Что положено в основу работы цифро аналогового преобразователя

Обновлено: 17.05.2024

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation ). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

Содержание

Применение

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Типы ЦАП

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);

Характеристики

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.

Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два () уровня, а восьмибитный — 256 () уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ.ENOB, Effective Number of Bits ), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.

Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста — Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

Монотонность — свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) — мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.

Динамический диапазон — соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

Статические характеристики:
- DNL (дифференциальная нелинейность) — характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;
- INL (интегральная нелинейность) — характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;
- усиление;
- смещение.
- Частотные характеристики:
  - SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) — характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
  - HDi (коэффициент i-й гармоники) — характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
  - THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.
  Любительский
  
  АЦП, ЦАП: зачем нужен преобразователь аудиосигнала?
  
  ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь – нужен для преобразования аудиосигнала из цифрого формата в аналоговый; обычно, для передачи в усилитель или немедленного озвучивания.
  
  Все современные форматы записи аудио используют цифровое представление. И треки на CD или blu-ray дисках, и mp3-файлы, и музыка с iTunes – все они хранятся в цифровом формате. И для того, чтобы воспроизвести эту запись, её надо преобразовать в аналоговый сигнал – эту функцию и выполняет цифро-аналоговый преобразователь. Встроенный ЦАП присутствует в любом устройстве, воспроизводящем музыку. Но часто бывает, что качество проигрывания одних и тех же аудиофайлов (или треков с одного и того же диска) на разных плеерах заметно отличается. Если при этом используются одинаковые усилители и наушники, значит, проблема в ЦАП плеера.
  
  Аудиосигнал, прошедший через низкокачественный ЦАП
  
  ЦАПы бывают разные: дешевые преобразователи с низким энергопотреблением (часто используемые производителями в мобильных устройствах) имеют низкое быстродействие и малую разрядность, что сильно сказывается на качестве звука.
  
  Если у мобильного устройства есть цифровой выход (S/PDIF или USB), можно подключить к нему внешний ЦАП - это гарантирует высокое качество преобразования цифрового звука в аналоговый.
  
  Несмотря на совершенно противоположные задачи, АЦП и ЦАП обладают некоторыми общими характеристиками, оказывающими большое влияние на качество преобразования.
  
  Характеристики преобразователей аудиосигнала.
  
  Количество отсчетов в секунду - частота дискретизации
  
  Для АЦП частота дискретизации определяет, с какой частотой преобразователь будет измерять амплитуду аналогового сигнала и передавать её в цифровом виде. Для ЦАП – наоборот, с какой частотой цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал.
  
  Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования ближе к исходному сигналу. Казалось бы, чем выше этот показатель, тем лучше. Но, согласно теореме Котельникова, для передачи сигнала любой частоты достаточно частоты дискретизации, вдвое большей частоты самого сигнала. С учетом того, что самая высокая частота, различимая на слух – 20 кГц (у большинства людей верхняя граница слышимого звука вообще проходит в районе 15-18 кГц), частоты дискретизации в 40 кГц должно быть достаточно для качественной оцифровки любого звука. Частота дискретизации audio CD: 44.1 кГц, и максимальная частота дискретизации mp-3 файлов: 48 кГц, выбраны как раз исходя из этого критерия. Соответственно, ЦАП, проигрывающий аудиотреки и mp3-файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться.
  
  Зеленым цветом показан исходный аудиосигнал, состоящий из нескольких гармоник, близких к 20 кГц. Малиновым цветом обозначен цифровой сигнал, дискретизированный с частотой 44.1 кГц. Синим цветом обозначен аналоговый сигнал, восстановленный из цифрового. Хорошо заметны потери в начале и конце отрезка.
  
  Теоретически, такой частоты дискретизации должно быть достаточно, но практически иногда возникает надобность в большей частоте: реальный аудиосигнал не полностью отвечает требованиям теоремы Котельникова и при определенных условиях сигнал может искажаться. Поэтому у ценителей чистого звука популярны записи с частотой дискретизации 96 кГц.
  
  Частота дискретизации ЦАП выше, чем у исходного файла, на качество звука не влияет, поэтому приобретать ЦАП с частотой дискретизации выше 48 кГц имеет смысл, только если вы собираетесь прослушивать с его помощью blu-ray и DVD-аудио или loseless музыку с частотой дискретизации, большей 48 кГц.
  
  Если вы твердо нацелились на приобретение преобразователя с частотой дискретизации выше 48 кГц, то экономить на покупке не стоит. ЦАП, как и любое другое аудиоустройство, добавляет в сигнал собственный шум. У недорогих моделей шумность может быть довольно высокой, а с учетом высокой частоты дискретизации, на выходе такого преобразователя может появиться опасный для динамиков ультразвуковой шум. Да и в слышимом диапазоне шумность может оказаться настолько высокой, что это затмит весь выигрыш от повышения частоты дискретизации.
  
  Чем выше разрядность, тем выше точность измерения или восстановления амплитуды сигнала
  
  Разрядность – вторая характеристика, непосредственно влияющая на качество преобразования.
  
  Разрядность ЦАП должна соответствовать разрядности аудиофайла. Если разрядность ЦАП будет ниже, он, скорее всего, просто не сможет преобразовать этот файл.
  
  Треки audio CD имеют разрядность 16 бит. Это подразумевает 65536 градаций амплитуды – в большинстве случаев этого достаточно. Но теоретически, в идеальных условиях, человеческое ухо способно обеспечить большее разрешение. И если о разнице между записями с дискретизацией 96 кГц и 48 кГц можно спорить, то отличить 16-битный звук от 24-битного при отсутствии фонового шума могут многие люди с хорошим слухом. Поэтому, если ЦАП предполагается использовать для прослушивания DVD и Blu-ray аудио, следует выбирать модель с разрядностью 24.
  
  Чем выше разрядность АЦП, тем с большей точностью измеряется амплитуда звукового сигнала.
  
  Количество каналов определяет, какой звук сможет преобразовывать устройство. Двухканальный преобразователь сможет обрабатывать стерео и моно звук. Но для преобразования сигнала формата Dolby Digital или Dolby TrueHD понадобится, соответственно, шести- или восьмиканальный преобразователь.
  
  Соотношение сигнал/шум определяет уровень шума, добавляемого в сигнал преобразователем. Чем выше этот показатель, тем более чистым остается сигнал, проходящий через преобразователь. Для прослушивания музыки нежелательно, чтобы этот показатель был ниже 75 дБ. Hi-Fi аппаратура обеспечивает минимум 90 дБ, а высококачественные Hi-End устройства способны обеспечить отношение сигнал/шум в 110-120 дБ и выше.
  
  Преобразователи аудиосигнала скорее относятся к студийному и домашнему оборудованию, поэтому питание большинства преобразователей производится от сети 220В. Но существуют и преобразователи, которые питаются от аккумуляторов и могут быть использованы автономно. Это может оказаться удобным при использовании преобразователя с мобильным устройством – ноутбуком, планшетом, смартфоном или плеером.
  
  Некоторые преобразователи получают питание через разъем micro-USB, при этом получать (или передавать) аудиосигнал через этот разъем они не могут. Если вам важно, чтобы ЦАП мог читать аудиофайлы на USB-носителях, перед покупкой убедитесь, что USB на устройстве используется не только для питания.
  
  Варианты выбора.
  
  Если вам нужно устройство, с помощью которого можно будет оцифровать старые магнитофонные записи или записать на компьютер звук с микрофона, вам нужен аналогово-цифровой преобразователь. Цены на них начинаются от 1100 рублей.
  
  Если вы желаете получить устройство для качественного проигрывания аудифайлов со смартфона с возможностью беспроводного соединения, выбирайте среди ЦАП с поддержкой Bluetooth. Такое устройство обойдется вам в 1400-1800 рублей.
  
  Если же вы желаете услышать все богатство звука, записанного в loseless-формате с высокой частотой дискретизации и битностью 24, вам понадобится соответствующий ЦАП. Стоить он будет от 1700 рублей.
  
  В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.
  
  Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.
  
  Принцип работы
  
  Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.
  
  Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В)
  
  Выходное
  напряжение, В
  
  Характеристики ЦАП
  
  Наиболее важные характеристики ЦАП — это разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.
  
  Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
  
  Разрядность (N) — количество бит во входном коде.
  
  Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.
  
  Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.
  
  Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.
  
  Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.
  
  Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.
  
  Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.
  
  Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.
  
  Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.
  
  Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.
  
  Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.
  
  Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.
  
  Классификация
  
  Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.
  
  Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.
  
  Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП
  
  Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.
  
  ЦАП на матрице R–2R . Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.
  
  Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения
  
  В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.
  
  Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора
  
  Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.
  
  Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.
  
  Сегментированные (гибридные) преобразователи . При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.
  
  Подбор ЦАП
  
  Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.
  
  Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
  
  Цифро-аналоговый преобразователь - это электронное устройство, которое выполняет операцию преобразования. Как следует из названия, он преобразует цифровой входной сигнал в аналоговый выходной сигнал. Цифровые сигналы, такие как оцифрованная музыка, можно преобразовать в аналоговые звуки с помощью цифроаналогового преобразователя. Это один из типов преобразователей данных.
  
  Цифро-аналоговый преобразователь также известен как ЦАП, преобразователь d в преобразователь, преобразователь ЦАП, ЦАП и т. Д. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполняет обратную операцию. ЦАП требуется почти каждый раз в цепи, когда есть потребность в ADC.
  
  Работа цифро-аналогового преобразователя
  
  Цифро-аналоговый преобразователь - это оборудование, работающее для цифро-аналогового преобразования. Цифровой сигнал определяется как дискретный по времени и дискретный по амплитуде сигнал. В то же время аналоговый сигнал определяется как непрерывный во времени сигнал с непрерывной амплитудой. ЦАП преобразует двоичное число с фиксированной точкой (абстрактное число адекватной точности) в физическое измерение.
  
  Преобразование состоит из нескольких этапов. Типичный цифро-аналоговый преобразователь преобразует абстрактные данные в концептуальные последовательности импульсов. Затем серия обрабатывается с помощью фильтра реконструкции.
  
  Цифро-аналоговый преобразователь работает на основе теоремы выборки Найквиста-Шеннона. В нем говорится, что - входной сигнал может быть восстановлен из его дискретизированного выхода, если частота дискретизации вдвое больше или равна самой высокой частотной составляющей, присутствующей во входном сигнале.
  
  Есть несколько параметров для измерения производительности цифро-аналогового преобразователя. Ширина полосы выходного сигнала, отношение сигнал / шум - вот некоторые из параметров.
  
  Электрический символ ЦАП
  
  Следующий символ представляет собой цифро-аналоговый преобразователь.
  
  Символ цифро-аналогового преобразователя
  
  Типы цифро-аналоговых преобразователей
  
  Преобразование цифровых входных битов в аналоговые сигналы может быть достигнуто с помощью различных процессов. Давайте обсудим некоторые из типов -
  
  A. ЦАП с использованием метода взвешенных резисторов
  
  Начнем с 4-битного цифрового числа. Преобразуем его в аналог. Пусть цифровое число - B₃B₂B₁B₀
  
  Двоичное цифро-аналоговое преобразование. Источник изображения - Джакомо Алессандрони создатель QS: P170, Q100973368, Convertitore Digitale-Analogico преобразовать в 4-битный формат, CC BY-SA 4.0
  
  Десятичный эквивалент будет - N = 2 3 B₃+2 2 B₂+2 1 B₂+2 0 B₀
  
  Здесь B₃ является старшей цифрой (MSB), тогда как B₀ наименьшая значащая цифра (LSB). Схема здесь работает, чтобы произвести аналоговый выходной сигнал, взвешенный в соответствии с позициями битов, и сложить их вместе.
  
  В схеме логические напряжения, представляющие двоичный вход, подаются на соответствующие резисторы с помощью переключателей. Резисторы цепей (кроме резистора обратной связи R_f) связаны взвешенным образом, так что последовательное отношение равно 2. То есть - R₀ / Р₁ = R₁ / Р₂ = R₂ / Р₃ = 2. Резисторы также обратно пропорциональны их числовому значению соответствующего двоичного бита.
  
  Когда двоичный бит равен нулю (0), переключатель включен и заземлен. Если бинарный бит один (1), контроллер замкнут и подключен к опорному напряжению V_R.
  
  Ток i, который будет подаваться на неинвертирующий терминал, равен -
  
  Поскольку G - виртуальная земля, выходное напряжение v_o =
  
  Теперь мы можем заметить, что выходное напряжение пропорционально числовому значению двоичных разрядов.
  
  Точность ЦАП зависит от соотношения резисторов и их способности отслеживать друг друга при изменении температуры.
  
  Этот тип цифроаналоговых преобразователей имеет некоторые недостатки. Для построения преобразователя требуется широкий набор резисторов, если двоичный вход состоит из большого количества битов. Преобразователь лестничного типа R-2R преодолевает этот недостаток.
  
  B. R - 2R ЦАП лестничного типа
  
  Лестница сопротивлений может преобразовать двоичное слово в аналоговое. Этот тип ЦАП известен как преобразователи лестничного типа R - 2R.
  
  R - 2 R Цифро-аналоговое преобразование лестничного типа. Источник изображения - Вики-аналог
  
  Чтобы понять работу схемы, предположим, что клемма B0 подключена к VR, а остальные клеммы (B1, B2, B3) подключены к земле. Полученная цифра показана на схеме -
  
  Применим теорему Тевенина к узлам a0, a1, a2, a3 относительно земли. Мы получаем эквивалентную схему Тевенина, которая далее показана в следующем курсе -
  
  Эквивалентный источник имеет напряжение VR / 16 последовательно с сопротивлением 3R.
  
