Digital-till-analog omvandlare

8-kanals Cirrus Logic CS4382 digital-till-analog-omvandlare som används i ett ljudkort .

Inom elektronik är en digital-till-analog-omvandlare ( DAC , D/A , D2A eller D-till-A ) ett system som omvandlar en digital signal till en analog signal . En analog-till-digital-omvandlare (ADC) utför den omvända funktionen.

Det finns flera DAC- arkitekturer ; Lämpligheten av en DAC för en viss applikation bestäms av meriter inklusive: upplösning , maximal samplingsfrekvens och andra. Digital-till-analog konvertering kan försämra en signal, så en DAC bör specificeras som har obetydliga fel vad gäller applikationen.

DAC:er används vanligtvis i musikspelare för att konvertera digitala dataströmmar till analoga ljudsignaler . De används också i tv-apparater och mobiltelefoner för att konvertera digital videodata till analoga videosignaler . Dessa två applikationer använder DAC i motsatta ändar av frekvens/upplösningsavvägningen. Ljud-DAC är en lågfrekvent, högupplöst typ medan video-DAC är en högfrekvent låg- till medelupplöst typ.

På grund av komplexiteten och behovet av exakt matchade komponenter , implementeras alla utom de mest specialiserade DAC:erna som integrerade kretsar (IC). Dessa tar vanligtvis formen av metall-oxid-halvledare (MOS) integrerade kretschips med blandade signaler som integrerar både analoga och digitala kretsar .

Diskreta DAC:er (kretsar konstruerade av flera diskreta elektroniska komponenter istället för en förpackad IC) skulle typiskt vara extremt höghastighets lågupplösningskraftkrävande typer, som används i militära radarsystem . Testutrustning för mycket hög hastighet, särskilt provtagningsoscilloskop, kan också använda diskreta DAC.

Översikt

Samplad signal.

En DAC omvandlar ett abstrakt ändligt precisionstal (vanligtvis ett binärt tal med fast punkt ) till en fysisk storhet (t.ex. en spänning eller ett tryck ). I synnerhet används DAC ofta för att konvertera tidsseriedata med ändlig precision till en ständigt varierande fysisk signal .

Enligt Nyquist-Shannons samplingssats kan en DAC rekonstruera den ursprungliga signalen från samplade data förutsatt att dess bandbredd uppfyller vissa krav (t.ex. en basbandssignal med bandbredd mindre än Nyquist-frekvensen ). Digital sampling introducerar kvantiseringsfel (avrundningsfel) som visar sig som lågnivåbrus i den rekonstruerade signalen.

Ansökningar

Ett förenklat funktionsdiagram av en 8-bitars DAC

DAC:er och ADC:er är en del av en möjliggörande teknik som i hög grad har bidragit till den digitala revolutionen . För att illustrera, överväg ett typiskt långdistanssamtal. Uppringarens röst omvandlas till en analog elektrisk signal av en mikrofon , sedan omvandlas den analoga signalen till en digital ström av en ADC. Den digitala strömmen delas sedan upp i nätverkspaket där den kan skickas tillsammans med annan digital data , inte nödvändigtvis ljud. Paketen tas sedan emot på destinationen, men varje paket kan ta en helt annan väg och kanske inte ens anländer till destinationen i rätt tidsordning. Den digitala röstdatan extraheras sedan från paketen och sätts samman till en digital dataström. En DAC omvandlar tillbaka detta till en analog elektrisk signal, som driver en ljudförstärkare , som i sin tur driver en högtalare , som slutligen producerar ljud.

Audio

Toppmatad CD-spelare och extern digital-till-analog-omvandlare.

De flesta moderna ljudsignaler lagras i digital form (till exempel MP3- och CD-skivor ) och för att höras genom högtalare måste de omvandlas till en analog signal. DAC:er finns därför i CD-spelare , digitala musikspelare och PC- ljudkort .

Specialiserade fristående DAC:er kan också hittas i avancerade hi-fi- system. Dessa tar normalt den digitala utgången från en kompatibel CD-spelare eller dedikerad transport (som i princip är en CD-spelare utan intern DAC) och omvandlar signalen till en analog linjenivåutgång som sedan kan matas in i en förstärkare för att driva högtalare.

