Цифро-аналоговый преобразователь - Digital-to-analog converter

Для блоков преобразователей цифрового телевидения см. Адаптер цифрового телевидения .
«D2A» перенаправляется сюда. О пикирующем бомбардировщике D2A см. Aichi D1A .

8-канальный цифро-аналоговый преобразователь Cirrus Logic CS4382, используемый в звуковой карте .

В электронике , A цифро-аналоговый преобразователь ( ЦАП , D / A , D2A , или Д-к-A ) представляет собой систему , которая преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал . Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполняет обратную функцию.

Существует несколько архитектур ЦАП ; 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 относится к низкочастотному типу с высоким разрешением, а видео ЦАП - к высокочастотному типу с низким и средним разрешением.

Из-за сложности и необходимости точно согласованных компонентов все ЦАП, кроме самых специализированных, реализованы в виде интегральных схем (ИС). Обычно они представляют собой микросхемы интегральных схем со смешанными сигналами металл-оксид-полупроводник (МОП), которые объединяют как аналоговые, так и цифровые схемы .

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

Обзор

Дискретный сигнал.

ЦАП преобразует абстрактное число конечной точности (обычно двоичное число с фиксированной точкой ) в физическую величину (например, напряжение или давление ). В частности, ЦАП часто используются для преобразования данных временных рядов конечной точности в постоянно изменяющийся физический сигнал .

Согласно теореме выборки Найквиста – Шеннона , ЦАП может восстановить исходный сигнал из дискретизированных данных при условии, что его полоса пропускания соответствует определенным требованиям (например, сигнал основной полосы частот с полосой пропускания меньше, чем частота Найквиста ). Цифровая выборка вносит ошибку квантования ( ошибку округления), 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 микрофоном в аналоговый электрический сигнал , затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой поток с помощью АЦП. Затем цифровой поток делится 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, приводит в действие громкоговоритель , который, наконец, производит звук.

Аудио

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

Большинство современных аудиосигналов хранятся в цифровой форме (например, MP3 и компакт-диски ), и для того, 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 .

Специализированные автономные ЦАП также можно найти в высококачественных Hi-Fi системах. Обычно они принимают цифровой выход совместимого проигрывателя компакт-дисков или выделенного транспортного средства (который по сути представляет собой проигрыватель компакт-дисков без внутреннего ЦАП) и преобразуют сигнал в аналоговый выход линейного уровня, который затем может подаваться в усилитель для управления динамиками.

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

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

видео

Видеосэмплирование, как правило, работает в совершенно другом масштабе благодаря сильно нелинейному отклику как электронно-лучевых трубок (для которых было предназначено подавляющее большинство работ по созданию цифрового видео), так и человеческого глаза, использующего «гамма-кривую» для обеспечения появление равномерно распределенных ступеней яркости по всему динамическому диапазону дисплея - отсюда необходимость использования RAMDAC в компьютерных видео приложениях с достаточно глубоким цветовым разрешением, чтобы создание жестко запрограммированного значения в ЦАП для каждого выходного уровня каждого канала было непрактичным (например, Atari ST или Sega Genesis потребует 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 быть 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, должны быть преобразованы 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 подключениями DVI и / или HDMI стали более распространенными. Однако видео-ЦАП встроен в любой цифровой видеоплеер с аналоговыми выходами. ЦАП обычно интегрирован с некоторой памятью ( ОЗУ ), которая содержит таблицы преобразования для гамма-коррекции , контрастности и яркости, чтобы создать устройство, называемое RAMDAC .

Устройство, которое имеет отдаленное отношение к ЦАП, представляет собой потенциометр с цифровым управлением , используемый для цифрового управления аналоговым сигналом.

Механический

Пишущая машинка IBM Selectric использует механический цифро-аналоговый преобразователь для управления своим печатным шариком.

Однобитовый механический привод принимает два положения: одно - когда включено, другое - когда выключено. Движение нескольких однобитовых исполнительных механизмов можно комбинировать и взвешивать с помощью механизма Whiffletree для получения более точных шагов. IBM Selectric Машинка использует такую систему.

