиодных ламп.
2. Цифро-аналоговый аудио-преобразователь с избыточной дискретизацией или интерполяционные ЦАП, например, использующие дельта-сигма-модуляцию, используют метод изменений плотности импульсов. Скорости более 100 тысяч выборок в секунду (например, 180 кГц) и разрешение 28 бит достижимы с помощью устройства с дельта-сигмой.
3. Двоично-взвешенный элемент, который содержит отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП, подключенного к точке суммирования. Именно она может складывать операционный усилитель. Сила тока источника пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Это происходит, поскольку они имеют в распоряжении один и тот же источник напряжения. Это единственный из наиболее быстрых способов преобразования, но он не идеален. Так как есть проблема: низкая верность из-за больших данных, необходимых для каждого отдельного напряжения или тока. Такие высокоточные компоненты дорогие, поэтому этот тип моделей обычно ограничен 8-битным разрешением или даже меньше. Коммутируемый резистор имеет назначение цифро-аналоговых преобразователей в параллельных источниках сети. Отдельные экземпляры включены в электричество на основе цифрового входа. Принцип работы цифро-аналогового преобразователя этого типа заключается в коммутируемом источнике тока ЦАП, из которого выбираются разные ключи на основе числового входа. Он включает синхронную конденсаторную линию. Эти единичные элементы подключаются или отключаются с помощью специального механизма (лапки), который находится около всех штекеров.
4. Цифро-аналоговые преобразователи лестничного типа, который представляет собой бинарный-взвешенный элемент. Он, в свою очередь, использует повторяющуюся структуру каскадных значений резистора R и 2R. Это повышает точность из-за относительной простоты изготовления механизма с одинаковым номиналом (или источников тока).
5. Последовательное наступление либо цикличный ЦАП, который один за другим строит выходные данные в течение каждого этапа. Отдельные биты цифрового входа обрабатываются всеми разъемами, пока не будет учтен весь объект.
6. Термометр - кодированный ЦАП, который содержит равный резистор или ток-источник сегмент для каждого возможного значения выхода ЦАП. 8-разрядный ЦАП градусника будет располагать 255 элементами, а 16-заряженный ЦАП термометра будет иметь 65 535 частей. Это, пожалуй, самая быстрая и высокоточная архитектура ЦАП, но за счет высокой стоимости. Благодаря этому типу ЦАП достигнуты скорости преобразования более одного миллиарда выборок в секунду.
7. Гибридные ЦАПы, которые используют комбинацию вышеуказанных методов в одном преобразователе. Большинство интегральных микросхем ЦАП относятся к этому типу из-за сложности одновременного получения низкой стоимости, большой скорости и правильности в одном приборе.
8. Сегментированный ЦАП, который объединяет принцип кодирования термометра для старших разрядов и двоичного взвешивания для младших компонентов. Таким образом достигается компромисс между точностью (с помощью принципа кодирования термометра) и количеством резисторов или источников тока (с использованием бинарного взвешивания). Глубокое устройство с двойным действием означает сегментацию 0 %, а конструкция с полным термометрическим кодированием — имеет 100 %.

Большинство DACS, представленные в этом списке, полагаются на постоянное опорное напряжение, чтобы создать их выходное значение. В качестве альтернативы умножающий ЦАП принимает переменное входное напряжение для их преобразования. Это накладывает дополнительные конструктивные ограничения на полосу пропускания схемы реорганизации. Теперь понятно, для чего нужны цифро-аналоговые преобразователи разных видов.

Производительность

ЦАП очень важны для плодотворности системы. Наиболее значительные характеристики этих устройств - это разрешение, которое создано для применения цифро-аналогового преобразователя.

Количество возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначены для воспроизведения, обычно указывается как количество битов, которые оно использует, именно это является основанием два логарифма числа уровней. Например, 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения двух, тогда как 8-битный создан для 256 схем. Дополнение связано с эффективным числом битов, которое является измерением фактического позволения, достигнутого ЦАП. Разрешение определяет глубину цвета в видеоприложениях и битовую частоту звука в аудиоустройствах.

