Nell'elettronica, il circuito DAC è una specie di sistema. È lei che converte il segnale digitale in analogico.
Ci sono diversi circuiti DAC. L'idoneità per una particolare applicazione è determinata da parametri di qualità tra cui risoluzione, frequenza di campionamento massima e altri.
La conversione da digitale ad analogico può degradare l'invio del segnale, quindi è necessario trovare uno strumento che presenti piccoli errori in termini di applicazione.
Applicazioni
I DAC sono in genere utilizzati nei lettori musicali per convertire flussi numerici di informazioni in segnali audio analogici. Sono utilizzati anche nei televisori e nei telefoni cellulari per convertire i dati video in segnali video, che sono collegati a driver dello schermo per visualizzare immagini monocromatiche o multicolori.
Sono queste due applicazioni che utilizzano circuiti DAC agli estremi opposti del compromesso tra densità e numero di pixel. L'audio è un tipo a bassa frequenza con alta risoluzione e il video è una variante ad alta frequenza con un'immagine da bassa a media.
A causa della complessità e della necessità di componenti accuratamente abbinati, tutti i DAC tranne i più specializzati sono implementati come circuiti integrati (CI). I collegamenti discreti sono in genere tipi estremamente veloci, a bassa risoluzione e a risparmio energetico utilizzati nei sistemi radar militari. Anche apparecchiature di test ad altissima velocità, in particolare oscilloscopi di campionamento, possono utilizzare DAC discreti.
Panoramica
L'uscita semicostante di un DAC convenzionale non filtrato è incorporata in quasi tutti i dispositivi e l'immagine iniziale o la larghezza di banda finale del progetto uniforma la risposta del tono in una curva continua.
Rispondendo alla domanda: "Cos'è un DAC?", vale la pena notare che questo componente converte un numero astratto di precisione finita (di solito una cifra binaria a virgola fissa) in un valore fisico (ad esempio, tensione o pressione). In particolare, la conversione D/A viene spesso utilizzata per modificare i dati delle serie temporali in un segnale fisico in continua evoluzione.
Il DAC ideale converte cifre astratte in un treno concettuale di impulsi, che vengono quindi elaborati da un filtro di ricostruzione, utilizzando una qualche forma di interpolazione per inserire i dati tra gli impulsi. Ordinarioun pratico convertitore digitale-analogico trasforma i numeri in una funzione costante a tratti composta da una sequenza di motivi rettangolari che vengono creati tenendo l'ordine zero. Inoltre, rispondendo alla domanda "Cos'è un DAC?" vale la pena notare altri metodi (ad esempio, basati sulla modulazione delta-sigma). Creano un'uscita modulata a densità di impulsi che può essere filtrata in modo simile per produrre un segnale che varia in modo uniforme.
Secondo il teorema di campionamento di Nyquist-Shannon, il DAC può ricostruire la vibrazione originale dai dati campionati, a condizione che la sua zona di penetrazione soddisfi determinati requisiti (ad esempio, un impulso in banda base con una densità di linea inferiore). Il campione digitale rappresenta l'errore di quantizzazione, che appare come rumore di basso livello nel segnale ricostruito.
Diagramma funzionale semplificato di uno strumento a 8 bit
Vale subito la pena notare che il modello più popolare è il convertitore digitale-analogico Real Cable NANO-DAC. Il DAC fa parte di una tecnologia avanzata che ha dato un contributo significativo alla rivoluzione digitale. Per illustrare, considera le tipiche telefonate interurbane.
La voce del chiamante viene convertita in un segnale elettrico analogico utilizzando un microfono, quindi questo impulso viene trasformato in un flusso digitale insieme al DAC. Successivamente, quest'ultimo viene suddiviso in pacchetti di rete, dove può essere inviato insieme ad altri dati digitali. E potrebbe non essere necessariamente audio.
Allora pacchettisono accettati a destinazione, ma ognuno di loro può intraprendere un percorso completamente diverso e non raggiungere nemmeno la destinazione nell'ordine corretto e all'ora corretta. I dati vocali digitali vengono quindi estratti dai pacchetti e assemblati in un flusso di dati comune. Il DAC lo converte in un segnale elettrico analogico che pilota un amplificatore audio (come il convertitore digitale-analogico Real Cable NANO-DAC). E lui, a sua volta, attiva l' altoparlante, che finalmente produce il suono necessario.
