در الکترونیک مدار DAC نوعی سیستم است. این اوست که سیگنال دیجیتال را به آنالوگ تبدیل می کند.
چندین مدار DAC وجود دارد. مناسب بودن برای یک برنامه خاص با معیارهای کیفیت از جمله وضوح، حداکثر نرخ نمونه و موارد دیگر تعیین می شود.
تبدیل دیجیتال به آنالوگ می تواند ارسال سیگنال را کاهش دهد، بنابراین باید ابزاری را پیدا کرد که از نظر کاربرد دارای خطاهای جزئی باشد.
برنامه ها
DAC ها معمولاً در پخش کننده های موسیقی برای تبدیل جریان های عددی اطلاعات به سیگنال های صوتی آنالوگ استفاده می شوند. آنها همچنین در تلویزیون ها و تلفن های همراه برای تبدیل داده های ویدیویی به سیگنال های ویدیویی به ترتیب استفاده می شوند که به درایورهای صفحه برای نمایش تصاویر تک رنگ یا چند رنگ متصل می شوند.
این دو برنامه کاربردی هستند که از مدارهای DAC در انتهای مخالف بین چگالی و تعداد پیکسل استفاده می کنند. صدا یک نوع فرکانس پایین با وضوح بالا و ویدیو یک نوع فرکانس بالا با تصویر کم تا متوسط است.
به دلیل پیچیدگی و نیاز به اجزای با دقت تطبیق، همه DAC ها به جز تخصصی ترین ها به عنوان مدارهای مجتمع (IC) پیاده سازی می شوند. پیوندهای گسسته معمولاً انواع بسیار سریع، با وضوح پایین و صرفه جویی در مصرف انرژی هستند که در سیستم های رادار نظامی استفاده می شوند. تجهیزات تست با سرعت بسیار بالا، به ویژه اسیلوسکوپ های نمونه برداری، می توانند از DAC های مجزا نیز استفاده کنند.
نمای کلی
خروجی نیمه ثابت یک DAC معمولی بدون فیلتر تقریباً در هر دستگاهی تعبیه شده است، و تصویر اولیه یا پهنای باند نهایی طرح، پاسخ گام را به یک منحنی پیوسته هموار می کند.
در پاسخ به این سوال: "DAC چیست؟"، شایان ذکر است که این مؤلفه یک عدد انتزاعی از دقت محدود (معمولاً یک رقم نقطه ثابت باینری) را به یک مقدار فیزیکی (مثلاً ولتاژ یا ولتاژ) تبدیل می کند. فشار). به طور خاص، تبدیل D/A اغلب برای تغییر داده‌های سری زمانی به سیگنال فیزیکی دائماً در حال تغییر استفاده می‌شود.
DAC ایده آل ارقام انتزاعی را به یک قطار مفهومی از پالس ها تبدیل می کند، که سپس توسط یک فیلتر بازسازی پردازش می شود و از نوعی درون یابی برای پر کردن داده ها بین پالس ها استفاده می کند. معمولییک مبدل عملی دیجیتال به آنالوگ، اعداد را به یک تابع ثابت تکه ای متشکل از دنباله ای از الگوهای مستطیلی که با ترتیب صفر ایجاد می شوند، تغییر می دهد. همچنین در پاسخ به این سوال که DAC چیست؟ شایان ذکر است روش های دیگر (به عنوان مثال، بر اساس مدولاسیون دلتا سیگما). آنها یک خروجی مدوله‌شده با چگالی پالس ایجاد می‌کنند که می‌تواند به طور مشابه فیلتر شود تا سیگنالی کاملاً متغیر تولید کند.
طبق قضیه نمونه برداری نایکوئیست-شانون، DAC می تواند ارتعاش اصلی را از داده های نمونه برداری شده بازسازی کند، مشروط بر اینکه منطقه نفوذ آن الزامات خاصی را برآورده کند (به عنوان مثال، یک پالس باند پایه با چگالی خط کمتر). نمونه دیجیتال نشان دهنده خطای کوانتیزاسیون است که به صورت نویز سطح پایین در سیگنال بازسازی شده ظاهر می شود.
نمودار عملکرد ساده شده یک ابزار 8 بیتی
لازم به ذکر است که محبوب ترین مدل تبدیل دیجیتال به آنالوگ کابل واقعی NANO-DAC است. DAC بخشی از یک فناوری پیشرفته است که سهم قابل توجهی در انقلاب دیجیتال داشته است. برای نشان دادن، تماس‌های تلفنی معمولی از راه دور را در نظر بگیرید.
