In de elektronica is het DAC-circuit een soort systeem. Zij is het die het digitale signaal omzet in analoog.
Er zijn verschillende DAC-circuits. De geschiktheid voor een bepaalde toepassing wordt bepaald door kwaliteitsstatistieken, waaronder resolutie, maximale samplefrequentie en andere.
Conversie van digitaal naar analoog kan het verzenden van het signaal verslechteren, dus het is noodzakelijk om een instrument te vinden met kleine fouten in termen van toepassing.
Toepassingen
DAC's worden doorgaans gebruikt in muziekspelers om numerieke informatiestromen om te zetten in analoge audiosignalen. Ze worden ook gebruikt in televisies en mobiele telefoons om respectievelijk videogegevens om te zetten in videosignalen, die zijn aangesloten op schermstuurprogramma's om monochromatische of meerkleurige afbeeldingen weer te geven.
Het zijn deze twee applicaties die DAC-circuits gebruiken aan tegenovergestelde uiteinden van het compromis tussen dichtheid en aantal pixels. Audio is een laagfrequent type met een hoge resolutie en video is een hoogfrequente variant met een laag tot gemiddeld beeld.
Vanwege de complexiteit en de behoefte aan zorgvuldig op elkaar afgestemde componenten, worden alle, behalve de meest gespecialiseerde DAC's, geïmplementeerd als geïntegreerde schakelingen (IC's). Discrete links zijn doorgaans extreem snelle, energiebesparende typen met een lage resolutie die worden gebruikt in militaire radarsystemen. Testapparatuur met zeer hoge snelheid, met name bemonsteringsoscilloscopen, kan ook discrete DAC's gebruiken.
Overzicht
De semi-constante output van een conventionele ongefilterde DAC is ingebouwd in bijna elk apparaat, en het initiële beeld of de uiteindelijke bandbreedte van het ontwerp verzacht de toonhoogterespons in een continue curve.
Bij het beantwoorden van de vraag: "Wat is een DAC?", is het vermeldenswaard dat dit onderdeel een abstract aantal eindige precisie (meestal een binair cijfer met een vast punt) omzet in een fysieke waarde (bijvoorbeeld spanning of druk). In het bijzonder wordt D/A-conversie vaak gebruikt om tijdreeksgegevens te veranderen in een continu veranderend fysiek signaal.
De ideale DAC zet abstracte cijfers om in een conceptuele reeks pulsen, die vervolgens worden verwerkt door een reconstructiefilter, met behulp van een vorm van interpolatie om de gegevens tussen pulsen in te vullen. Normaaleen praktische digitaal-naar-analoogomzetter verandert de getallen in een stuksgewijs constante functie die bestaat uit een reeks rechthoekige patronen die worden gecreëerd met de nulde orde. Ook het beantwoorden van de vraag: "Wat is een DAC?" het is vermeldenswaard andere methoden (bijvoorbeeld gebaseerd op delta-sigma-modulatie). Ze creëren een pulsdichtheidsgemoduleerde output die op dezelfde manier kan worden gefilterd om een soepel variërend signaal te produceren.
Volgens de bemonsteringsstelling van Nyquist-Shannon kan de DAC de oorspronkelijke trilling reconstrueren uit de bemonsterde gegevens, op voorwaarde dat de penetratiezone aan bepaalde vereisten voldoet (bijvoorbeeld een basisbandpuls met een lagere lijndichtheid). Het digitale monster vertegenwoordigt de kwantisatiefout, die verschijnt als ruis op laag niveau in het gereconstrueerde signaal.
Vereenvoudigd functiediagram van een 8-bits tool
Het is meteen de moeite waard om op te merken dat het meest populaire model de Real Cable NANO-DAC digitaal-naar-analoog-converter is. De DAC maakt deel uit van een geavanceerde technologie die een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de digitale revolutie. Overweeg om dit te illustreren typische interlokale telefoongesprekken.
De stem van de beller wordt omgezet in een analoog elektrisch signaal met behulp van een microfoon, en vervolgens wordt deze puls samen met de DAC omgezet in een digitale stroom. Daarna wordt de laatste opgedeeld in netwerkpakketten, waar deze samen met andere digitale gegevens kan worden verzonden. En het hoeft niet per se audio te zijn.
Dan pakkettenworden geaccepteerd op de bestemming, maar elk van hen kan een heel andere route nemen en de bestemming niet eens in de juiste volgorde en op het juiste moment bereiken. De digitale spraakgegevens worden vervolgens uit de pakketten gehaald en samengevoegd tot een gemeenschappelijke gegevensstroom. De DAC zet dit weer om in een analoog elektrisch signaal dat een audioversterker aanstuurt (zoals de Real Cable NANO-DAC digitaal-naar-analoogomzetter). En hij activeert op zijn beurt de luidspreker, die uiteindelijk het nodige geluid produceert.