Liknande digital-till-analog-omvandlare finns i digitala högtalare som USB- högtalare och i ljudkort .

I röst över IP- applikationer måste källan först digitaliseras för överföring, så den genomgår konvertering via en ADC och rekonstrueras sedan till analog med en DAC i den mottagande partens ände.

Video

Videosampling tenderar att fungera i en helt annan skala tack vare den mycket olinjära responsen från både katodstrålerör (för vilket den stora majoriteten av digitalt videofundamentarbete var inriktat) och det mänskliga ögat, med hjälp av en "gammakurva" för att ge en uppkomsten av jämnt fördelade ljusstyrkesteg över skärmens hela dynamiska omfång - därav behovet av att använda RAMDAC:er i datorvideoapplikationer med tillräckligt djup färgupplösning för att göra konstruktionen av ett hårdkodat värde i DAC:n för varje utgångsnivå för varje kanal opraktiskt (t.ex. en Atari ST eller Sega Genesis skulle kräva 24 sådana värden; ett 24-bitars grafikkort skulle behöva 768...). Med tanke på denna inneboende förvrängning är det inte ovanligt att en tv- eller videoprojektor sanningsenligt hävdar ett linjärt kontrastförhållande (skillnaden mellan mörkaste och ljusaste utgångsnivåer) på 1000:1 eller mer, motsvarande 10 bitars ljudprecision även om det kanske bara acceptera signaler med 8-bitars precision och använd en LCD-panel som endast representerar 6 eller 7 bitar per kanal.

Videosignaler från en digital källa, till exempel en dator, måste konverteras till analog form om de ska visas på en analog bildskärm. Från och med 2007 användes analoga ingångar vanligare än digitala, men detta förändrades då platta bildskärmar med DVI- och/eller HDMI- anslutningar blev mer utbredda. ^{[ Redigering behövs ]} En video-DAC är dock inbyggd i alla digitala videospelare med analoga utgångar. DAC:n är vanligtvis integrerad med något minne ( RAM ), som innehåller konverteringstabeller för gammakorrigering , kontrast och ljusstyrka, för att göra en enhet som kallas en RAMDAC .

Digital potentiometer

En enhet som är avlägsen relaterad till DAC är den digitalt styrda potentiometern , som används för att styra en analog signal digitalt.

Mekanisk

IBM Selectric skrivmaskin använder en mekanisk digital-till-analog-omvandlare för att styra sin skrivkula.

Ett enbits mekaniskt ställdon antar två lägen: ett när det är på, ett annat när det är av. Rörelsen hos flera enbitars ställdon kan kombineras och viktas med en whiffletree- mekanism för att producera finare steg. IBM Selectric -skrivmaskinen använder ett sådant system.

Kommunikationer

DAC:er används i stor utsträckning i moderna kommunikationssystem som möjliggör generering av digitalt definierade överföringssignaler. Höghastighets-DAC:er används för mobil kommunikation och ultrahöghastighets-DAC:er används i optiska kommunikationssystem .

Typer

De vanligaste typerna av elektroniska DAC:er är:

Pulsbreddsmodulatorn där en stabil ström eller spänning kopplas om till ett analogt lågpassfilter med en varaktighet som bestäms av den digitala ingångskoden. Denna teknik används ofta för styrning av elmotorns varvtal och dämpning av LED-lampor .
Översampling av DAC:er eller interpolerande DAC:er såsom de som använder delta-sigmamodulering , använder en pulsdensitetsomvandlingsteknik med översampling . Hastigheter på mer än 100 tusen sampel per sekund (till exempel 192 kHz) och upplösningar på 24 bitar kan uppnås med delta-sigma DAC.
Den binärt vägda DAC:n, som innehåller individuella elektriska komponenter för varje bit av DAC:n ansluten till en summeringspunkt, vanligtvis en operationsförstärkare . Varje ingång i summeringen har tvåpotens viktning med mest ström eller spänning vid den mest signifikanta biten . Detta är en av de snabbaste omvandlingsmetoderna men lider av dålig noggrannhet på grund av den höga precision som krävs för varje enskild spänning eller ström.
- Switchat motstånd DAC innehåller ett parallellt motståndsnätverk. Individuella motstånd är aktiverade eller förbikopplade i nätverket baserat på den digitala ingången.
- Switchad strömkälla DAC, från vilken olika strömkällor väljs baserat på den digitala ingången.
- Switchad kondensator DAC innehåller ett parallellt kondensatornätverk. Individuella kondensatorer ansluts eller kopplas bort med omkopplare baserat på ingången.
- R -2R-stege- DAC som är en binärviktad DAC som använder en repeterande kaskadstruktur med resistorvärden R och 2R. Detta förbättrar precisionen på grund av den relativa lättheten att producera lika värdefulla matchade motstånd.
Den successiva approximationen eller cykliska DAC, som successivt konstruerar utsignalen under varje cykel. Individuella bitar av den digitala ingången bearbetas varje cykel tills hela ingången tas med i beräkningen.
Den termometerkodade DAC:n, som innehåller ett lika stort motstånd eller strömkällasegment för varje möjligt värde på DAC-utgången. En 8-bitars termometer DAC skulle ha 255 segment och en 16-bitars termometer DAC skulle ha 65 535 segment. Detta är en snabb DAC-arkitektur med högsta precision men på bekostnad av att kräva många komponenter som, för praktiska implementeringar, kräver IC-processer med hög densitet .
Hybrid-DAC, som använder en kombination av ovanstående tekniker i en enda omvandlare. De flesta integrerade DAC-kretsar är av denna typ på grund av svårigheten att få låg kostnad, hög hastighet och hög precision i en enhet.
- Den segmenterade DAC, som kombinerar den termometerkodade principen för de mest signifikanta bitarna och den binärt vägda principen för de minst signifikanta bitarna. På så sätt erhålls en kompromiss mellan precision (genom att använda den termometerkodade principen) och antalet motstånd eller strömkällor (genom att använda den binärt vägda principen). Den fullständiga binärviktade designen betyder 0 % segmentering, den fullständiga termometerkodade designen betyder 100 % segmentering.
De flesta DAC:er som visas i den här listan förlitar sig på en konstant referensspänning eller -ström för att skapa sitt utvärde. Alternativt tar en multiplicerande DAC en variabel inspänning eller ström som en omvandlingsreferens. Detta sätter ytterligare designbegränsningar på omvandlingskretsens bandbredd.
Moderna höghastighets-DAC:er har en interfolierad arkitektur, där flera DAC-kärnor används parallellt. Deras utsignaler kombineras i den analoga domänen för att förbättra prestandan hos den kombinerade DAC:n. Kombinationen av signalerna kan utföras antingen i tidsdomänen eller i frekvensdomänen.

Prestanda

De viktigaste egenskaperna hos en DAC är: ^{[ citat behövs ]}

Upplösning: Antalet möjliga utgångsnivåer som DAC är utformad för att återge. Detta anges vanligtvis som antalet bitar det använder, vilket är den binära logaritmen för antalet nivåer. Till exempel är en 1-bitars DAC utformad för att reproducera 2 (2 ¹ ) nivåer medan en 8-bitars DAC är utformad för 256 (2 ⁸ ) nivåer. Upplösning är relaterad till det effektiva antalet bitar som är ett mått på den faktiska upplösningen som uppnås av DAC. Upplösningen bestämmer färgdjupet i videoapplikationer och ljudbitdjupet i ljudapplikationer.
Maximal samplingshastighet: Den maximala hastigheten med vilken DAC:s kretsar kan fungera och fortfarande producera korrekt utsignal. Nyquist –Shannons samplingssats definierar ett samband mellan detta och den samplade signalens bandbredd .
Monotonicitet: Förmågan hos en DAC:s analoga utgång att röra sig endast i den riktning som den digitala ingången rör sig (dvs. om ingången ökar, sjunker inte utgången innan den bekräftar korrekt utgång.) Denna egenskap är mycket viktig för DAC:er som används som en lågfrekvent signalkälla eller som ett digitalt programmerbart trimelement. ^{[ citat behövs ]}
Total harmonisk distorsion och brus (THD+N): Ett mått på distorsion och brus som introduceras till signalen av DAC. Det uttrycks som en procentandel av den totala effekten av oönskad harmonisk distorsion och brus som åtföljer den önskade signalen.
Dynamiskt omfång: Ett mått på skillnaden mellan de största och minsta signalerna som DAC:n kan återge uttryckt i decibel . Detta är vanligtvis relaterat till upplösning och brusgolv .

Andra mätningar, såsom fasförvrängning och jitter , kan också vara mycket viktiga för vissa applikationer, av vilka vissa (t.ex. trådlös dataöverföring, kompositvideo) till och med kan förlita sig på exakt produktion av fasjusterade signaler.

Icke-linjära PCM-kodningar (A-lag / μ-lag, ADPCM, NICAM) försöker förbättra sina effektiva dynamiska intervall genom att använda logaritmiska stegstorlekar mellan utsignalstyrkorna som representeras av varje databit. Detta utbyter större kvantiseringsdistorsion av höga signaler för bättre prestanda för tysta signaler.

Förtjänstsiffror

Statisk prestanda:
- Differentiell olinjäritet (DNL) visar hur mycket två angränsande kodanalogvärden avviker från det ideala 1 LSB-steget.
- Integral olinjäritet (INL) visar hur mycket DAC-överföringskarakteristiken avviker från en idealisk. Det vill säga, den ideala egenskapen är vanligtvis en rak linje; INL visar hur mycket den faktiska spänningen vid ett givet kodvärde skiljer sig från den linjen, i LSB:er (1 LSB-steg).
- Förstärkningsfel
- Offset fel
- Buller begränsas i slutändan av det termiska bruset som genereras av passiva komponenter såsom resistorer. För ljudapplikationer och i rumstemperaturer är sådant brus vanligtvis lite mindre än 1 μV (mikrovolt) vitt brus . Detta begränsar prestandan till mindre än 20~21 bitar även i 24-bitars DAC.
Frekvensdomänprestanda
- Spurious-free dynamic range (SFDR) indikerar i dB förhållandet mellan effekterna av den konverterade huvudsignalen och den största oönskade sporren.
- Signal-till-brus och distorsion ( SINAD ) anger i dB förhållandet mellan styrkorna för den konverterade huvudsignalen och summan av bruset och de genererade övertonssporerna
- i:te övertonsförvrängning (HDi) indikerar effekten av den i:te övertonen för den konverterade huvudsignalen
- Total harmonisk distorsion (THD) är summan av effekterna av alla övertoner i insignalen
- Om den maximala DNL är mindre än 1 LSB, är D/A -omvandlaren garanterat monoton. Men många monotonomvandlare kan ha en maximal DNL större än 1 LSB.
Tidsdomänprestanda:
- Glitchimpulsområde (glitchenergi)

Se även

I²S – Seriellt gränssnitt för digitalt ljud

Vidare läsning

Kester, Walt (2005), The Data Conversion Handbook , ISBN 0-7506-7841-0
S. Norsworthy, Richard Schreier, Gabor C. Temes, Delta-Sigma Data Converters . ISBN 0-7803-1045-4 .
Mingliang Liu, Avmystifiering av switchade kondensatorkretsar . ISBN 0-7506-7907-7 .
Behzad Razavi , principer för systemdesign för datakonvertering . ISBN 0-7803-1093-4 .
Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design . ISBN 0-19-511644-5 .
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, operationsförstärkare och linjära integrerade kretsar . ISBN 0-13-014991-8 .
A Anand Kumar, Fundamentals of Digital Circuits . ISBN 81-203-1745-9 , ISBN 978-81-203-1745-1 .
Ndjountche Tertulien, "CMOS Analog Integrated Circuits: High-Speed and Power-Efficient Design". ISBN 978-1-4398-5491-4 .

externa länkar

"ADC- och DAC-ordlista" . Arkiverad från originalet 2009-12-13.
Högupplösta multiplicerande DAC:er hanterar AC-signaler
R-2R Ladder DAC förklaras med kretsscheman.
Dynamisk utvärdering av höghastighets-, högupplösta D/A-omvandlare beskriver HD-, IMD- och NPR-mätningar, inkluderar också en härledning av kvantiseringsbrus