Связь

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

Типы

Наиболее распространенные типы электронных ЦАП:

  • Широтно-импульсный модулятор , где стабильный ток или напряжение переключается в низкочастотный аналоговый фильтр с длительностью , определяемой с помощью цифрового входного кода. Этот метод часто используется для управления скоростью электродвигателя и затемнения светодиодных ламп .
  • ЦАП с передискретизацией или интерполирующие ЦАП, например, использующие дельта-сигма модуляцию , используют метод преобразования плотности импульсов с передискретизацией . С дельта-сигма ЦАП достигаются скорости более 100 тысяч выборок в секунду (например, 192 кГц) и разрешение 24 бита.
  • Двоично-взвешенный ЦАП, который содержит отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП, подключенного к точке суммирования, обычно к операционному усилителю . Каждый вход в суммировании имеет значения степени двойки с наибольшим током или напряжением в самом старшем разряде . 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 резисторный ЦАП содержит параллельную резисторную цепь. Отдельные резисторы включаются или отключаются в сети в зависимости от цифрового входа.
    • ЦАП с переключаемым источником тока , из которого выбираются различные источники тока в зависимости от цифрового входа.
    • Коммутируемый конденсаторный ЦАП содержит параллельную конденсаторную сеть. Отдельные конденсаторы подключаются или отключаются переключателями в зависимости от входа.
    • Лестница R-2R ЦАП , который представляет собой двоично-взвешенное ЦАП , который использует повторяющуюся каскадную структуру резистора значения R и 2R. Это улучшает точность из-за относительной простоты изготовления резисторов с одинаковым номиналом.
  • Последовательное приближение или циклический ЦАП, который последовательно строит выход в течение каждого цикла. Отдельные биты цифрового входа обрабатываются каждый цикл, пока не будет учтен весь вход.
  • Термометр-кодированный ЦАП, который содержит равный резистор или ток-источник сегмент 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 того, что требуется много компонентов, которые для практической реализации требуют процессов изготовления ИС с высокой плотностью .
  • Гибридные ЦАП, в которых используется комбинация вышеперечисленных методов в одном преобразователе. 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 кодирования термометром для наиболее значимых бит и принцип двоичного взвешивания для наименее значимых битов. Таким образом достигается компромисс между точностью (за счет использования принципа кодирования термометра) и количеством резисторов или источников тока (за счет использования принципа двоичного взвешивания). Полноценный двоично-взвешенный дизайн означает 0% сегментацию, дизайн с полной кодировкой термометра означает 100% сегментацию.
  • Большинство ЦАП, показанных в этом списке, полагаются на постоянное опорное напряжение или ток для создания своего выходного значения. В качестве альтернативы умножающий ЦАП принимает переменное входное напряжение или ток в качестве опорного значения преобразования. Это накладывает дополнительные конструктивные ограничения на полосу пропускания схемы преобразования.
  • Современные высокоскоростные ЦАП имеют чередующуюся архитектуру, 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.

Представление

Наиболее важные характеристики ЦАП:

разрешение
Число возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначен для воспроизведения. Обычно это указывается как количество используемых битов , которое является двоичным логарифмом количества уровней. Например , 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения 2 (2 1 уровня) в то время как 8-битовый ЦАП рассчитан на 256 (2 8 ) уровней. Разрешение связано с эффективным количеством битов, 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, на которой схема ЦАП может работать и при этом обеспечивать правильный выходной сигнал. Теорема Котельникова определяет связь между этим и полосой пропускания дискретизированного сигнала.
Монотонность
Способность аналогового выхода ЦАП перемещаться только в том направлении, в котором движется цифровой вход (т. Е. Если вход увеличивается, выход не падает до подтверждения правильного выхода). Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых в качестве низкого уровня. -частотный источник сигнала или как программируемый подстроечный элемент.
Общие гармонические искажения и шум (THD + N)
Измерение искажений и шума, вносимых ЦАП в сигнал. Он выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, сопровождающих полезный сигнал.
Динамический диапазон
Измерение разницы между наибольшим и наименьшим сигналами, которые ЦАП может воспроизвести, выраженное 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) могут даже полагаться на точное формирование сигналов с регулируемой фазой.

Нелинейное кодирование PCM (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 лучшего качества тихих сигналов.

Достоинства

  • Статическая производительность:
    • 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 заданном кодовом значении отличается от этой строки в младших разрядах (шаг 1 младший бит).
    • Ошибка прироста
    • 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.  
  • Производительность в частотной области
    • Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) указывает в дБ отношение между мощностями преобразованного основного сигнала и наибольшей нежелательной паразитной помехой.
    • Отношение сигнал-шум и искажение ( SINAD ) указывает в дБ отношение между мощностями преобразованного основного сигнала и суммой шума и генерируемых гармонических паразитов.
    • i-е гармоническое искажение (HDi) указывает мощность i-й гармоники преобразованного основного сигнала.
    • Полный коэффициент гармонических искажений (THD) - это сумма мощностей всех гармоник входного сигнала.
    • Если максимальная DNL составляет менее 1 младший бит, то D / A преобразователь гарантированно будет монотонной. Однако многие монотонные преобразователи могут иметь максимальное значение DNL больше 1 LSB.
  • Производительность во временной области:
    • Область импульса сбоя (энергия сбоя)

Смотрите также

  • I²S  - последовательный интерфейс для цифрового звука

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки