Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь ( ДАУ , английский цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)) и цифро - аналоговые преобразователи или D / А преобразователь упоминался, используются для цифровых сигналов или отдельных значений аналоговых сигналов для реализации. DAU являются элементарными компонентами почти всех цифровых развлекательных электронных устройств (например, проигрывателей компакт-дисков ) и коммуникационных технологий (например, мобильных телефонов ). Как правило, DAU реализован в виде интегральной схемы (ИС).

Встроенный DAU от Cirrus Logic с восемью каналами на одной звуковой карте

функция

Графическое представление цифрового сигнала с использованием ряда красных точек дискретизации

Возможные выходные сигналы через заданные цифровые точки дискретизации

Преобразователь аналого-цифровой генерирует ступенчатый сигнал из непрерывного множества значений. Цифро-аналоговый преобразователь не может снова генерировать непрерывный сигнал из ступенчатого сигнала. Градуировка с шагом 1 LSB (младший значащий бит), которая произошла однажды,  не может быть отменена. Однако в случае последовательности значений переменных градация сглаживается необходимой фильтрацией.

Цифровой сигнал - это дискретный по времени и по значению сигнал, как показано справа. Цифро-аналоговый преобразователь преобразует квантованную информацию , которая доступна в виде двоичной информации, в сигнал, который может быть постоянно доступен для устройства, работающего с использованием аналоговой технологии.

Аппроксимация непрерывного исходного сигнала, на котором может быть основан цифровой сигнал, достигается с помощью фильтра восстановления, который обычно непосредственно следует за цифро-аналоговым преобразователем . Это очень важно, например, в аудиотехнике.

Этапы реализации

При преобразовании в непрерывный во времени (но все еще дискретный по значению) сигнал значение сигнала сохраняется во входном регистре до следующей точки выборки. В случае отдельных точек измерения и медленно меняющихся переменных на выходе создается курс, показанный на втором рисунке в виде горизонтальных линий.

В случае быстрой последовательности точек с разными значениями сигнала возможны различные направления из-за точек выборки для результирующего аналогового (то есть также непрерывного по значениям) сигнала. Пунктирная линия на втором изображении соответствует значениям выборки, но не похожа на исходный сигнал. Он содержит высокочастотные компоненты, которые обычно приходится предотвращать с помощью фильтров сглаживания на аналоговой стороне. В этом случае за хранение точек отбора проб отвечает фильтр.

Спектр гармоники на выходе ЦАП

На следующем рисунке показана величина частотного спектра ЦАП без сглаживающего фильтра, который выдает синусоидальные колебания с частотой f _out . Это синусоидальное колебание происходит несколько раз в гармониках. Здесь е _{с является} частота дискретизации . Фильтр должен подавлять все компоненты сигнала с частотой выше половины частоты дискретизации.

Из-за уровней квантования спектр имеет искажения, которые вызваны красной пунктирной линией огибающей кривой величины функции sinc . Это приводит к искажению и уменьшению амплитуд даже ниже половины частоты дискретизации, то есть в желаемом диапазоне частот. Эти линейные искажения обычно компенсируются на цифровой стороне дополнительными фильтрами, показанными на изображении синими пунктирными линиями. В этом случае более высокочастотные компоненты ниже половины частоты дискретизации увеличиваются больше, обратно пропорционально кривой функции sinc.

Если частота сигнала значительно ниже частоты среза фильтра, кривая выходного сигнала приближается к ступенчатой ​​кривой. Градация становится заметной как шум квантования .

Исходная величина

Поскольку цифровой сигнал, подаваемый на ЦАП, безразмерен, его необходимо умножить на заранее определенное значение U _ref . Здесь есть два основных варианта.