Максимальная частота

Измерение наибольшей скорости, на которой схема ЦАП может работать и при этом вырабатывать правильный выходной сигнал, определяет взаимосвязь между ним и шириной полосы дискретизированного сигнала. Как указано выше, теорема отсчетов Найквиста – Шеннона связывает непрерывные и дискретные сигналы и утверждает, что любой сигнал может быть восстановлен с любой точностью по своим дискретным отчетам.

Монотонность

Это понятие означает способность аналогового выхода ЦАП перемещаться только в направлении, в котором движется цифровой вход. Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых как низкий источник сигнала частоты.

Общее гармоническое искажение и шум (THD + N)

Измерение искривлений и посторонних звуков, вносимых ЦАП в сигнал, выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, которые сопровождают желаемый сигнал. Это очень важная характеристика для приложений ЦАП с динамическим и малым выходом.

Диапазон

Измерение разницы между самым большим и маленьким сигналами, которые ЦАП может воспроизводить, выраженное в децибелах обычно связано с разрешением и уровнем шума.

Другие измерения, такие как искажение фазы и джиттер, также могут быть очень важны для некоторых приложений. В них есть те (например, беспроводная передача данных, композитное видео), которые могут даже полагаться на точное получение сигналов с фазовой регулировкой.

Линейная выборка звука PCM обычно работает на основе разрешения каждого бита, эквивалентного шести децибелам амплитуды (увеличение громкости или точности в два раза).

Нелинейные кодировки PCM (A-law / μ-law, ADPCM, NICAM) пытаются улучшить их эффективные динамические диапазоны различными способами — логарифмическими размерами шага между уровнями выходного звука, представленными каждым битом данных.

Классификация цифро-аналоговых преобразователей

Классификация по нелинейности разделяет их на:

1. Отличительная нелинейность, которая показывает, насколько два соседних кодовых значения отклоняются от безукоризненного шага 1 LSB.
2. Накопленная нелинейность показывает, насколько передачи ЦАП отклоняется от идеальной.

То есть идеальной характеристикой обычно является прямая линия. INL показывает, насколько фактическое напряжение при данном значении кода отличается от этой линии в младших битах.

Усиление

В конечном итоге шум ограничивается тепловым гулом, создаваемым пассивными компонентами, такими как резисторы. Для аудиоприложений и при комнатной температуре такой звук обычно составляет чуть менее 1 мкВ (микровольт) белого сигнала. Это ограничивает продуктивность менее 20 бит даже в 24-битных ЦАП.

Производительность в частотной области

Динамический диапазон без паразитов (SFDR) указывает в дБ касательство мощностей преобразованного основного сигнала и наибольшего нежелательного выброса.

Отношение шума и искажения (SNDR) указывает в дБ свойство мощностей преобразованного основного звука к его сумме.

Общее слаженное искажение (THD) является сложением мощностей всех HDi.

Если максимальная ошибка DNL меньше 1 LSB, то цифро-аналоговый преобразователь гарантированно будет однообразным. Однако многие монотонные инструменты могут иметь максимальное значение DNL больше 1 LSB.

Производительность во временной области:

1. Импульсная зона глитча (энергия глюка).
2. Неопределенность ответа.
3. Время нелинейности (ТНЛ).

Основные операции ЦАП

Аналого-цифровой преобразователь принимает точное число (чаще всего двоичное количество с фиксированной запятой) и преобразует его в физическую величину (например, напряжение или давление). ЦАП часто используются для реорганизации данных временных рядов конечной точности в непрерывно изменяющийся физический сигнал.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь берет абстрактные числа из последовательности импульсов, которые затем обрабатываются с использованием формы интерполяции для заполнения данных между сигналами. Обычный цифро-аналоговый преобразователь помещает числа в кусочно-постоянную функцию, состоящую из последовательности прямоугольных значений, которая моделируется с удержанием нулевого порядка.

Преобразователь восстанавливает исходные сигналы так, чтобы его полоса пропускания соответствовала определенным требованиям. Цифровая выборка сопровождается ошибками квантования, которые создают шум низкого уровня. Именно он добавляется к восстановленному сигналу. Минимальная амплитуда аналогового звука, который может привести к изменению цифрового, называется наименьшим значащим битом (LSB). А ошибка (округления), возникающая между аналоговым и цифровым сигналами, называется погрешностью квантования.

• Новые
• Популярные
• Обсуждаемые

Подпишись на обновления данного обсуждения!