صدای تماس گیرنده با استفاده از میکروفون به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل می شود و سپس این پالس همراه با DAC به یک جریان دیجیتال تبدیل می شود. پس از آن، دومی به بسته های شبکه تقسیم می شود، جایی که می تواند همراه با سایر داده های دیجیتال ارسال شود. و ممکن است لزوماً صوتی نباشد.
سپس بسته هادر مقصد پذیرفته می شوند، اما ممکن است هر یک مسیر کاملا متفاوتی را طی کنند و حتی به ترتیب و در زمان صحیح به مقصد نرسند. سپس داده‌های صوتی دیجیتال از بسته‌ها استخراج شده و در یک جریان داده مشترک جمع‌آوری می‌شوند. DAC آن را دوباره به یک سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل می کند که تقویت کننده صوتی (مانند مبدل دیجیتال به آنالوگ NANO-DAC Real Cable) را هدایت می کند. و او نیز به نوبه خود بلندگو را فعال می کند که در نهایت صدای لازم را تولید می کند.
صوت
بیشتر سیگنال های صوتی مدرن به صورت دیجیتال ذخیره می شوند (مثلا MP3 و CD). برای اینکه از طریق بلندگوها شنیده شوند، باید آنها را به یک ضربه مشابه تبدیل کرد. بنابراین می توانید یک مبدل دیجیتال به آنالوگ برای تلویزیون، پخش کننده سی دی، سیستم های موسیقی دیجیتال و کارت های صوتی رایانه شخصی پیدا کنید.
DACهای مستقل اختصاصی را نیز می توان در سیستم های Hi-Fi با کیفیت بالا یافت. آنها معمولاً خروجی دیجیتال یک پخش کننده سی دی سازگار یا وسیله نقلیه اختصاصی را می گیرند و سیگنال را به یک خروجی آنالوگ سطح خط تبدیل می کنند که سپس می تواند به یک تقویت کننده برای درایو بلندگوها وارد شود.
مبدل D/A مشابه را می توان در ستون های دیجیتال مانند بلندگوهای USB و کارت های صدا یافت.
در برنامه‌های Voice over IP، منبع باید ابتدا برای انتقال دیجیتالی شود، بنابراین از طریق ADC تبدیل می‌شود و سپس با استفاده از DAC روی آن به آنالوگ تبدیل می‌شود.طرف دریافت کننده به عنوان مثال، این روش برای برخی مبدل های دیجیتال به آنالوگ (تلویزیون) استفاده می شود.
تصویر
نمونه برداری به طور کلی در مقیاسی کاملاً متفاوت عمل می کند، به دلیل پاسخ بسیار غیرخطی هر دو لوله اشعه کاتدی (که اکثریت قریب به اتفاق تولید ویدئوهای دیجیتال برای آن تعیین شده است) و چشم انسان، با استفاده از یک منحنی گاما برای ایجاد ظاهر مراحل روشنایی توزیع شده یکنواخت در کل محدوده دینامیکی نمایشگر. از این رو نیاز به استفاده از RAMDAC در برنامه های ویدیویی کامپیوتری با وضوح رنگ نسبتاً عمیق است، به طوری که ایجاد یک مقدار رمزگذاری شده در DAC برای هر سطح خروجی هر کانال غیر عملی است (به عنوان مثال، Atari ST یا Sega Genesis به 24 عدد از این مقادیر نیاز دارید؛ یک کارت گرافیک 24 بیتی به 768 نیاز دارد).
با توجه به این اعوجاج ذاتی، غیر معمول نیست که تلویزیون یا ویدئو پروژکتور به درستی نسبت کنتراست خطی (تفاوت بین تاریک ترین و روشن ترین سطح خروجی) 1000:1 یا بیشتر داشته باشد. این معادل 10 بیت صوت صوت است، حتی اگر فقط بتواند سیگنال هایی با صحت 8 بیتی دریافت کند و از یک پنل LCD استفاده کند که تنها شش یا هفت بیت را در هر کانال نمایش می دهد. بررسی‌های DAC بر این اساس منتشر می‌شوند.
سیگنال های ویدئویی از یک منبع دیجیتالی مانند کامپیوتر اگر قرار است روی مانیتور نمایش داده شوند باید به شکل آنالوگ تبدیل شوند. از سال 2007 مشابه استورودی‌ها بیشتر از ورودی‌های دیجیتال استفاده می‌شدند، اما با رایج‌تر شدن نمایشگرهای صفحه تخت با اتصالات DVI یا HDMI، این تغییر کرده است. با این حال، یک DAC ویدئویی در هر پخش کننده ویدئوی دیجیتال با خروجی های یکسان تعبیه شده است. یک مبدل صوتی دیجیتال به آنالوگ معمولاً با نوعی حافظه (RAM) که شامل جداول سازماندهی مجدد برای تصحیح گاما، کنتراست و روشنایی برای ایجاد یک وسیله به نام RAMDAC ادغام می‌شود.
دستگاهی که از راه دور به DAC متصل می شود یک پتانسیومتر دیجیتالی کنترل شده برای دریافت سیگنال است.
طراحی مکانیکی
برای مثال، ماشین تحریر IBM Selectric قبلاً از یک DAC غیر دستی برای هدایت توپ استفاده می کند.
مدار مبدل دیجیتال به آنالوگ به این شکل است.
درایو مکانیکی تک بیتی دو موقعیت می گیرد: یکی هنگام روشن شدن، دیگری هنگام خاموش شدن. حرکت چند محرک تک بیتی را می توان بدون تردید توسط دستگاه ترکیب و وزن کرد تا مراحل دقیق تری به دست آید.
این ماشین تحریر IBM Selectric است که از چنین سیستمی استفاده می کند.
انواع اصلی مبدل دیجیتال به آنالوگ
- مدولاتور عرض پالس که در آن یک جریان یا ولتاژ پایدار به یک فیلتر آنالوگ پایین گذر با مدت زمان تعیین شده توسط یک کد ورودی دیجیتال سوئیچ می شود. این روش اغلب برای کنترل سرعت موتور و نورهای LED کم نور استفاده می شود.
- مبدل صوتی دیجیتال به آنالوگ بانمونه برداری بیش از حد یا درون یابی DACها، مانند آنهایی که از مدولاسیون دلتا سیگما استفاده می کنند، از روش تغییر چگالی پالس استفاده می کنند. سرعت بیش از 100 کیلو نمونه در ثانیه (مثلاً 180 کیلوهرتز) و وضوح 28 بیت با دستگاه دلتا سیگما قابل دستیابی است.
- یک عنصر وزنی باینری که شامل اجزای الکتریکی جداگانه برای هر بیت DAC متصل به نقطه جمع است. این اوست که می تواند تقویت کننده عملیاتی را اضافه کند. قدرت فعلی منبع متناسب با وزن بیتی است که با آن مطابقت دارد. بنابراین، تمام بیت های غیر صفر کد به وزن اضافه می شوند. این به این دلیل است که آنها منبع ولتاژ یکسانی در اختیار دارند. این یکی از سریع ترین روش های تبدیل است، اما کامل نیست. از آنجایی که یک مشکل وجود دارد: وفاداری پایین به دلیل داده های زیاد مورد نیاز برای هر ولتاژ یا جریان جداگانه. چنین قطعاتی با دقت بالا گران هستند، بنابراین این نوع مدل معمولاً به وضوح 8 بیت یا حتی کمتر محدود می شود. مقاومت سوئیچ شده دارای هدف تبدیل دیجیتال به آنالوگ در منابع شبکه موازی است. نمونه های جداگانه بر اساس یک ورودی دیجیتال به برق متصل می شوند. اصل کار این نوع مبدل دیجیتال به آنالوگ در منبع جریان سوئیچ شده DAC نهفته است که بر اساس یک ورودی عددی کلیدهای مختلفی از آن انتخاب می شود. این شامل یک خط خازن سنکرون است. این عناصر منفرد با استفاده از مکانیزم خاصی (پا) که در نزدیکی همه شاخه ها قرار دارد متصل یا جدا می شوند.
- تبدیل پلکان دیجیتال به آنالوگنوع، که یک عنصر باینری وزن است. به نوبه خود از یک ساختار تکرار شونده از مقادیر مقاومت آبشاری R و 2R استفاده می کند. این به دلیل سهولت نسبی ساخت مکانیسم رتبه‌بندی مشابه (یا منابع فعلی) دقت را بهبود می‌بخشد.
- پیشرفت متوالی یا DAC چرخه ای که در طول هر مرحله خروجی را یکی یکی می سازد. تک تک بیت‌های یک ورودی دیجیتال توسط همه رابط‌ها پردازش می‌شوند تا زمانی که کل شیء محاسبه شود.
- دماسنج یک DAC کدگذاری شده است که حاوی یک مقاومت برابر یا بخش منبع جریان برای هر مقدار ممکن خروجی DAC است. یک دماسنج 8 بیتی DAC دارای 255 عنصر و یک دماسنج 16 بیتی DAC دارای 65535 قطعه خواهد بود. این شاید سریع‌ترین و دقیق‌ترین معماری DAC باشد، اما به قیمت هزینه بالا. با این نوع DAC، نرخ تبدیل بیش از یک میلیارد نمونه در ثانیه به دست آمده است.
- DACهای هیبریدی که از ترکیبی از روش های فوق در یک مبدل استفاده می کنند. اکثر آی سی های DAC از این نوع هستند، زیرا هزینه کم، سرعت بالا و دقت در یک دستگاه دشوار است.
- DAC بخش‌بندی شده که اصل کدگذاری دماسنج برای ارقام بالاتر و وزن‌دهی باینری برای اجزای پایین‌تر را ترکیب می‌کند. به این ترتیب بین دقت (با استفاده از اصل کدگذاری دماسنج) و تعداد مقاومت ها یا منابع جریان (با استفاده از وزن دهی باینری) مصالحه حاصل می شود. دستگاه دیپ با دوبلعمل به این معنی است که تقسیم‌بندی 0% است و طراحی با کدگذاری کامل دماسنجی 100% دارد.
بیشتر DACS در این لیست برای ایجاد مقدار خروجی خود به یک مرجع ولتاژ ثابت متکی هستند. از طرف دیگر، DAC ضرب شونده ولتاژ ورودی AC را برای تبدیل آنها می پذیرد. این محدودیت های طراحی اضافی را بر روی پهنای باند طرح سازماندهی مجدد تحمیل می کند. اکنون مشخص شده است که چرا به مبدل های دیجیتال به آنالوگ در انواع مختلف نیاز است.
عملکرد
DACها برای عملکرد سیستم بسیار مهم هستند. مهم ترین ویژگی این دستگاه ها وضوحی است که برای استفاده از مبدل دیجیتال به آنالوگ ایجاد می شود.
تعداد سطوح خروجی ممکن که یک DAC برای پخش طراحی شده است معمولاً به عنوان تعداد بیت هایی که استفاده می کند بیان می شود که لگاریتم دو پایه تعداد سطوح است. به عنوان مثال، یک DAC 1 بیتی برای پخش دو مدار طراحی شده است، در حالی که یک DAC 8 بیتی برای پخش 256 مدار طراحی شده است. padding مربوط به تعداد موثر بیت ها است که معیاری از وضوح واقعی بدست آمده توسط DAC است. وضوح، عمق رنگ را در برنامه‌های ویدیویی و نرخ بیت صدا را در دستگاه‌های صوتی تعیین می‌کند.
حداکثر فرکانس
اندازه‌گیری سریع‌ترین سرعتی که یک مدار DAC می‌تواند با آن کار کند و همچنان خروجی درستی تولید کند، رابطه بین آن و پهنای باند سیگنال نمونه‌برداری شده را تعیین می‌کند. همانطور که در بالا گفته شد، قضیهنمونه‌های Nyquist-Shannon سیگنال‌های پیوسته و گسسته را مرتبط می‌کند و ادعا می‌کند که هر سیگنالی را می‌توان با هر دقتی از رکوردهای گسسته آن بازسازی کرد.
یکنواختی
این مفهوم به توانایی خروجی آنالوگ DAC برای حرکت فقط در جهتی اشاره دارد که ورودی دیجیتال حرکت می کند. این مشخصه برای DACهایی که به عنوان منبع سیگنال فرکانس پایین استفاده می شوند بسیار مهم است.
اعوجاج هارمونیک کل و نویز (THD + N)
اندازه گیری اعوجاج و صداهای خارجی وارد شده توسط DAC به سیگنال، که به صورت درصدی از مقدار کل اعوجاج هارمونیک ناخواسته و نویز همراه با سیگنال مورد نظر بیان می شود. این یک ویژگی بسیار مهم برای برنامه های DAC پویا و کم خروجی است.
محدوده
اندازه گیری تفاوت بین بزرگترین و کوچکترین سیگنال هایی که یک DAC می تواند بازتولید کند، که در دسی بل بیان می شود، معمولاً به وضوح و سطح نویز مربوط می شود.
سایر اندازه‌گیری‌ها مانند اعوجاج فاز و جیتر نیز می‌توانند برای برخی کاربردها بسیار مهم باشند. مواردی وجود دارند (به عنوان مثال، انتقال داده های بی سیم، ویدیوی ترکیبی) که حتی می توانند به دریافت دقیق سیگنال های تنظیم فاز تکیه کنند.
نمونه‌گیری صوتی PCM خطی معمولاً با وضوح هر بیت معادل شش دسی بل دامنه (دوبرابر صدا یا دقت) کار می‌کند.
کدگذاری‌های غیرخطی PCM (A-law / Μ-law، ADPCM، NICAM) سعی می‌کنند محدوده‌های دینامیکی مؤثر خود را به روش‌های مختلف بهبود بخشند -اندازه گام های لگاریتمی بین سطوح صوتی خروجی که با هر بیت داده نمایش داده می شود.
طبقه بندی مبدل های دیجیتال به آنالوگ
طبقه بندی بر اساس غیرخطی بودن آنها را به: تقسیم می کند
- غیرخطی متمایز، که نشان می دهد چگونه دو مقدار کد همسایه از مرحله کامل 1 LSB منحرف می شوند.
- غیرخطی تجمعی نشان می دهد که انتقال DAC تا چه حد از ایده آل انحراف دارد.
بنابراین ویژگی ایده آل معمولاً یک خط مستقیم است. INL نشان می دهد که ولتاژ واقعی در یک مقدار کد معین چقدر با این خط در کمترین بیت های مهم تفاوت دارد.
تقویت
در نهایت نویز توسط زمزمه حرارتی تولید شده توسط اجزای غیرفعال مانند مقاومت ها محدود می شود. برای کاربردهای صوتی و در دمای اتاق، این سیگنال معمولاً کمتر از 1 µV (میکروولت) سیگنال سفید است. این کار حتی در DACهای 24 بیتی را به کمتر از 20 بیت محدود می کند.
عملکرد در حوزه فرکانس
محدوده دینامیکی بدون کاذب (SFDR) نسبت توان سیگنال اصلی تبدیل شده را به بزرگترین بیش از حد ناخواسته در دسی بل نشان می‌دهد.
نسبت اعوجاج نویز (SNDR) ویژگی توان صدای اصلی تبدیل شده به مجموع آن را در دسی بل نشان می دهد.
اعوجاج هارمونیک کل (THD) مجموع توانهای همه HDi است.
اگر حداکثر خطای DNL کمتر از 1 LSB باشد، مبدل دیجیتال به آنالوگ تضمین شده است.یکنواخت خواهد بود. با این حال، بسیاری از سازهای یکنواخت می توانند حداکثر DNL بیش از 1 LSB داشته باشند.
عملکرد دامنه زمانی:
- منطقه ضربه ای اشکال (انرژی اشکال).
- عدم قطعیت پاسخ.
- زمان غیرخطی (TNL).
عملیات پایه DAC
یک مبدل آنالوگ به دیجیتال یک عدد دقیق (اغلب یک عدد باینری نقطه ثابت) را می گیرد و آن را به یک کمیت فیزیکی (مانند ولتاژ یا فشار) تبدیل می کند. DAC ها اغلب برای سازماندهی مجدد داده های سری زمانی دقیق محدود به یک سیگنال فیزیکی پیوسته در حال تغییر استفاده می شوند.
مبدل D/A ایده‌آل اعداد انتزاعی را از قطاری از پالس‌ها می‌گیرد، که سپس با استفاده از شکلی از درونیابی پردازش می‌شوند تا داده‌های بین سیگنال‌ها را پر کنند. یک مبدل معمولی دیجیتال به آنالوگ اعداد را در یک تابع ثابت تکه ای متشکل از دنباله ای از مقادیر مستطیلی قرار می دهد که با نگه داشتن مرتبه صفر مدل می شود.
مبدل سیگنال های اصلی را بازیابی می کند تا پهنای باند آن الزامات خاصی را برآورده کند. نمونه برداری دیجیتال با خطاهای کوانتیزاسیون همراه است که نویز سطح پایینی ایجاد می کند. این اوست که به سیگنال بازیابی شده اضافه می شود. حداقل دامنه صدای آنالوگ که می تواند باعث تغییر صدای دیجیتال شود، بیت کم اهمیت (LSB) نامیده می شود. و خطای (گرد) که بین سیگنال های آنالوگ و دیجیتال رخ می دهد،خطای کوانتیزاسیون نامیده می شود.
