Схема ЦАП. Цифро-аналогові перетворювачі: типи, класифікація, принцип роботи, призначення

В електроніці схема ЦАП являє собою своєрідну систему. Саме вона перетворює цифровий сигнал в аналоговий. Існує кілька схем ЦАП. Придатність для конкретного застосування визначається показниками якості, включаючи дозвіл, максимальну частоту дискретизації та інші. Цифро-аналогове перетворення може погіршити посил сигналу, тому необхідно знайти такий інструмент, який має незначні помилки з точки зору застосування.

Додатки

ЦАП, як правило, застосовуються в музичних програвачах з метою перевлаштування числових потоків інформації в аналогові аудіосигнали. Вони, крім того, використовуються в телевізорах і мобільних телефонах з метою перебудови, відповідно, відеоданих у відеосигнали, які під'єднуються до драйверів екрану з метою відображення монохроматичних або різнокольорових зображень.


Саме ці два додатки використовують схеми ЦАП на протилежних кінцях компромісу між щільністю і кількістю пікселів. Аудіо — це низькочастотний тип з високим дозволом, а відео — високочастотний варіант з низьким і середнім зображенням. Через складність і необхідність точно підібраних компонентів всі, крім самих спеціалізованих ЦАП, реалізовані у вигляді інтегральних мікросхем (ІС). Дискретні зв'язку, як правило, є надзвичайно швидкодіючими енергозберігаючими типами з низьким дозволом, які використовуються у військових радіолокаційних системах. Дуже високошвидкісне випробувальне обладнання, особливо пробоотборные осцилографи, також можуть використовувати дискретні ЦАП.

Огляд

Частково-постійний вихідний сигнал звичайного ЦАП без фільтра вбудовується практично в будь-який пристрій, а початкове зображення або кінцева смуга пропускання конструкції згладжують відгук кроку в безперервну криву. Відповідаючи на питання: «Що таке ЦАП?», варто відзначити, що даний компонент перетворює абстрактне число кінцевої точності (зазвичай двійкова цифра з фіксованою комою) у фізичну величину (наприклад, напруга або тиск). Зокрема, цифро-аналогове перетворення часто використовується для зміни даних часових рядів в безперервно змінюється фізичний сигнал. Ідеальний ЦАП перетворює абстрактні цифри в концептуальну послідовність імпульсів, які потім обробляються з допомогою фільтра реконструкції, використовуючи деяку форму інтерполяції для заповнення даних між імпульсами. Звичайний практичний цифро-аналоговий перетворювач змінює числа в кусочно-постійну функцію, складену з послідовності прямокутних моделей, які створюються з утриманням нульового порядку. Крім того, відповідаючи на питання: «Що таке ЦАП?» варто відзначити й інші методи (наприклад, засновані на дельта-сигма-модуляції). Вони створюють вихід з модульованою щільністю імпульсів, який можна аналогічним чином фільтрувати для отримання плавно змінюється сигналу. Відповідно до теореми відліків Найквіста-Шеннона ЦАП може реконструювати вихідну вібрацію з вибіркових даних за умови, що його зона впровадження відповідає певним вимогам (наприклад, імпульс основної смуги частот з лінією пропускання меншої щільності). Цифрова вибірка представляє помилку квантування, яка проявляється як шум низького рівня у відновленому сигналі.

Спрощена функціональна схема 8-бітного інструменту

Відразу ж варто відзначити, що найпопулярнішою моделлю є цифро-аналоговий перетворювач Real Cable NANO-DAC. ЦАП є частиною передової технології, яка внесла значний вклад в цифрову революцію. Для ілюстрації варто розглянути типові міжміські телефонні дзвінки. Голос абонента перетворюється в аналоговий електричний сигнал за допомогою мікрофона, а потім цей імпульс змінюється вже в цифровий потік разом з ЦАП. Слідом за тим останній поділяється на мережеві пакети, де він може бути відправлений разом з іншими цифровими даними. І це може бути необов'язково аудіо. Потім пакети приймаються в місці призначення, але кожен з них може йти зовсім різному маршрутом і навіть не досягати місця призначення у правильному порядку і в потрібний час. Цифрові мовні дані потім витягуються з пакетів і збираються в потік загальних даних. ЦАП перетворює це назад в аналоговий електричний сигнал, який приводить в дію аудіопідсилювач (наприклад, цифро-аналоговий перетворювач Real Cable NANO-DAC). А він, у свою чергу, активує гучномовець, який, нарешті, виробляє необхідний звук.