Audio
De meeste moderne akoestische signalen worden digitaal opgeslagen (bijv. MP3 en CD). Om door de luidsprekers te worden gehoord, moeten ze worden omgezet in een soortgelijke impuls. U kunt dus een digitaal-naar-analoog-converter vinden voor tv, cd-speler, digitale muzieksystemen en pc-geluidskaarten.
Speciale stand-alone DAC's zijn ook te vinden in hifi-systemen van hoge kwaliteit. Ze nemen meestal de digitale uitgang van een compatibele cd-speler of een speciaal voertuig en zetten het signaal om in een analoge uitgang op lijnniveau die vervolgens naar een versterker kan worden gevoerd om luidsprekers aan te sturen.
Vergelijkbare D/A-converters zijn te vinden in digitale kolommen zoals USB-luidsprekers en geluidskaarten.
In Voice over IP-toepassingen moet de bron eerst worden gedigitaliseerd voor verzending, dus wordt deze geconverteerd via een ADC en vervolgens geconverteerd naar analoog met behulp van een DAC opde ontvangende partij. Deze methode wordt bijvoorbeeld gebruikt voor sommige digitaal-naar-analoogomzetters (TV).
Foto
Sampling heeft de neiging om in het algemeen op een heel andere schaal te werken, vanwege de zeer niet-lineaire respons van zowel kathodestraalbuizen (waar de overgrote meerderheid van de digitale videoproductie voor bestemd is) als het menselijk oog, met behulp van een gammacurve om het uiterlijk te geven van gelijkmatig verdeelde helderheidsstappen over het gehele dynamische bereik van het scherm. Vandaar de noodzaak om RAMDAC te gebruiken in computervideotoepassingen met een vrij diepe kleurresolutie, zodat het onpraktisch is om een hardgecodeerde waarde in de DAC te creëren voor elk uitgangsniveau van elk kanaal (bijvoorbeeld een Atari ST of Sega Genesis zou 24 van deze waarden nodig; een 24-bits videokaart zou 768 nodig hebben).
Gezien deze inherente vervorming is het niet ongebruikelijk dat een tv of videoprojector naar waarheid wordt vermeld met een lineaire contrastverhouding (het verschil tussen de donkerste en helderste uitvoerniveaus) van 1.000:1 of meer. Dit komt overeen met 10 bits geluidskwaliteit, zelfs als het alleen signalen met 8-bits getrouwheid kan ontvangen en een LCD-paneel gebruikt dat slechts zes of zeven bits per kanaal weergeeft. Op deze basis worden DAC-recensies gepubliceerd.
Videosignalen van een digitale bron zoals een computer moeten worden geconverteerd naar analoge vorm als ze op een monitor moeten worden weergegeven. Gelijkaardig sinds 2007ingangen werden vaker gebruikt dan digitale, maar dit is veranderd omdat flat-panelbeeldschermen met DVI- of HDMI-aansluitingen steeds gebruikelijker zijn geworden. Een video-DAC is echter ingebouwd in elke digitale videospeler met dezelfde uitgangen. Een digitaal-naar-analoog audio-omzetter is meestal geïntegreerd met een soort geheugen (RAM) dat reorganisatietabellen bevat voor gammacorrectie, contrast en helderheid om een armatuur te creëren met de naam RAMDAC.
Het apparaat dat op afstand is aangesloten op de DAC is een digitaal gestuurde potentiometer die wordt gebruikt om het signaal op te vangen.
Mechanisch ontwerp
De IBM Selectric-typemachine gebruikt bijvoorbeeld al een niet-handmatige DAC om de bal aan te drijven.
Digitaal-naar-analoog convertercircuit ziet er als volgt uit.
Single-bit mechanische aandrijving heeft twee standen: één wanneer ingeschakeld, de andere wanneer uitgeschakeld. De beweging van meerdere enkele bit-actuators kan zonder aarzeling door het apparaat worden gecombineerd en gewogen om nauwkeurigere stappen te verkrijgen.
Het is de IBM Selectric typemachine die zo'n systeem gebruikt.
Belangrijkste soorten digitaal-naar-analoog converters
- Pulsbreedtemodulator waarbij een stabiele stroom of spanning wordt geschakeld naar een analoog laagdoorlaatfilter met een duur die wordt bepaald door een digitale ingangscode. Deze methode wordt vaak gebruikt om de motorsnelheid te regelen en led-verlichting te dimmen.
- Digitaal naar analoog audio-omzetter metoverbemonstering of interpolerende DAC's, zoals die met behulp van delta-sigma-modulatie, gebruiken de pulsdichtheidsvariatiemethode. Snelheden van meer dan 100 ksample per seconde (bijv. 180 kHz) en een resolutie van 28 bits zijn haalbaar met een delta-sigma-apparaat.
