D/A převodník
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 20. září 2021; kontroly vyžadují 5 úprav .Digitálně-analogový převodník ( DAC ) je zařízení pro převod digitálního (obvykle binárního) kódu na analogový signál ( proud , napětí nebo náboj ). D/A převodníky jsou rozhraním mezi diskrétním digitálním světem a analogovými signály. Moderní DAC jsou vytvářeny pomocí polovodičových technologií ve formě integrovaného obvodu .
Analogově-digitální převodník (ADC) provádí obrácenou operaci.
Aplikace
DAC se vždy používá v telekomunikačních systémech a řídicích systémech. Například:
- V systémech přehrávání zvuku ;
- Na displejích ;
- Tvorba informačního signálu pro směšovače a řízené generátory;
- V systémech řízení motoru;
- V systémech přímé digitální syntézy (DDS - Direct Digital Synthesizer);
Charakteristika
Následující charakteristiky se obecně používají k popisu digitálně-analogových převodníků.
Obecné
- Bitová hloubka . Určuje počet úrovní analogových signálů, které může DAC vydávat. Pro N bit DAC je počet úrovní analogového signálu 2 N (včetně hodnoty pro kód nula);
- napájecí napětí;
Statické vlastnosti:
- Statická převodní charakteristika je závislost hodnoty výstupního signálu DAC na hodnotě vstupního kódu;
- Statická nelinearita. K popisu statické nelinearity se používají dvě veličiny: diferenciální nelinearita (DNL) a integrální nelinearita (INL);
- Monotónnost . Jedna z nejdůležitějších charakteristik DAC, která naznačuje, že jak se kód zvyšuje, hodnota analogového signálu se také zvyšuje. Jednotná architektura zaručuje monotónnost. U binární architektury není zaručena monotónnost;
- Posun nuly;
- Chyba zisku;
Dynamické vlastnosti:
- výkon. Definováno jako maximální frekvence, se kterou můžete změnit kód na vstupu DAC, zatímco na jeho výstupu získáte správný výsledek. Měří se ve "vzorcích / s" nebo v hertzech. Může být označován jako vzorkovací frekvence nebo maximální rychlost změny vstupního kódu;
- SNR (poměr signálu k šumu). Je uvažován jako poměr výkonu obnoveného harmonického signálu k součtu výkonů všech ostatních harmonických ve spektru výstupního signálu, kromě násobků, a je vyjádřen v decibelech;
- SFDR (Spurious Free Dynamic Range). Je uvažován jako poměr amplitudy obnoveného harmonického signálu k amplitudě největší harmonické ve spektru výstupního signálu, rovněž vyjádřený v decibelech. Tato charakteristika se také nazývá „dynamická linearita“.
- Spotřeba energie;
Sériové DAC
V sériových DAC se vstupní kód bit po bitu převádí na analogový signál. Současně je stejný obvod použit pro převod všech číslic, což značně zjednodušuje zařízení, nicméně rychlost převodu v takovém je nepřímo úměrná bitové hloubce. Nezaměňujte metodu převodu a vstupní rozhraní zařízení: vstupní kód lze přivádět na vstup sériového DAC sériově i paralelně. Sériové DAC zahrnují následující typy:
- Pulsně šířkový modulátor je nejjednodušším typem DAC. Stabilní zdroj proudu nebo napětí je periodicky zapínán po dobu úměrnou převedenému digitálnímu kódu, poté je výsledná sekvence pulzů filtrována analogovým dolním filtrem . Tato metoda se často používá k řízení rychlosti elektromotorů a stává se populární i v hi-fi audio technice;
- Cyklický DAC (cyklický DAC);
- Pipeline DAC (potrubní DAC);
Audio DAC obvykle přijímá digitální signál v pulzně kódové modulaci ( PCM, pulse-code modulation ) . Úlohu převodu různých komprimovaných formátů do PCM zajišťují příslušné kodeky .
Paralelní DAC
Architektury
Architektura DAC je způsob generování výstupního signálu na funkční úrovni. Jinými slovy jde o popis součtu, kterých čísel se bude rozkládat hodnota výstupního signálu. Výstupní signál je tvořen váhovými prvky, z nichž každý je zodpovědný za svou "část" výstupního analogového signálu. Sadou hodnot vážících prvků se vyznačují následující architektury:
- Binární architektura;
Poměr dvou sousedních vážících prvků je 2. To znamená, že výstupní signál je tvořen stejným způsobem jako v binární číselné soustavě . V souladu s tím se váhy prvků, které tvoří výstupní signál, v normalizovaném tvaru budou rovnat 1, 2, 4, 8, 16 atd. Váhové prvky jsou řízeny binárním kódem.
- unární architektura;
Poměr dvou sousedních vážicích prvků je 1. To znamená, že výstupní signál je tvořen stejným způsobem jako v unární číselné soustavě . V souladu s tím jsou váhy všech prvků v normalizovaném tvaru rovny 1. Řízení se provádí unárním nebo unitárním kódem .
- Fibonacciho architektura;
Váhy prvků jsou posloupností Fibonacciho čísel . Výstupní signál je tvořen stejným způsobem jako ve Fibonacciho číselném systému .
Kromě toho existuje koncept segmentové architektury , který zahrnuje rozdělení vstupního kódu do několika skupin. Obvykle dva. Každá skupina je zpracována nezávisle svým segmentem. Výstupy všech segmentů jsou spojeny a tvoří výstup DAC. Nejběžnější konfigurace segmentové architektury je následující: nízké bity jsou zpracovávány segmentem postaveným na binární architektuře, vysoké bity jsou zpracovávány segmentem postaveným na unární architektuře.
Druhy vážících prvků a způsoby formování závaží
Digitálně-analogové převodníky, bez ohledu na architekturu, mohou jako prvek vážení analogového signálu používat následující typy komponent: kondenzátory, rezistory a zdroje proudu.
- Kondenzátory. Tento typ váhových prvků, pokud je použit v binární architektuře, může mít buď hodnocení, které se liší od sousedních prvků 2krát, nebo mít hodnocení 1 a 2 a tvoří žebříkový řetězec C -2 C .
- Rezistory. Tento typ vážících prvků má stejné konstrukční principy jako kondenzátory. Kromě toho existují implementace takových struktur založených nikoli na rezistorech, ale na tranzistorech fungujících jako rezistory. Takové řetězce se nazývají M -2 M .
- Aktuální zdroje. To je obvykle tranzistor v saturačním režimu. Použití těchto typů vážících prvků eliminuje potřebu nárazníků, které jsou vyžadovány pro jiné typy vážících prvků.
Pro vytvoření hmotnosti vážícího prvku existují následující metody:
- Měřítko nominální hodnoty. Použitelné pro všechny typy vážících prvků. Z hlediska polovodičové technologie je to vždy ekvivalentní škálování rozměrů prvků;
- Použití žebříkové konstrukce. Platí pouze pro kapacitní a odporové vážicí prvky. V závislosti na typu vážícího prvku se takové struktury nazývají R -2 R , C -2 C nebo M -2 M (místo rezistorů se používají tranzistory);
- Změna předpětí. Platí pouze pro aktuální zdroje. Ke změně předpětí může dojít jak pomocí laditelného obvodu pro generování předpětí, tak pomocí vstřikování náboje na plovoucí hradlo. Ten je použitelný pouze pro speciální technologie, které zajišťují vytvoření plovoucího hradla na tranzistoru. Zpravidla se jedná o technologie určené pro výrobu energeticky nezávislých pamětí.
Struktury odporových a kapacitních paralelních DAC
Binární- Váhový typ DAC , ve kterém každý bit převedeného binárního kódu odpovídá rezistoru nebo zdroji proudu připojenému ke společnému součtovému bodu. Proudová síla zdroje (vodivost rezistoru) je úměrná hmotnosti bitu, kterému odpovídá. K váze se tedy přičtou všechny nenulové bity kódu. Metoda vážení je jednou z nejrychlejších, ale vyznačuje se nízkou přesností kvůli potřebě sady mnoha různých přesných zdrojů nebo rezistorů a nekonstantní impedance . Z tohoto důvodu jsou váhové DAC omezeny na osm bitů;
- Žebříkový typ DAC ( řetězový obvod R-2R ). V DAC R-2R jsou hodnoty vytvářeny ve speciálním obvodu sestávajícím z rezistorů s odpory R a 2R , nazývaného matice konstantní impedance , která má dva typy zahrnutí: stejnosměrná matice a matice inverzního napětí . Použití stejných rezistorů může výrazně zlepšit přesnost ve srovnání s konvenčním váhovým DAC převodníkem, protože je relativně snadné vyrobit sadu přesných prvků se stejnými parametry. DAC typ R-2R vám umožní posunout limity bitové kapacity. S laserovým ořezáváním filmových rezistorů umístěných na stejném substrátu hybridního mikroobvodu je dosaženo přesnosti 20-22 bitů. Většinu času převodu stráví operační zesilovač, proto musí mít maximální výkon. Rychlost DAC je jednotky mikrosekund a nižší (tj. nanosekundy). V ternárních DAC se matice konstantní impedance skládá z rezistorů 3R-4R s terminátorem 2R [1] .
- DAC založený na odporovém vedení .
Oversampling DAC (delta-sigma DAC)
Převzorkovací DAC , jako jsou delta-sigma DAC, jsou založeny na proměnné hustotě pulzů. Oversampling umožňuje použít DAC s nižší bitovou hloubkou pro dosažení větší bitové hloubky konečného převodu; často je delta-sigma DAC postaven kolem nejjednoduššího jednobitového DAC, který je téměř lineární. DAC s malým bitem přijímá pulzní signál s modulovanou hustotou pulzu (s konstantní dobou trvání pulzu, ale s proměnným pracovním cyklem ), vytvořený pomocí záporné zpětné vazby . Negativní zpětná vazba funguje jako horní propust pro kvantizační šum .
Většina velkých DAC (více než 16 bitů) je postavena na tomto principu kvůli jeho vysoké linearitě a nízké ceně. Rychlost delta-sigma DAC dosahuje stovek tisíc vzorků za sekundu, bitová hloubka je až 24 bitů. Pro generování signálu s modulovanou hustotou pulzů lze použít jednoduchý delta-sigma modulátor prvního řádu nebo vyššího řádu jako MASH ( anglicky Multi stage noise SHaping ). S rostoucí frekvencí převzorkování se uvolňují požadavky na výstupní dolní propust a zlepšuje se potlačení kvantizačního šumu;
Viz také
Poznámky
- ↑ Trinity 3-trit Fibonacci DAC (nepřístupný odkaz) . Získáno 24. října 2015. Archivováno z originálu dne 4. března 2016.
Literatura
- Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Bořivoj Nikolič. Digitální integrované obvody. Metodika návrhu = Digitální integrované obvody. - 2. vyd. - M .: Williams , 2007. - 912 s. — ISBN 0-13-090996-3 .
- Mingliang Liu. Demystifikování obvodů spínaných kondenzátorů. ISBN 0-75-067907-7 .
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. Návrh analogového obvodu CMOS. ISBN 0-19-511644-5 .
Odkazy
- Digitálně-analogové převodníky (DAC), teorie a principy fungování na trhu mikroelektroniky
- D/A převodníky pro digitální zpracování signálu
- Měření INL/DNL pro vysokorychlostní ADC vysvětluje, jak se počítají INL a DNL
- Paralelní DAC
- Alexej Stakhov . Fibonacci Computer část 1 , část 2 , část 3 // PCweek.ru, 2002
- Vysvětlení R-2R Ladder DAC obsahuje schémata
 Slovníky a encyklopedie | |
|---|---|
| V bibliografických katalozích |
| Mikrokontroléry | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Architektura |
| |||||||
| Výrobci |
| |||||||
| Komponenty | ||||||||
| Obvod |
| |||||||
| Rozhraní | ||||||||
| OS | ||||||||
| Programování |
| |||||||