Аудіо

Більшість сучасних акустичних сигналів зберігаються в цифровому вигляді (наприклад, MP3 та CD). Для того щоб їх можна було почути через динаміки, вони повинні бути перетворені в схожий імпульс. Таким чином можна знайти цифро-аналоговий перетворювач для телевізора, програвача компакт-дисків, цифрових музичних систем і звукових карт для ПК.
Спеціалізовані автономні ЦАП також можна знайти у високоякісних Hi-Fi системи. Зазвичай вони приймають цифровий вихід сумісного програвача компакт-дисків або виділеного транспорту і перетворюють сигнал в аналоговий вихід лінійного рівня, який потім можна подавати в підсилювач для управління динаміками. Подібні цифро-аналогові перетворювачі можна знайти в цифрових стовпцях, таких як USB колонки, і у звукових картах. В додатках, що використовують трансляцію голосу по IP, джерело повинен бути спочатку оцифрований для передачі, тому він піддається перетворенню через АЦП, а потім перетворюється в аналоговий з використанням ЦАП на приймаючій стороні. Наприклад, такий спосіб застосовується для деяких цифро-аналогових перетворювачів (телевізор).

Зображення

Семплування має тенденцію працювати в зовсім іншому масштабі, в цілому, завдяки вкрай нелінійного відгуку як електронно-променевих трубок (для яких призначалася переважна більшість робіт зі створення цифрового відео), так і людського ока, використовуючи гамма-криву для забезпечення поява рівномірно розподілених ступенів яскравості по всьому динамічному діапазону дисплея. Звідси необхідність використання RAMDAC в комп'ютерних видеоприложениях з досить глибоким колірним дозволом, щоб непрактично створювати жорстко закодоване значення в ЦАП для кожного вихідного рівня кожного каналу (наприклад, для Atari ST або Sega Genesis знадобиться 24 таких значення; для 24-бітної відеокарти потрібно 768).

Враховуючи це вроджене викривлення, для телевізійного або відеопроектора нерідко правдиво заявляється, що лінійний коефіцієнт контрастності (різниця між самими темними і яскравими вихідними рівнями) складає 1000:1 або більше. Це еквівалентно 10 бітам вірності звуку, навіть якщо він може тільки приймати сигнали з 8-бітною точністю і використовувати РК-панель, що відображає ледь лише шість чи сім біт на канал. На цій основі публікуються огляди ЦАПов. Відеосигнали від цифрового джерела, такого як комп'ютер, повинні бути перетворені в аналогову форму, якщо необхідно їх відображення на моніторі. З 2007 року схожі входи використовувалися частіше, ніж цифрові, але це змінилося, так як плоскі дисплеї з підключеннями DVI або HDMI стали більш поширеними. Однак ЦАП для відео вбудований в будь-який цифровий відеоплейєр з такими ж виходами. Цифро-аналоговий перетворювач звуку зазвичай інтегрується з деякою пам'яттю (RAM), яка містить таблиці реорганізації для гамма-корекції, контрастності і яскравості, щоб створити пристосування під назвою RAMDAC. Пристрій, який віддалено пов'язано з ЦАП, являє собою потенціометр з цифровим керуванням, що використовується для уловлювання сигналу.

Механічна конструкція

Наприклад, в друкарській машинці IBM Selectric вже використовується неручной ЦАП для управління кулькою. Схема цифро-аналогового перетворювача виглядає так. Однобітових механічний привід приймає два положення: одне при включенні, інше при виключенні. Рух кількох однобитовых виконавчих механізмів може бути об'єднано і зважено з допомогою пристрою без коливань для отримання більш точних кроків.
Саме друкарська машинка IBM Selectric використовує таку систему.