- Een binair gewogen element dat afzonderlijke elektrische componenten bevat voor elke DAC-bit die is aangesloten op het sommatiepunt. Zij is het die de operationele versterker kan optellen. De stroomsterkte van de bron is evenredig met het gewicht van de bit waarmee deze overeenkomt. Dus alle niet-nul bits van de code worden opgeteld bij het gewicht. Dit komt omdat ze dezelfde spanningsbron tot hun beschikking hebben. Dit is een van de snelste conversiemethoden, maar het is niet perfect. Omdat er een probleem is: lage betrouwbaarheid vanwege de grote hoeveelheid gegevens die nodig zijn voor elke individuele spanning of stroom. Dergelijke zeer nauwkeurige componenten zijn duur, dus dit type model is meestal beperkt tot 8-bits resolutie of zelfs minder. De geschakelde weerstand heeft het doel van digitaal-naar-analoogomzetters in parallelle netwerkbronnen. Individuele exemplaren worden aangesloten op elektriciteit op basis van een digitale ingang. Het werkingsprincipe van dit type digitaal-naar-analoog-omzetter ligt in de geschakelde stroombron van de DAC, waaruit verschillende toetsen worden geselecteerd op basis van een numerieke invoer. Het bevat een synchrone condensatorlijn. Deze afzonderlijke elementen worden aangesloten of losgekoppeld met behulp van een speciaal mechanisme (voet) dat zich in de buurt van alle stekkers bevindt.
- Digitaal-naar-analoog trapconverterstype, dat een binair gewogen element is. Het gebruikt op zijn beurt een herhalende structuur van de gecascadeerde weerstandswaarden R en 2R. Dit verbetert de nauwkeurigheid vanwege het relatieve gemak van fabricage van hetzelfde nominale mechanisme (of stroombronnen).
- Sequentiële vooruitgang of cyclische DAC die de output één voor één opbouwt tijdens elke stap. Individuele bits van een digitale ingang worden door alle connectoren verwerkt totdat het hele object is verwerkt.
- Thermometer is een gecodeerde DAC die een gelijke weerstand of stroombronsegment bevat voor elke mogelijke waarde van de DAC-uitgang. Een 8-bit thermometer DAC heeft 255 elementen en een 16-bit thermometer DAC heeft 65.535 onderdelen. Dit is misschien wel de snelste en meest nauwkeurige DAC-architectuur, maar dat gaat ten koste van hoge kosten. Met dit type DAC zijn conversiepercentages van meer dan een miljard samples per seconde behaald.
- Hybride DAC's die een combinatie van de bovenstaande methoden in één converter gebruiken. De meeste DAC-IC's zijn van dit type vanwege de moeilijkheid om lage kosten, hoge snelheid en nauwkeurigheid in één apparaat te krijgen.
- Gesegmenteerde DAC die het principe van thermometercodering voor hogere cijfers en binaire weging voor lagere componenten combineert. Op deze manier wordt een compromis bereikt tussen nauwkeurigheid (met behulp van het thermometercoderingsprincipe) en het aantal weerstanden of stroombronnen (met behulp van binaire weging). Diep apparaat met dubbeleactie betekent dat de segmentatie 0% is en het ontwerp met volledige thermometrische codering 100%.
De meeste DACS op deze lijst vertrouwen op een constante spanningsreferentie om hun uitgangswaarde te creëren. Als alternatief accepteert de vermenigvuldigende DAC AC-ingangsspanning om ze om te zetten. Dit legt extra ontwerpbeperkingen op aan de bandbreedte van het reorganisatieschema. Nu is het duidelijk waarom digitaal-naar-analoog-converters van verschillende typen nodig zijn.
Prestaties
DAC's zijn erg belangrijk voor de systeemprestaties. De belangrijkste kenmerken van deze apparaten is de resolutie die wordt gecreëerd voor het gebruik van een digitaal-naar-analoogomzetter.
Het aantal mogelijke uitvoerniveaus dat een DAC moet afspelen, wordt meestal aangegeven als het aantal bits dat het gebruikt, wat de logaritme met grondtal twee is van het aantal niveaus. Een 1-bit DAC is bijvoorbeeld ontworpen om twee circuits af te spelen, terwijl een 8-bit DAC is ontworpen om 256 circuits af te spelen. De opvulling is gerelateerd aan het effectieve aantal bits, wat een maat is voor de daadwerkelijke resolutie die door de DAC wordt bereikt. Resolutie bepa alt de kleurdiepte in videotoepassingen en de audiobitsnelheid in audioapparaten.
Max. frequentie
Het meten van de hoogste snelheid waarmee een DAC-circuit kan werken en nog steeds de juiste output produceren, bepa alt de relatie tussen het circuit en de bandbreedte van het gesamplede signaal. Zoals hierboven vermeld, de stellingNyquist-Shannon-samples relateren continue en discrete signalen en beweren dat elk signaal met elke nauwkeurigheid kan worden gereconstrueerd uit zijn discrete records.
