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.

Докладання

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

Саме ці дві програми використовують схеми ЦАП на протилежних кінцях компромісу між щільністю та кількістю пікселів. Аудіо-це низькочастотний тип з високою роздільною здатністю, а відео - високочастотний варіант з низьким і середнім зображенням.

Через складність і необхідність точно підібраних компонентів все, крім самих спеціалізованих ЦАП, реалізовані у вигляді інтегральних мікросхем (ІС). Дискретні зв`язки, як правило, є надзвичайно швидкодіючими енергозберігаючими типами з низькою роздільною здатністю, які використовуються у військових радіолокаційних системах. Дуже високошвидкісне випробувальне обладнання, особливо Осцилографи для вибірки, 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 зазначити, що даний компонент перетворює абстрактне число кінцевої точності (зазвичай двійкова цифра з фіксованою комою) у фізичну величину (наприклад, напругу або тиск). Зокрема, цифро-аналогове перетворення часто використовується для зміни даних часових рядів у постійно мінливий фізичний сигнал.

Ідеальний ЦАП перетворює абстрактні цифри в концептуальну послідовність імпульсів, які потім обробляються за допомогою фільтра реконструкції, використовуючи певну 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.

Згідно з теоремою відліків Найквіста-Шеннона, ЦАП може реконструювати вихідну вібрацію з вибіркових даних за умови, що його зона введення відповідає певним вимогам (наприклад, імпульс базової смуги 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 самої популярною моделлю є цифро-аналоговий перетворювач Real Cable NANO-DAC. ЦАП є частиною передової технології, яка зробила значний внесок у цифрову революцію. Для ілюстрації варто розглянути типові міжміські телефонні дзвінки.

Голос абонента перетворюється в Аналоговий електричний сигнал за допомогою мікрофона, а потім даний імпульс змінюється вже в цифровий потік разом з ЦАП. Слідом за тим останній розділяється на мережеві пакети, де він може бути відправлений разом з іншими цифровими даними. І це може бути необов`язково аудіо.

Потім пакети приймаються до місця призначення, але кожен з них може пройти зовсім інший маршрут і навіть не дістатися до місця призначення у правильному порядку та в потрібний час. Цифрові мовні дані потім витягуються з пакетів і збираються в потік спільних даних. ЦАП перетворює це назад в Аналоговий електричний сигнал, який приводить в дію аудіопідсилювач (наприклад, цифровий аналоговий перетворювач Real Cable NANO-DAC). А він, в свою чергу, активує гучномовець, який, нарешті, виробляє необхідний звук.

Аудіо

Більшість сучасних акустичних сигналів зберігаються в цифровому вигляді (наприклад, MP3 і 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 в високоякісних Hi-Fi системах. 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 колонках, таких як колонки USB, і в звукових картах.

У програмах, що використовують трансляцію голосу через IP, джерело спочатку потрібно оцифровувати для передачі, тому воно піддається перетворенню через АЦП, а потім перетворюється в Аналоговий за допомогою ЦАП на приймальній стороні. Наприклад, такий спосіб застосовується для деяких цифро-аналогових перетворювачів (телевізор).

Зображення

Семплювання має тенденцію працювати в зовсім іншому масштабі, в цілому, завдяки вкрай нелінійному відгуку як електронно-променевих трубок (для яких призначалася переважна більшість робіт по створенню 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 відеододатках 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).

З огляду на це вроджене спотворення, для телевізійного або відеопроектора нерідко правдиво заявляється, що лінійний коефіцієнт контрастності (різниця між найтемнішими і яскравими вихідними рівнями) становить 1 000: 1 або більше. Це еквівалентно 10 Бітам вірності звуку, навіть якщо він може тільки приймати сигнали з 8-бітної точністю і використовувати РК-панель, що відображає ледь лише шість або 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 подібні входи використовувались частіше, ніж цифрові, але це змінилося, оскільки плоскі дисплеї з підключеннями DVI або HDMI стали більш поширеними. Однак ЦАП для відео вбудований у будь-який цифровий відеоплеєр з однаковими виходами. Цифро-аналоговий перетворювач звуку зазвичай інтегрується з деякою пам`яттю (оперативною пам`яттю), яка містить таблиці реорганізації для гамма-корекції, контрастності та яскравості, щоб створити пристрій під назвою RAMDAC.

Пристрій, який віддалено пов`язаний з ЦАП, - це цифровий керований потенціометр, який використовується для захоплення сигналу.

Механічна конструкція

Наприклад, в друкарській машинці IBM Selectric вже використовується неручний ЦАП для управління кулькою.

Схема цифро-аналогового перетворювача виглядає так.

Однобітовий механічний привід приймає два положення: одне при включенні, інше при виключенні. Рух декількох однобітових виконавчих механізмів може бути об`єднано і зважено за допомогою пристрою без коливань для отримання більш точних кроків.

Саме друкарська машинка IBM Selectric використовує таку систему.

Основні типи цифро-аналогових перетворювачів

1. Широтно-імпульсний модулятор, де стабільний струм або напруга перемикається в низькочастотний аналоговий фільтр з тривалістю, що визначається за допомогою цифрового вхідного коду. Цей метод часто застосовується з метою управління швидкістю електродвигуна і затемнення світлодіодних ламп.
2. Цифро-аналоговий аудіо-перетворювач з надмірною дискретизацією або інтерполяційні ЦАП, наприклад, що використовують дельта-сигма-модуляцію, використовують метод змін щільності імпульсів. Швидкості понад 100 тисяч вибірок в секунду (наприклад, 180 кГц) і дозвіл 28 біт досяжні за допомогою пристрою з дельта-сигмою.
3. 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 ненульові 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 через великі дані, необхідних для кожного окремого напруги або струму. Такі високоточні компоненти дорогі, тому цей тип моделей, як правило, обмежений 8-бітовою роздільною здатністю або навіть меншою. 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.
4. Цифро-аналогові перетворювачі сходового типу, який являє собою бінарний-зважений елемент. Він, у свою чергу, використовує повторювану структуру каскадних значень резистора R і 2R. Це підвищує точність через відносну простоту виготовлення механізму з однаковим номіналом (або джерел струму).
5. Послідовний 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.
6. Термометр-кодований ЦАП, який містить рівний резистор або струм-джерело сегмент для кожного можливого значення виходу ЦАП. 8-розрядний ЦАП градусника буде розташовувати 255 елементами, а 16-заряджений ЦАП термометра матиме 65 535 частин. Це, мабуть, найшвидша і високоточна Архітектура ЦАП, але за рахунок високої вартості. Завдяки цьому типу ЦАП досягнуті швидкості перетворення більше одного мільярда вибірок в секунду.
7. 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.
8. Сегментований ЦАП, який об`єднує принцип кодування термометра для старших розрядів і двійкового зважування для молодших компонентів. Таким чином досягається компроміс між точністю (за допомогою принципу кодування термометра) і кількістю резисторів або джерел струму (з використанням бінарного зважування). Глибоке пристрій з подвійною дією означає сегментацію 0 %, а конструкція з повним термометричним кодуванням — має 100 %.

Більшість DACs, представлених у цьому списку, покладаються на постійну опорну напругу, щоб створити їх вихідне значення. Крім того, множник ЦАП приймає змінну вхідну напругу 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 система. Найбільш значні характеристики цих пристроїв-це дозвіл, яке створено для застосування цифро-аналогового перетворювача.

Кількість можливих вихідних рівнів, які ЦАП призначений для відтворення, зазвичай вказується як кількість бітів, які він використовує, саме це є основою два логарифми кількості рівнів. Наприклад, 1-бітний ЦАП призначений для відтворення двох, тоді як 8-бітний створений для 256 схем. Доповнення пов`язане з ефективним числом бітів, яке є вимірюванням фактичного дозволу, досягнутого ЦАП. Дозвіл визначає глибину кольору в відеододатках і бітову частоту звуку в аудіопристроях.

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 дискретизованого сигналу. Як зазначено вище, теорема про відлік Найквіста-Шеннона пов`язує безперервні та дискретні сигнали і стверджує, що будь-який сигнал може бути відновлений з будь-якою точністю у своїх дискретних звітах.

Монотонність

Це поняття означає здатність аналогового виходу ЦАП рухатися лише в напрямку, в якому рухається цифровий вхід. Ця характеристика дуже важлива для ЦАП, що використовуються як низьке джерело сигналу частоти.

Загальне гармонійне спотворення та шум (THD + N)

Вимірювання викривлень і сторонніх звуків, що вносяться ЦАП в 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

Вимірювання різниці між найбільшим і маленьким сигналами, які ЦАП може відтворювати, виражене в децибелах зазвичай пов`язане з дозволом і рівнем шуму.

Інші вимірювання, такі як спотворення фази та тремтіння, також можуть бути дуже важливими для деяких застосувань. У них є такі (наприклад, бездротова передача даних, композитне відео), які можуть навіть покладатися на точне отримання сигналів з фазовим регулюванням.

Лінійна вибірка звуку PCM зазвичай працює на основі роздільної здатності кожного біта, еквівалентного шести децибелам амплітуди (збільшення гучності або точності вдвічі).

Нелінійні кодування PCM (a-law / μ-law, ADPCM, NICAM) намагаються покращити їх ефективні динамічні діапазони різними способами - логарифмічними розмірами кроку між рівнями вихідного звуку, представленими кожним бітом даних.

Класифікація цифро-аналогових перетворювачів

Класифікація по нелінійності розділяє їх на:

1. Відмінна нелінійність, яка показує, наскільки два сусідні кодові значення відхиляються від бездоганного кроку 1 LSB.
2. Накопичена нелінійність показує, наскільки передачі ЦАП відхиляється від ідеальної.

Тобто ідеальною характеристикою зазвичай є пряма лінія. INL показує, наскільки фактична напруга при заданому значенні коду відрізняється від цієї лінії в нижчих бітах.

Посилення

Зрештою, шум обмежується тепловим гулом, створюваним пасивними компонентами, такими як резистори. Для аудіододаток і при кімнатній температурі такий звук зазвичай становить 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 дотик потужностей перетвореного основного сигналу і найбільшого небажаного викиду.

Відношення шуму і спотворення (SNDR) вказує в дБ властивість потужностей перетвореного основного звуку до його сумі.

Загальне злагоджене спотворення (THD) є складанням потужностей всіх HDi.

Якщо максимальна помилка DNL менше 1 LSB, то цифро-аналоговий перетворювач гарантовано буде одноманітним. Однак багато монотонних інструментів можуть мати максимальне значення DNL більше 1 LSB.

Продуктивність у часовій області:

1. Імпульсна зона глітча (енергія глюка).
2. Невизначеність відповіді.
3. Час нелінійності (ТНЛ).

Основні операції ЦАП

Аналого-цифровий перетворювач приймає точне число (найчастіше двійкове число з фіксованою комою) і перетворює його у фізичну величину (наприклад, напругу або тиск). ЦАП часто використовуються для реорганізації даних часових рядів кінцевої точності в постійно мінливий фізичний сигнал.

Ідеальний цифро-аналоговий перетворювач бере абстрактні числа з послідовності імпульсів, які потім обробляються за допомогою 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 призвести до зміни цифрового, називається найменшим значущим бітом (LSB). А помилка (округлення), що виникає між аналоговим і цифровим сигналами, називається похибкою квантування.