Основні типи цифро-аналогових перетворювачів

Широтно-імпульсний модулятор, де стабільний струм або напруга переключається в низькочастотний аналоговий фільтр з тривалістю, що визначається за допомогою вхідного цифрового коду. Цей метод часто застосовується з метою управління швидкістю електродвигуна і затемнення світлодіодних ламп. Цифро-аналоговий аудіо-перетворювач з надлишковою дискретизацією або інтерполяційні ЦАП, наприклад, використовують дельта-сигма-модуляцію, використовують метод змін щільності імпульсів. Швидкості більше 100 тисяч вибірок в секунду (наприклад, 180 кГц) і дозвіл 28 біт досяжні за допомогою пристрою з дельта-сігмою. Двійково-зважений елемент, який містить окремі електричні компоненти для кожного біта ЦАП, підключеного до точки підсумовування. Саме вона може складати операційний підсилювач. Сила струму джерела пропорційна вазі біта, якому він відповідає. Таким чином, всі нульові біти коду підсумовуються з вагою. Це відбувається, оскільки вони мають в розпорядженні один і той же джерело напруги. Це єдиний з найбільш швидких способів перетворення, але він не ідеальний. Так як є проблема: низька вірність з-за великих даних, необхідних для кожного окремого напруги або струму. Такі високоточні компоненти дорогі, тому цей тип моделей зазвичай обмежений 8-бітним дозволом або навіть менше. Комутований резистор має призначення цифро-аналогових перетворювачів в паралельних джерелах мережі. Окремі екземпляри включені в електрику на основі цифрового входу. Принцип роботи цифро-аналогового перетворювача цього типу полягає в комутованому джерелі струму ЦАП, з якого вибираються різні ключі на основі числового входу. Він включає синхронну конденсаторну лінію. Ці одиничні елементи підключаються або відключаються за допомогою спеціального механізму (лапки), який знаходиться біля всіх штекерів. Цифро-аналогові перетворювачі сходового типу, який представляє собою бінарний-зважений елемент. Він, у свою чергу, використовує повторювану структуру каскадних значень резистора R і 2R. Це підвищує точність із-за відносної простоти виготовлення механізму з однаковим номіналом (або джерел струму). Послідовне наступ або циклічний ЦАП, який один за іншим будує вихідні дані протягом кожного етапу. Окремі біти цифрового входу обробляються всіма роз'ємами, поки не буде врахований весь об'єкт. Термометр - кодований ЦАП, який містить резистор рівний або ток-джерело сегмент для кожного можливого значення виходу ЦАП. 8-розрядний ЦАП градусника буде розташовувати 255 елементами, а 16-заряджений ЦАП термометра буде мати 65535 частин. Це, мабуть, найбільш швидка і високоточна архітектура ЦАП, але за рахунок високої вартості. Завдяки цьому типу ЦАП досягнуто швидкості перетворення більше одного мільярда вибірок в секунду. Гібридні Цапи, які використовують комбінацію вищевказаних методів в одному перетворювачі. Більшість інтегральних мікросхем ЦАП відносяться до цього типу через складність одночасного отримання низької вартості, великої швидкості і правильності в одному приладі. Сегментований ЦАП, який об'єднує принцип кодування термометра для старших розрядів двійкового зважування для молодших компонентів. Таким чином досягається компроміс між точністю (з допомогою принципу кодування термометра) і кількістю резисторів або джерел струму (з використанням бінарного зважування). Глибоке пристрій з подвійним дією означає сегментацію 0 %, а конструкція з повним термометричним кодуванням — має 100 %. Більшість DACS, представлені в цьому списку, покладаються на постійне опорне напруга, щоб створити їх вихідне значення. В якості альтернативи примножує ЦАП приймає змінна вхідна напруга для їх перетворення. Це накладає додаткові конструктивні обмеження на смугу пропускання схеми реорганізації. Тепер зрозуміло, для чого потрібні цифро-аналогові перетворювачі різних видів.

Продуктивність

ЦАП дуже важливі для плідності системи. Найбільш значні характеристики цих пристроїв - це дозвіл, який створено для застосування цифро-аналогового перетворювача. Кількість можливих вихідних рівнів, які ЦАП призначені для відтворення, зазвичай вказується кількість бітів, які воно використовує, саме це є підставою два логарифма числа рівнів. Наприклад, 1-бітний ЦАП призначений для відтворення двох, тоді як 8-бітний створений для 256 схем. Додаток пов'язано з ефективним числом бітів, яке є виміром фактичного дозволу, досягнутого ЦАП. Дозвіл визначає глибину кольору в видеоприложениях і бітову частоту звуку в аудиоустройствах.

Максимальна частота

Вимірювання найбільшої швидкості, на якій схема ЦАП може працювати і при цьому виробляти правильний вихідний сигнал, визначає взаємозв'язок між ним і шириною смуги дискретизированного сигналу. Як зазначено вище, теорема відліків Найквіста – Шеннона пов'язує безперервні і дискретні сигнали і стверджує, що будь-який сигнал може бути відновлений з будь-якою точністю за своїм дискретним звітів.

Монотонність

Це поняття означає здатність аналогового виходу ЦАП переміщатися тільки в напрямку, в якому рухається цифровий вхід. Ця характеристика дуже важлива для ЦАП, використовуваних як низький джерело сигналу частоти.

Спільне гармонійне спотворення і шум (THD + N)

Вимірювання викривлень і сторонніх звуків, внесених ЦАП сигнал, виражається у відсотках від загальної потужності небажаних гармонійних спотворень і шуму, які супроводжують бажаний сигнал. Це дуже важлива характеристика для додатків ЦАП з динамічним і малим виходом.

Діапазон

Вимір різниці між найбільшим і найменшим сигналами, які ЦАП може відтворювати, виражене в децибелах зазвичай пов'язане з роздільною здатністю і рівнем шуму. Інші виміри, такі як спотворення фази і джиттер, також можуть бути дуже важливі для деяких додатків. В них є ті (наприклад, бездротова передача даних, композитне відео), які можуть навіть покладатися на точне отримання сигналів з фазовою регулюванням. Лінійна вибірка звуку PCM зазвичай працює на основі дозволу кожного біта, еквівалентного шести децибелам амплітуди (збільшення гучності або точності в два рази). Нелінійні кодування PCM (A-law /?-law, ADPCM, NICAM) намагаються поліпшити їх ефективні динамічні діапазони різними способами — логарифмічними розмірами кроку між рівнями вихідного звуку, представленими кожним бітом даних.

Класифікація цифро-аналогових перетворювачів

Класифікація за нелінійності поділяє їх на: Відмінна нелінійність, яка показує, наскільки два сусідніх кодових значення відхиляються від бездоганного кроку 1 LSB. Накопичена нелінійність показує, наскільки передачі ЦАП відхиляється від ідеальної. Тобто ідеальною характеристикою зазвичай є пряма лінія. INL показує, наскільки фактичне напруга при даному значенні коду відрізняється від цієї лінії в молодших бітах.

Посилення

В кінцевому підсумку шум обмежується тепловим гулом, створюваним пасивними компонентами, такими як резистори. Для аудиоприложений і при кімнатній температурі такий звук зазвичай складає трохи менше 1 мкВ (мікровольт) білого сигналу. Це обмежує продуктивність менше 20 біт навіть у 24-бітних ЦАП.

Продуктивність в частотній області

Динамічний діапазон без паразитів (SFDR) вказує в дБ відношення потужностей перетвореного основного сигналу і найбільшого небажаного викиду. Відношення шуму і спотворення (SNDR) вказує в дБ властивість потужностей перетвореного основного звуку до його сумі. Загальна злагоджене спотворення (THD) є складанням потужностей всіх HDi. Якщо максимальна помилка DNL менше 1 LSB, то цифро-аналоговий перетворювач гарантовано буде одноманітним. Однак багато монотонні інструменти можуть мати максимальне значення DNL більше 1 LSB. Продуктивність в тимчасовій області: Імпульсна зона глитча (енергія глюка). Невизначеність відповіді. Час нелінійності (ТНЛ).

Основні операції ЦАП

Аналого-цифровий перетворювач приймає точне число (найчастіше двійкове кількість з фіксованою комою) і перетворює його у фізичну величину (наприклад, напруга або тиск). ЦАП часто використовуються для реорганізації даних часових рядів кінцевої точності в безперервно змінюється фізичний сигнал. Ідеальний цифро-аналоговий перетворювач бере абстрактні числа з послідовності імпульсів, які потім обробляються з використанням форми інтерполяції для заповнення даних між сигналами. Звичайний цифро-аналоговий перетворювач поміщає числа в кусочно-постійну функцію, що складається з послідовності прямокутних значень, яка моделюється з утриманням нульового порядку. Перетворювач відновлює вихідні сигнали так, щоб його смуга пропускання відповідала певним вимогам. Цифрова вибірка супроводжується помилками квантування, які створюють шум низького рівня. Саме він додається до відновленого сигналу. Мінімальна амплітуда аналогового звуку, який може привести до зміни цифрового, називається найменшим значущим бітом (LSB). А помилка (округлення), що виникає між аналоговим і цифровим сигналами, називається похибкою квантування.