Audio
La maggior parte dei segnali acustici moderni sono memorizzati digitalmente (es. MP3 e CD). Per essere ascoltati attraverso gli altoparlanti, devono essere convertiti in un impulso simile. Quindi puoi trovare un convertitore digitale-analogico per TV, lettore CD, sistemi musicali digitali e schede audio per PC.
I DAC standalone dedicati possono essere trovati anche in sistemi Hi-Fi di alta qualità. In genere prendono l'uscita digitale di un lettore CD compatibile o di un veicolo dedicato e convertono il segnale in un'uscita analogica a livello di linea che può quindi essere immessa in un amplificatore per pilotare gli altoparlanti.
Convertitori D/A simili possono essere trovati in colonne digitali come altoparlanti USB e schede audio.
Nelle applicazioni Voice over IP, la sorgente deve essere prima digitalizzata per la trasmissione, quindi viene convertita tramite un ADC e quindi convertita in analogico utilizzando un DAC sula parte ricevente. Ad esempio, questo metodo viene utilizzato per alcuni convertitori da digitale ad analogico (TV).
Immagine
Il campionamento tende a operare su una scala complessivamente completamente diversa, a causa della risposta altamente non lineare sia dei tubi a raggi catodici (a cui è stata destinata la stragrande maggioranza della produzione video digitale) sia dell'occhio umano, utilizzando un curva gamma per fornire l'aspetto di livelli di luminosità distribuiti uniformemente sull'intera gamma dinamica del display. Da qui la necessità di utilizzare RAMDAC in applicazioni video per computer con una risoluzione del colore abbastanza profonda, in modo che non sia pratico creare un valore hardcoded nel DAC per ogni livello di uscita di ciascun canale (ad esempio, un Atari ST o Sega Genesis sarebbe sono necessari 24 di questi valori; una scheda video a 24 bit ne richiederebbe 768).
Data questa distorsione intrinseca, non è raro che un televisore o un videoproiettore dichiari in modo veritiero di avere un rapporto di contrasto lineare (la differenza tra i livelli di uscita più scuri e più luminosi) di 1.000:1 o più. Ciò equivale a 10 bit di fedeltà del suono, anche se può ricevere solo segnali con fedeltà a 8 bit e utilizzare un pannello LCD che visualizza solo sei o sette bit per canale. Le recensioni DAC vengono pubblicate su questa base.
I segnali video provenienti da una sorgente digitale come un computer devono essere convertiti in formato analogico se devono essere visualizzati su un monitor. Simile dal 2007gli ingressi sono stati utilizzati più frequentemente di quelli digitali, ma la situazione è cambiata poiché i display a schermo piatto con connessioni DVI o HDMI sono diventati più comuni. Tuttavia, un DAC video è integrato in qualsiasi lettore video digitale con le stesse uscite. Un convertitore audio digitale-analogico è solitamente integrato con una sorta di memoria (RAM) che contiene tabelle di riorganizzazione per la correzione gamma, il contrasto e la luminosità per creare un dispositivo chiamato RAMDAC.
Il dispositivo collegato in remoto al DAC è un potenziometro a controllo digitale utilizzato per captare il segnale.
Progettazione meccanica
Ad esempio, la macchina da scrivere IBM Selectric utilizza già un DAC non manuale per guidare la pallina.
Il circuito del convertitore digitale-analogico ha questo aspetto.
L'unità meccanica a bit singolo assume due posizioni: una quando è accesa, l' altra quando è spenta. Il movimento di più attuatori a bit singolo può essere combinato e pesato dal dispositivo senza esitazione per ottenere passi più precisi.
È la macchina da scrivere IBM Selectric che utilizza un tale sistema.
Principali tipi di convertitori da digitale ad analogico
- Modulatore a larghezza di impulso in cui una corrente o una tensione stabile viene commutata in un filtro analogico passa-basso con una durata determinata da un codice di ingresso digitale. Questo metodo viene spesso utilizzato per controllare la velocità del motore e attenuare le luci a LED.
- Convertitore audio da digitale ad analogico conil sovracampionamento o l'interpolazione dei DAC, come quelli che utilizzano la modulazione delta-sigma, utilizzano il metodo di variazione della densità degli impulsi. Velocità superiori a 100 ksample al secondo (ad es. 180 kHz) e risoluzione a 28 bit sono ottenibili con un dispositivo delta-sigma.