Eentonigheid
Dit concept verwijst naar het vermogen van de analoge uitgang van de DAC om alleen in de richting te bewegen waarin de digitale ingang beweegt. Deze eigenschap is erg belangrijk voor DAC's die worden gebruikt als een laagfrequente signaalbron.
Totale harmonische vervorming en ruis (THD + N)
Meting van vervorming en vreemde geluiden die door de DAC in het signaal worden geïntroduceerd, uitgedrukt als een percentage van de totale hoeveelheid ongewenste harmonische vervorming en ruis die het gewenste signaal vergezelt. Dit is een zeer belangrijke functie voor dynamische en lage output DAC-toepassingen.
Bereik
Een maat voor het verschil tussen de grootste en kleinste signalen die een DAC kan reproduceren, uitgedrukt in decibel, is meestal gerelateerd aan resolutie en ruisniveau.
Andere metingen zoals fasevervorming en jitter kunnen voor sommige toepassingen ook erg belangrijk zijn. Er zijn er (bijv. draadloze datatransmissie, composiet video) die zelfs kunnen vertrouwen op nauwkeurige ontvangst van fase-aangepaste signalen.
Lineaire PCM-audiosampling werkt doorgaans met een resolutie van elke bit die gelijk is aan zes decibel amplitude (verdubbeling van het volume of de nauwkeurigheid).
Niet-lineaire PCM-coderingen (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) proberen hun effectieve dynamische bereik op verschillende manieren te verbeteren -logaritmische stapgroottes tussen de output-audioniveaus die worden vertegenwoordigd door elk databit.
Classificatie van digitaal-naar-analoog converters
Classificatie door niet-lineariteit verdeelt ze in:
- Onderscheidende niet-lineariteit, die laat zien hoe twee aangrenzende codewaarden afwijken van de perfecte 1 LSB-stap.
- Cumulatieve niet-lineariteit geeft aan hoe ver de DAC-transmissie afwijkt van ideaal.
Dus het ideale kenmerk is meestal een rechte lijn. INL laat zien hoeveel de werkelijke spanning bij een gegeven codewaarde afwijkt van deze regel in de minst significante bits.
Boost
Uiteindelijk wordt ruis beperkt door thermische brom die wordt gegenereerd door passieve componenten zoals weerstanden. Voor audiotoepassingen en bij kamertemperatuur is dit typisch iets minder dan 1 µV (microvolt) wit signaal. Dit beperkt de prestaties tot minder dan 20 bits, zelfs in 24-bits DAC's.
Prestaties in het frequentiedomein
Spurious-free dynamic range (SFDR) geeft in dB de verhouding aan tussen de vermogens van het geconverteerde hoofdsignaal en de grootste ongewenste overshoot.
Noise Distortion Ratio (SNDR) geeft in dB de vermogenseigenschap aan van het geconverteerde hoofdgeluid tot zijn som.
Totale harmonische vervorming (THD) is de som van de krachten van alle HDi.
Als de maximale DNL-fout kleiner is dan 1 LSB, is de digitaal-naar-analoogomzetter gegarandeerduniform zal zijn. Veel monotone instrumenten kunnen echter een maximale DNL hebben die groter is dan 1 LSB.
Tijddomeinprestaties:
- Glitch-impulszone (glitch-energie).
- Onzekerheid van het antwoord.
- Niet-lineariteitstijd (TNL).
DAC-basisbewerkingen
Een analoog-naar-digitaalomzetter neemt een exact getal (meestal een binair getal met een vast punt) en zet dit om in een fysieke grootheid (zoals spanning of druk). DAC's worden vaak gebruikt om tijdreeksgegevens met eindige precisie te reorganiseren in een continu veranderend fysiek signaal.
De ideale D/A-converter ha alt abstracte getallen uit een reeks pulsen, die vervolgens worden verwerkt met behulp van een vorm van interpolatie om gegevens tussen signalen in te vullen. Een conventionele digitaal-naar-analoogomzetter zet de getallen in een stuksgewijs constante functie die bestaat uit een reeks rechthoekige waarden, die is gemodelleerd met nulde-orde hold.
De converter herstelt de originele signalen zodat de bandbreedte aan bepaalde eisen voldoet. Digitale bemonstering gaat gepaard met kwantiseringsfouten die een laag ruisniveau veroorzaken. Hij is het die wordt toegevoegd aan het herstelde signaal. De minimale amplitude van een analoog geluid die ervoor kan zorgen dat een digitaal geluid verandert, wordt de minst significante bit (LSB) genoemd. En de fout (afronding) die optreedt tussen de analoge en digitale signalen,wordt kwantiseringsfout genoemd.