  Опять же, если клемма B1 подключена к Vr, а клеммы B0, B2, B3 подключены к земле, то, применив также теорему Тевенина, можно показать, что источник имеет напряжение VR / 8 последовательно с сопротивлением 3R.
  
  Точно так же, когда B2 соединен с VR, а остальные входы соединены с землей, мы обнаружим, что эквивалентная схема Тевенина имеет напряжение источника VR / 4 последовательно с сопротивлением 3R.
  
  То же самое для связи B3 с VR. Эквивалентная схема дает напряжение источника как VR / 2 и последовательное сопротивление как 3R.
  
  Ток i, полученный по принципу суперпозиции -
  
  я = (Vr / 3R) * (B0 / 16 + B1 / 8 + B2 / 4 + B3 / 2)
  
  Поскольку G - виртуальная земля, выходное напряжение v_o =
  
  V_o = -i * R_f = - (V_R / R) * R_f * (B0 / 23 + B1 / 22 + B2 / 21 + B3 / 20)
  
  Уравнение выглядит так -
  
  Здесь и сейчас мы можем понять, что выходное напряжение пропорционально числовому значению двоичных разрядов. Эта схема может легко преобразовывать большие двоичные цифры, поскольку она легко расширяема. Все, что нам нужно добавить, это дополнительные переключатели и дополнительные резисторы для лестницы.
  
  Одна из важнейших особенностей цифро-аналогового преобразователя заключается в том, что малейшее изменение схемы определяет его разрешение.
  
  Применение цифро-аналогового преобразователя
  
  В современную эпоху существует высокий спрос на оцифрованные данные. Вот почему растет спрос на аналого-цифровой преобразователь. Но мы должны помнить, что мы используем аналоговые сигналы в нашей повседневной жизни, и мир аналоговый. Итак, когда нам нужен аналого-цифровой преобразователь, нам нужен цифро-аналоговый преобразователь. И ЦАП, и АЦП внесли наибольший вклад в цифровую революцию.
  
  Общий процесс ЦАП и АЦП. Источник изображения - Мегоденас, Преобразование AD DA, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons
  
  Давайте возьмем реальный пример, чтобы понять их нужды. Рассмотрим телефонный звонок. Сначала звонящий начинает говорить. Речь - это аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя или АЦП. Когда оцифрованный сигнал доставляется к приемнику, его снова необходимо преобразовать в аналоговый сигнал; в противном случае получатель не поймет отправленные данные. Здесь этой цели служит цифро-аналоговый преобразователь.
  
  Обработка аудио:
  
  Музыка и другие аудиофайлы хранятся в оцифрованном формате в сегодняшнюю эпоху оцифровки. Когда нам нужно услышать их в динамиках или наушниках, тогда оцифрованную форму необходимо преобразовать в аналоговый сигнал. Вот почему ЦАП можно найти в каждом устройстве, которое может воспроизводить музыку, например, в MP3-плеере, DVD-плеере, CD-плеере, ноутбуках, мобильных телефонах и т. Д.
  
  В высококачественных Hi-Fi системах используются специализированные автономные ЦАП. Подобные ЦАП можно найти в современных цифровых динамиках, таких как USB-динамики, звуковые карты и т. Д.
  
  При передаче голоса по IP источник оцифровывается. Таким образом, для преобразования оцифрованной части в аналоговый сигнал необходим ЦАП.
  
  Кодирование видео:
  
  Система видеокодера обрабатывает видеосигнал и отправляет цифровые сигналы на микросхемы.
  
  Цифровой дисплей:
  
  Графический контроллер обычно использует справочную таблицу для генерации сигналов, отправляемых на аналоговые выходы, таких как сигналы RGB для управления дисплеем.
  
  Калибровка:
  
  Цифро-аналоговый преобразователь может обеспечивать калибровку динамических типов для повышения точности испытательной системы.
  
  Управляющий двигатель:
  
  Цифро-аналоговые преобразователи также используются в устройствах управления двигателями, где требуется сигнал управления напряжением.
  
  ЦАП также используются в системах распределения данных, цифровом потенциометре, программном радио и во многих других местах.
  
  Преимущества и недостатки цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)
  
  Преимущества ЦАП
  - Большие цифровые - двоичные входы можно легко преобразовать в аналоговую форму.
  - Один из самых быстрых способов конвертации.
  - Простые схемы для реализации.
  Недостатки ЦАП
  - В схемах используются дорогие операционные усилители.
  - Некоторые ошибки, такие как ошибка усиления, ошибка смещения, нелинейность, как правило, вызваны резистором, используемым в схеме.
  - Рассеиваемая мощность высокая.
  Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
  Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
  Мои статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
  Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.
  
  Читайте также: