Существует несколько архитектур ЦАП ; пригодность ЦАП для конкретного применения определяется показателями качества , включая: разрешение , максимальную частоту дискретизации и др. Цифро-аналоговое преобразование может ухудшить сигнал, поэтому следует указать ЦАП, который имеет незначительные погрешности с точки зрения применения.
ЦАП обычно используются в музыкальных проигрывателях для преобразования цифровых потоков 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 компромисса частоты/разрешения. Аудио ЦАП — это низкочастотный тип с высоким разрешением, тогда как видео ЦАП — это высокочастотный тип с низким или средним разрешением.
Дискретные ЦАП (схемы, построенные из нескольких дискретных электронных компонентов вместо корпусированной ИС) обычно являются чрезвычайно высокоскоростными типами с низким разрешением, требующими большой мощности, как в военных радиолокационных системах. Очень высокоскоростное испытательное оборудование, особенно осциллографы выборки , также могут использовать дискретные ЦАП.
При условии, что полоса пропускания сигнала соответствует требованиям теоремы дискретизации Найквиста-Шеннона (т. е. сигнал основной полосы с полосой пропускания меньше частоты Найквиста ) и был дискретизирован с бесконечным разрешением, исходный сигнал теоретически может быть восстановлен из дискретизированных данных. Однако фильтрация АЦП не может полностью устранить все частоты выше частоты Найквиста, которые будут накладываться на диапазон частот основной полосы. И цифровой процесс дискретизации АЦП вносит некоторую ошибку квантования (ошибку округления), которая проявляется как низкоуровневый шум. Эти ошибки могут быть сохранены в рамках требований целевого приложения (например, в рамках ограниченного динамического диапазона человеческого слуха для аудиоприложений).
Приложения
Упрощенная функциональная схема 8-битного ЦАП
ЦАП и АЦП являются частью технологии , которая внесла большой вклад в цифровую революцию . Для иллюстрации рассмотрим типичный междугородный телефонный звонок. Голос звонящего преобразуется в аналоговый электрический сигнал с помощью микрофона , затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой поток с помощью АЦП. Затем цифровой поток разделяется на сетевые пакеты , по которым он может быть отправлен вместе с другими цифровыми данными , не обязательно аудио. Затем пакеты принимаются в пункте назначения, но каждый пакет может следовать совершенно другому маршруту и даже не может прибыть в пункт назначения в правильном временном порядке. Затем цифровые голосовые данные извлекаются из пакетов и собираются в цифровой поток данных. ЦАП преобразует его обратно в аналоговый электрический сигнал, который управляет аудиоусилителем , который, в свою очередь, управляет динамиком , который в конечном итоге воспроизводит звук.
Аудио
CD-плеер с верхней загрузкой (вверху) и внешний цифро-аналоговый преобразователь (внизу) от одной и той же компании.Внешний ЦАП 1990-х годов от Audio Alchemy, использовавшийся в качестве дополнения к CD-плеерам, имеющий ширину всего около 12 см и предназначенный для улучшения звучания старых или менее дорогих проигрывателей.
Специализированные автономные ЦАП также можно найти в системах hi-fi класса high-end . Обычно они берут цифровой выход совместимого CD-плеера или выделенного транспорта (который по сути является CD-плеером без внутреннего ЦАП) и преобразуют сигнал в аналоговый линейный выход, который затем может быть подан на усилитель для управления динамиками.
В приложениях передачи голоса по IP источник должен быть сначала оцифрован для передачи, поэтому он проходит преобразование с помощью АЦП, а затем восстанавливается в аналоговый вид с помощью ЦАП на стороне получателя.
Видео
Видеодискретизация, как правило, работает в совершенно ином масштабе из-за крайне нелинейного отклика как электронно-лучевых трубок (на которые была нацелена большая часть работы по созданию цифрового видео), так и человеческого глаза, использующего «гамма-кривую» для обеспечения видимости равномерно распределенных шагов яркости по всему динамическому диапазону дисплея — отсюда необходимость использования RAMDAC в компьютерных видеоприложениях с достаточно глубоким цветовым разрешением, чтобы сделать проектирование жестко закодированного значения в ЦАП для каждого выходного уровня каждого канала непрактичным (например, Atari ST или Sega Genesis потребовали бы 24 таких значения; 24-битной видеокарте потребовалось бы 768...). Учитывая это присущее искажение, не является необычным для телевизора или видеопроектора честно заявлять о линейном коэффициенте контрастности (разнице между самыми темными и самыми яркими выходными уровнями) 1000:1 или более, что эквивалентно 10 битам точности звука, даже если он может принимать только сигналы с 8-битной точностью и использовать ЖК-панель, которая представляет только 6 или 7 бит на канал.
Видеосигналы от цифрового источника, например компьютера, 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 соединениями DVI и/или HDMI стали более распространенными. [ необходима цитата ] Однако видеоЦАП встроен в любой цифровой видеоплеер с аналоговыми выходами. ЦАП обычно интегрирован с некоторой памятью ( RAM ), которая содержит таблицы преобразования для гамма-коррекции , контрастности и яркости, чтобы сделать устройство, называемое RAMDAC .
Цифровой потенциометр
Устройство, отдаленно связанное с ЦАП, — это потенциометр с цифровым управлением , используемый для цифрового управления аналоговым сигналом.
Механический
Пишущая машинка IBM Selectric использует механический цифро-аналоговый преобразователь для управления пишущим шариком.
Одноразрядный механический привод принимает два положения: одно при включении, другое при выключении. Движение нескольких одноразрядных приводов можно объединить и взвесить с помощью механизма whiffletree для получения более тонких шагов. Пишущая машинка IBM Selectric использует такую систему. [1]
Коммуникации
ЦАП широко используются в современных системах связи, позволяя генерировать сигналы передачи с цифровой конфигурацией. Высокоскоростные ЦАП используются для мобильной связи , а сверхскоростные ЦАП используются в оптических системах связи.
Типы
Наиболее распространенными типами электронных ЦАП являются: [2]
Передискретизирующие ЦАП или интерполирующие ЦАП, такие как те, которые используют дельта-сигма-модуляцию , используют метод преобразования плотности импульсов с передискретизацией . Аудио дельта-сигма ЦАП продаются с частотой дискретизации 384 кГц и заявленным разрешением 24 бита, хотя качество ниже из-за собственного шума (см. § Показатели качества). В некоторых бытовых электронных устройствах используется тип передискретизирующего ЦАП, называемый 1-битным ЦАП .
Двоично-взвешенный ЦАП, который содержит отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП, подключенного к точке суммирования, обычно операционному усилителю . Каждый вход в суммировании имеет вес степеней двойки с наибольшим током или напряжением в наиболее значимом бите . Это один из самых быстрых методов преобразования, но он страдает от низкой точности из-за высокой точности, требуемой для каждого отдельного напряжения или тока. [3]
ЦАП с переключаемым резистором содержит параллельную сеть резисторов. Отдельные резисторы включаются или выключаются в сети на основе цифрового входа.
ЦАП с коммутируемым источником тока , из которого на основе цифрового входа выбираются различные источники тока.ЦАП управления током - DAC1138KX
ЦАП с коммутируемым конденсатором содержит параллельную конденсаторную сеть. Отдельные конденсаторы подключаются или отключаются с помощью переключателей в зависимости от входа.
ЦАП лестничного типа R-2R , который представляет собой двоично-взвешенный ЦАП, использующий повторяющуюся каскадную структуру значений резисторов R и 2R. Это повышает точность за счет относительной простоты изготовления согласованных резисторов одинакового номинала.
Последовательное приближение или циклический ЦАП, [4] который последовательно формирует выход в течение каждого цикла. Отдельные биты цифрового входа обрабатываются в каждом цикле, пока весь вход не будет учтен.
Термометрически-кодированный ЦАП , который содержит равный резистор или сегмент источника тока для каждого возможного значения выхода ЦАП. 8-битный термометрический ЦАП будет иметь 255 сегментов, а 16-битный термометрический ЦАП будет иметь 65 535 сегментов. Это быстрая и высокоточная архитектура ЦАП, но за счет необходимости множества компонентов, которые для практической реализации требуют высокоплотных процессов IC . [ 5]
Гибридные ЦАП, которые используют комбинацию вышеперечисленных методов в одном преобразователе. Большинство интегральных схем ЦАП относятся к этому типу из-за сложности получения низкой стоимости, высокой скорости и высокой точности в одном устройстве.
Сегментированный ЦАП, который объединяет принцип термометрического кодирования для наиболее значимых битов и принцип двоичного взвешивания для наименее значимых битов. Таким образом, достигается компромисс между точностью (использованием принципа термометрического кодирования) и количеством резисторов или источников тока (использованием принципа двоичного взвешивания). Полностью двоично-взвешенная конструкция означает 0% сегментации, полностью термометрически-кодированная конструкция означает 100% сегментации.
Большинство ЦАП, показанных в этом списке, полагаются на постоянное опорное напряжение или ток для создания своего выходного значения. В качестве альтернативы, умножающий ЦАП [6] принимает переменное входное напряжение или ток в качестве опорного значения преобразования. Это накладывает дополнительные 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 объединенного ЦАП. [7] Объединение сигналов может выполняться как во временной области, так и в частотной области.
Производительность
Наиболее важными характеристиками ЦАП являются: [ необходима ссылка ]
Разрешение
Число возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначен для воспроизведения. Обычно это указывается как число используемых им бит , которое является двоичным логарифмом числа уровней. Например, 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения 2 (2 1 ) уровней, тогда как 8-битный ЦАП предназначен для 256 (2 8 ) уровней. Разрешение связано с эффективным числом бит , которое является мерой фактического разрешения, достигаемого ЦАП. Разрешение определяет глубину цвета в видеоприложениях и глубину звука в аудиоприложениях.
Максимальная скорость, с которой схема ЦАП может работать и при этом выдавать правильный выходной сигнал. Теорема выборки Найквиста-Шеннона определяет связь между этим и полосой пропускания дискретизированного сигнала.
Способность аналогового выхода ЦАП изменяться только в том направлении, в котором изменяется цифровой вход (т. е. если входной сигнал увеличивается, выходной сигнал не падает до подтверждения правильного выходного сигнала). Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых в качестве источника низкочастотного сигнала или в качестве цифрово-программируемого элемента подстройки. [ необходима цитата ]
Измерение искажений и шума, вносимых в сигнал ЦАП. Выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, сопровождающих полезный сигнал.
Измерение разницы между наибольшим и наименьшим сигналами, которые может воспроизвести ЦАП, выраженное в децибелах . Обычно это связано с разрешением и 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 зависеть от точного производства сигналов с корректировкой фазы.
Нелинейные кодировки PCM (A-law / μ-law, ADPCM, NICAM) пытаются улучшить свои эффективные динамические диапазоны, используя логарифмические размеры шагов между выходными сигналами, представленными каждым битом данных. Это позволяет жертвовать большим искажением квантования громких сигналов ради лучшей производительности тихих сигналов.
Достоинства
Статические характеристики:
Дифференциальная нелинейность (DNL) показывает, насколько два соседних аналоговых значения кода отклоняются от идеального шага в 1 LSB. [8]
Интегральная нелинейность (INL) показывает, насколько передаточная характеристика ЦАП отклоняется от идеальной. То есть идеальная характеристика обычно представляет собой прямую линию; INL показывает, насколько фактическое напряжение при заданном значении кода отличается от этой линии, в LSB (шаги 1 LSB). [8]
Ошибка усиления [8]
Ошибка смещения [8]
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 практически ограничивает разрешение до менее 20~21 бит, даже в 24-битных ЦАП.
Отношение сигнал/шум и искажения ( SINAD ) указывает в дБ отношение между мощностями преобразованного основного сигнала и суммой шума и сгенерированных гармонических составляющих [8]
i-е гармоническое искажение (HDi) указывает мощность i-й гармоники преобразованного основного сигнала.
Если максимальный DNL меньше 1 LSB, то ЦАП гарантированно будет монотонным. Однако многие монотонные преобразователи могут иметь максимальный DNL больше 1 LSB. [8]
Производительность во временной области:
Площадь импульса сбоя (энергия сбоя) [8]
Смотрите также
I²S – последовательный протокол связи для двухканального цифрового звука
Ссылки
^ Брайан Брумфилд (2014-09-02). "Selectric Repair 10-3A Input: Keyboard". Архивировано из оригинала 2015-12-29 – через YouTube.
Нджунче Тертуллиен, «Аналоговые интегральные схемы КМОП: высокоскоростная и энергоэффективная конструкция». ISBN 978-1-4398-5491-4 .
Внешние ссылки
"Глоссарий АЦП и ЦАП". Архивировано из оригинала 2009-12-13.
Умножающие ЦАП высокого разрешения обрабатывают сигналы переменного тока
Объяснение ЦАП лестничного типа R-2R с помощью принципиальных схем.
Динамическая оценка высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей с высоким разрешением. Описывает измерения HD, IMD и NPR, а также включает вывод шума квантования.