• Фиксированное опорное значение (например, внутреннее опорное напряжение): цифровой входной сигнал отображается в фиксированном выходном диапазоне; опорное значение определяет максимальное значение выходного сигнала.
• Переменное опорное значение: диапазон сигнала цифро-аналогового преобразователя может быть установлен с помощью внешнего электрического сигнала (схема аттенюатора). Это возможно как умножение на 2 или 4 квадранта . Специально разработанные для этой цели ИС используются как умножающий ЦАП ( англ. Multiplying DAC ) соответственно.

Кривая квантования

В случае идеального цифро-аналогового преобразователя предпочтительно существует линейная зависимость между входными и выходными переменными. Есть

другие кодировки, например двоично-десятичное дополнение , также могут использоваться.

Существуют также цифро-аналоговые преобразователи с нелинейной кривой квантования , например B. Согласно логарифмическому A-закону и µ-закону - процедура для телефонных сетей .

Отклонения

Помимо ошибки квантования, следует учитывать и другие ошибки.

Ошибки нулевой точки, ошибки усиления и ошибки нелинейности

Характеристическая кривая DAU и возможные ошибки

Следующие погрешности определяются как отклонения характеристик реального преобразователя от идеального (см. Рисунок):

• Ошибка нулевой точки ( смещение )
• Ошибка усиления (англ. Gain Error)
• Ошибка нелинейности

Ошибка усиления часто дается как часть текущего значения, ошибка нулевой точки вместе с ошибкой квантования и ошибка нелинейности как часть конечного значения или как кратное LSB.

Ошибка в градации

Отклонения в выставлении оценок
а) если оценка неравная,
б) такая же, если оценка выше

Отдельные уровни могут различаться по высоте.

Если входная переменная увеличивается шаг за шагом, в зависимости от метода реализации, значение выходной переменной может уменьшаться, особенно если есть перенос нескольких двоичных цифр, например, с 0111 1111 на 1000 0000. В этом случае преобразователь не монотонный .

Временные и апертурные ошибки

Временные колебания тактовой частоты ( джиттер ) влияют на построение выходного сигнала. Подробнее о максимально допустимом джиттере см. В том же заголовке в статье ADU .

Процесс внедрения

Прямая процедура

Здесь выходной сигнал генерируется таким количеством резисторов в делителе напряжения, сколько каскадов; каждое сопротивление имеет одинаковый вес. Назначенный уровень выбирается цифровым значением с помощью переключателя « 1 из n» ( мультиплексор ). Этот процесс быстрый и гарантированно монотонный, но сравнительно сложный с увеличением разрешения. Примером метода является 8-битный преобразователь с 256 резисторами и 272 переключателями.

Параллельный процесс

Здесь выходной сигнал генерируется таким количеством резисторов, сколько имеется двоичных разрядов ; каждое сопротивление взвешивается в соответствии со значением назначенной позиции.

Сеть R2R проще в изготовлении и внедрении: она уменьшает вдвое электрический ток в цепи делителей тока (возможно только с двойным кодом).

Вам нужно столько переключателей, сколько битов используется для представления цифровых значений. В зависимости от значения (1 или 0) соответствующей двоичной цифры токи, взвешенные по-разному, переключаются на общую линию или отводятся неиспользованными. Сумма подключенных токов - сегодня в основном интегрированная в схему - преобразуется в напряжение с помощью операционного усилителя . Параллельный метод предлагает хороший компромисс между усилиями и временем реализации и часто используется.

Метод счета / 1-битный преобразователь

Здесь выходной сигнал генерируется за столько шагов по времени, сколько шагов есть. Цифровое значение используется для определения времени включения отдельного переключателя и, в случае периодического повторения, рабочего цикла при модуляции длительности импульса . Конечный выходной сигнал эквивалентен включенному / выключенному таким образом напряжению. Этот метод, который может быть реализован легко и недорого, требует наибольшего времени реализации из представленных здесь методов, потому что метод связан с подсчетом временных шагов и с усреднением. Этот гарантированный монотонный ЦАП может быть легко реализован в виде интегральной схемы и особенно часто встречается в микропроцессорах в связи с тактовым сигналом. Для усреднения обычно можно использовать простой фильтр нижних частот .

Метод дельта-сигма / преобразователь 1-бит в N-бит

Дельта - модуляция , которую некоторые здесь сходство с PWM делает, в сигма-дельта модуляции используется. Подобно методу подсчета, один или несколько 1-битных преобразователей используются для уменьшения ошибок вывода за счет дополнительного непрерывного вычитания и интегрирования, и достигается формирование шума, которое смещает шум в более высокие частотные диапазоны. Определенное количество цифровых вычислительных усилий требуется для преобразования частоты дискретизации и цифровой фильтрации. Дельта-сигма-модуляторы более высокого порядка с высокой передискретизацией используются для получения хороших результатов, например Б. 5-й порядок и 64-кратная передискретизация. Этот метод требует небольших усилий для фильтрации из-за высокой передискретизации, может быть легко интегрирован, предлагает высокую точность и гарантированно будет монотонным при использовании 1-битного преобразователя. Основным преимуществом по сравнению с методом подсчета является принципиальное ограничение шума, которое позволяет использовать более высокие частоты. Сегодня этот метод все чаще используется не только в аудио, но и в измерительной технике .

Гибридный преобразователь

Это не отдельная процедура; вместо этого используются комбинации вышеуказанных процедур. Используется высокоточный метод дельта-сигма, например B. в сочетании с простым параллельным преобразователем низкого разрешения для младших разрядов, чтобы объединить преимущества обоих методов.

Вложенные переводчики

Для очень быстрого DAU используется архитектура с несколькими параллельными ядрами DAU (чередующийся DAC). Аналоговые выходные сигналы отдельных ЦАП объединяются посредством высокочастотной цепи, чтобы получить объединенный выходной сигнал с более высокой частотой дискретизации. Сигналы могут быть объединены во временной области, а также в частотной области.

Проводка

Цифровое управление

Еще одна классификационная особенность - это способ, которым цифровые значения поступают в преобразователь ( интерфейс ).

• параллельный - одна соединительная линия на бит или
• последовательный - только одна линия данных (см. SPI или I²C ).

Входные сигналы - это в основном электрические напряжения со стандартизированным представлением двух состояний сигнала, например TTL , ECL , CMOS , LVDS .

Дополнительные линии управления требуются для сигнализации действительности ожидающих данных или для дальнейшей настройки модуля. В случае преобразователей, управляемых последовательно, входной регистр должен быть записан за определенное количество циклов, прежде чем информация станет доступной для преобразования.

Аналоговый выход и выход

Сгенерированный сигнал доступен на выходе либо как

• Напряжение (англ. Voltage output DAC ) или
• Ток (на английском языке Current output DAC )

в распоряжение. Неблагоприятные импеданс и емкость схемы преобразователя почти всегда требуют дальнейшей обработки сигнала. Схема усиления, используемая для этой цели, оказывает значительное влияние на динамические свойства всей схемы (например, полосу пропускания ) из-за своих ограничивающих параметров .

области применения

Аудио

Wolfson WM8955LS - стерео DAU в сотовом телефоне

В настоящее время аудиосигналы обычно хранятся в цифровой форме (например, как WAVE или MP3 ). Чтобы их можно было слышать через громкоговорители, их необходимо преобразовать в аналоговые сигналы. Таким образом, DAU можно найти в CD и цифровых музыкальных плеерах, а также в звуковых картах ПК . DAU также доступны как отдельные устройства для мобильных приложений или как компоненты в стереосистемах .

видео

Цифровые видеосигналы (например, с компьютера) необходимо преобразовать, прежде чем их можно будет отобразить на аналоговом мониторе. К DAU обычно присоединяется память ( RAM ), в которой хранятся таблицы для гамма-коррекции , настройки контрастности и яркости. Такая схема называется RAMDAC .

Технический контроль

Во многих технических устройствах электромеханические или электрохимические приводы управляются с помощью вычисляемых в цифровом виде значений, которые реализуются DAU. DAU также используются в зарядных устройствах и блоках питания с цифровой регулировкой.

Цифровой потенциометр и умножитель

DAU также может умножать переменное аналоговое опорное значение на цифровой входной сигнал. Одной из областей применения является цифровой потенциометр , которым можно управлять в цифровом виде как регулируемый резистор (например, для регулировки громкости в усилителях звука или телевизорах ). Цифровые потенциометры с памятью EEPROM запоминают последнее установленное значение, даже если устройство было отключено от сети.

Коммуникационная техника

Чрезвычайно быстрые ЦАП используются в коммуникационной технике, например B. для генерации сигналов передачи в мобильной связи или в оптических коммуникационных технологиях . DA-преобразователи для мобильной радиосвязи часто имеют встроенные функции микширования и фильтрации ( RF DAC или Transmit DAC ).

Важные параметры

• Settling (Settling Time) или скорость обработки (частота обновления) - мера продолжительности реализации.
• Разрешение (Resolution) - ширина шагов (четное количество ступеней или количество точек), которые используются для представления входного сигнала.
• Ошибка нулевой точки - характеристика преобразователя (без учета градаций) смещена. Аналоговое значение отличается от правильного на постоянную величину.
• Ошибка чувствительности, ошибка усиления - характеристика преобразователя (без учета градаций) искажена (ошибка градиента). Аналоговое значение отличается от правильного значения на постоянный процент от правильного значения.
• Интегральная нелинейность - погрешность из-за того, что характеристика преобразователя, принятая за линейную основу (без учета градаций), не прямая.
• Дифференциальная нелинейность - отклонение высоты ступеней преобразования друг от друга.
• Монотонность - когда входная переменная увеличивается или остается постоянной по мере увеличения входной переменной. Нет однообразия, если выходная переменная возвращается к более низкому значению по мере увеличения входной переменной; возможно при дифференциальной нелинейности более 1 младшего разряда.
• Кривая квантования - графическое представление взаимосвязи между значениями аналогового выхода и значениями цифрового входа, например B. следуя линейной или логарифмической функции.
• Ошибка квантования - из-за ограниченного разрешения выходной сигнал отклоняется от функциональной (непрерывной) кривой.
• Отношение сигнал / шум в дБ
• Динамический диапазон в дБ
• Динамические параметры
• Интермодуляционные помехи в дБ

Смотри тоже

• цифровая обработка сигналов
• Цифровая измерительная техника

литература

• Руди Дж. Ван де Плассе: КМОП интегрированные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. 2-е издание. Kluwer Academic, Бостон, 2003 г., ISBN 1-4020-7500-6 (на английском языке)
• Ульрих Титце, Кристоф Шенк: Технология полупроводниковых схем. 12-е издание. Springer, Heidelberg 2002, ISBN 3-540-42849-6 .

веб ссылки

• Литература по цифро-аналоговым преобразователям в каталоге Немецкой национальной библиотеки
• Подключение цифро-аналоговых преобразователей к нагрузкам. (PDF; 1,96 МБ) Операционные усилители для всех, Глава 14

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Из общих терминов, используемых здесь, являются те, которые были определены для инженерии стандартизацией в DIN 1319-2 .
2. ↑ ^{a b} analog.com (PDF)
3. ↑ ^{a b} Datasheet MAX533 (PDF), datasheets.maxim-ic.com
4. ↑ Datasheet MAX5889 ( Memento от 11 января 2012 г. в Интернет-архиве ) (PDF), datasheets.maxim-ic.com
5. ↑ Кристиан Шмидт: Концепции чередования цифро-аналоговых преобразователей: алгоритмы, модели, моделирование и эксперименты . Springer Fachmedien Wiesbaden, Висбаден 2019, ISBN 978-3-658-27263-0 , DOI : 10.1007 / 978-3-658-27264-7 .