- Un elemento binario ponderato che contiene componenti elettriche separate per ogni bit DAC collegato al punto di somma. È lei che può sommare l'amplificatore operazionale. La forza attuale della sorgente è proporzionale al peso del bit a cui corrisponde. Pertanto, tutti i bit diversi da zero del codice vengono aggiunti al peso. Questo perché hanno la stessa fonte di tensione a loro disposizione. Questo è uno dei metodi di conversione più veloci, ma non è perfetto. Poiché c'è un problema: bassa fedeltà a causa dei grandi dati richiesti per ogni singola tensione o corrente. Tali componenti ad alta precisione sono costosi, quindi questo tipo di modello è solitamente limitato a una risoluzione di 8 bit o anche meno. Il resistore commutato ha lo scopo di convertitori da digitale ad analogico in sorgenti di rete parallele. Le singole istanze sono collegate all'elettricità sulla base di un ingresso digitale. Il principio di funzionamento di questo tipo di convertitore digitale-analogico risiede nella sorgente di corrente commutata del DAC, da cui vengono selezionati diversi tasti in base a un input numerico. Include una linea di condensatori sincrona. Questi singoli elementi sono collegati o scollegati tramite un apposito meccanismo (piedino) che si trova vicino a tutte le spine.
- Convertitori scala da digitale ad analogicotype, che è un elemento con ponderazione binaria. A sua volta, utilizza una struttura ripetitiva dei valori del resistore in cascata R e 2R. Ciò migliora la precisione grazie alla relativa facilità di fabbricazione dello stesso meccanismo nominale (o sorgenti di corrente).
- Avanzamento sequenziale o DAC ciclico che costruisce l'uscita uno per uno durante ogni passaggio. I singoli bit di un ingresso digitale vengono elaborati da tutti i connettori finché non viene preso in considerazione l'intero oggetto.
- Il termometro è un DAC codificato che contiene un uguale resistore o un segmento di sorgente di corrente per ogni possibile valore dell'uscita DAC. Un DAC con termometro a 8 bit avrà 255 elementi e un DAC con termometro a 16 bit avrà 65.535 parti. Questa è forse l'architettura DAC più veloce e precisa, ma a scapito di costi elevati. Con questo tipo di DAC sono stati raggiunti tassi di conversione di oltre un miliardo di campioni al secondo.
- DAC ibridi che utilizzano una combinazione dei metodi di cui sopra in un unico convertitore. La maggior parte dei circuiti integrati DAC sono di questo tipo a causa della difficoltà di ottenere basso costo, alta velocità e precisione in un unico dispositivo.
- DAC segmentato che combina il principio della codifica del termometro per le cifre più alte e la ponderazione binaria per i componenti inferiori. In questo modo si raggiunge un compromesso tra la precisione (usando il principio di codifica del termometro) e il numero di resistori o sorgenti di corrente (usando la ponderazione binaria). Dispositivo profondo con doppioazione significa che la segmentazione è dello 0% e il design con codifica termometrica completa ha il 100%.
La maggior parte dei DACS in questo elenco si basa su un riferimento di tensione costante per creare il proprio valore di uscita. In alternativa, il DAC moltiplicatore accetta la tensione di ingresso CA per convertirli. Ciò impone ulteriori vincoli di progettazione alla larghezza di banda dello schema di riorganizzazione. Ora è chiaro perché sono necessari convertitori da digitale ad analogico di vario tipo.
Prestazioni
I DAC sono molto importanti per le prestazioni del sistema. La caratteristica più significativa di questi dispositivi è la risoluzione che viene creata per l'uso di un convertitore digitale-analogico.
Il numero di possibili livelli di uscita che un DAC è progettato per riprodurre è solitamente indicato come il numero di bit che utilizza, che è il logaritmo in base due del numero di livelli. Ad esempio, un DAC a 1 bit è progettato per riprodurre due circuiti, mentre un DAC a 8 bit è progettato per riprodurre 256 circuiti. Il riempimento è correlato al numero effettivo di bit, che è una misura della risoluzione effettiva raggiunta dal DAC. La risoluzione determina la profondità del colore nelle applicazioni video e il bit rate audio nei dispositivi audio.
Frequenza massima
Misurare la massima velocità a cui un circuito DAC può funzionare e continuare a produrre l'uscita corretta determina la relazione tra esso e la larghezza di banda del segnale campionato. Come detto sopra, il teoremaI campioni di Nyquist-Shannon mettono in relazione segnali continui e discreti e affermano che qualsiasi segnale può essere ricostruito con qualsiasi precisione dai suoi record discreti.
Monotonicità
Questo concetto si riferisce alla capacità dell'uscita analogica del DAC di muoversi solo nella direzione in cui si muove l'ingresso digitale. Questa caratteristica è molto importante per i DAC usati come sorgente di segnale a bassa frequenza.
Distorsione armonica totale e rumore (THD + N)
Misurazione della distorsione e dei suoni estranei introdotti dal DAC nel segnale, espressa come percentuale della quantità totale di distorsione armonica e rumore indesiderato che accompagna il segnale desiderato. Questa è una caratteristica molto importante per le applicazioni DAC dinamiche e a basso output.
Gamma
Una misura della differenza tra i segnali più grandi e quelli più piccoli che un DAC può riprodurre, espressa in decibel, è solitamente correlata alla risoluzione e al livello di rumore.
Anche altre misurazioni come distorsione di fase e jitter possono essere molto importanti per alcune applicazioni. Ci sono quelli (ad es. trasmissione dati wireless, video composito) che possono anche fare affidamento sulla ricezione accurata di segnali regolati in fase.
Il campionamento audio PCM lineare funziona in genere su una risoluzione di ciascun bit equivalente a sei decibel di ampiezza (raddoppiando il volume o la precisione).
Le codifiche PCM non lineari (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) cercano di migliorare le loro gamme dinamiche effettive in vari modi -dimensioni del passo logaritmico tra i livelli audio in uscita rappresentati da ciascun bit di dati.
Classificazione dei convertitori da digitale ad analogico
La classificazione per non linearità li divide in:
- Non linearità distintiva, che mostra come due valori di codice vicini si discostino dal perfetto passo 1 LSB.
- La non linearità cumulativa indica fino a che punto la trasmissione DAC si discosta dall'ideale.
Quindi la caratteristica ideale è solitamente una linea retta. INL mostra quanto la tensione effettiva a un dato valore di codice differisce da questa riga nei bit meno significativi.
Aumenta
In definitiva il rumore è limitato dal ronzio termico generato da componenti passivi come i resistori. Per le applicazioni audio ea temperatura ambiente, questo è in genere poco meno di 1 µV (microvolt) di segnale bianco. Ciò limita le prestazioni a meno di 20 bit anche nei DAC a 24 bit.
Prestazioni nel dominio della frequenza
La gamma dinamica priva di spurie (SFDR) indica in dB il rapporto tra le potenze del segnale principale convertito e il massimo overshoot indesiderato.
Rapporto di distorsione del rumore (SNDR) indica in dB la proprietà di potenza del suono principale convertito nella sua somma.
La distorsione armonica totale (THD) è la somma delle potenze di tutti gli HDi.
Se l'errore DNL massimo è inferiore a 1 LSB, il convertitore digitale-analogico è garantitosarà uniforme. Tuttavia, molti strumenti monotoni possono avere un DNL massimo maggiore di 1 LSB.
Rendimento nel dominio del tempo:
- Zona impulsi glitch (energia glitch).
- Incertezza della risposta.
- Tempo di non linearità (TNL).
Operazioni di base DAC
Un convertitore analogico-digitale prende un numero esatto (il più delle volte un numero binario a virgola fissa) e lo converte in una grandezza fisica (come tensione o pressione). I DAC vengono spesso utilizzati per riorganizzare i dati di serie temporali di precisione finita in un segnale fisico in continua evoluzione.
Il convertitore D/A ideale prende numeri astratti da un treno di impulsi, che vengono quindi elaborati utilizzando una forma di interpolazione per inserire i dati tra i segnali. Un convertitore digitale-analogico convenzionale inserisce i numeri in una funzione costante a tratti costituita da una sequenza di valori rettangolari, modellata con mantenimento di ordine zero.
Il convertitore ripristina i segnali originali in modo che la sua larghezza di banda soddisfi determinati requisiti. Il campionamento digitale è accompagnato da errori di quantizzazione che creano un rumore di basso livello. È lui che viene aggiunto al segnale ripristinato. L'ampiezza minima di un suono analogico che può causare la modifica di un suono digitale è chiamata bit meno significativo (LSB). E l'errore (arrotondamento) che si verifica tra i segnali analogici e digitali,si chiama errore di quantizzazione.
