Digital til analog-omformar
Frå Wikipedia – det frie oppslagsverket
I elektronikken er ein digital til analog-omformar (DAC eller DA-omformar) ei innretning som gjer digital kode om til eit analogt signal (straum, spenning eller elektrisk ladning). Digital til analog-omformarar er grensesnittet mellom den abstrakte digitale verda og den analoge verkelege verda.
Ein analog til digital-omformar (ADC) gjer den motsette operasjonen.
Innhaldsliste |
[endre] Grunnleggjande ideell funksjon
Den fundamentale funksjonen til ein DAC er å gjere verdiar med endeleg presisjon (vanlegvis binære tal) om til ein fysisk kvantitet (straum, spenning eller ladning). Det vanlege er at den fysiske kvantiteten er ein lineær funksjon av inngangsverdien. Vanlegvis vert desse verdiane oppdatert ved faste intervall, og dei kan bli sett på som verdiar henta frå ein punktprøvingsprosess. Desse verdiane vert sendt til DACen og lagra i til dømes eit register. Saman med datasignalet er det vanleg å sende eit klokkesignal som gjer at inngangsverdiane vert omforma ved faste intervall. Den analoge verdien på utgangen vert oppdatert straks klokkesignalet kjem.
Resultatet av denne funksjonen er at verdien på utgangen på DACen blir halde mellom kvar oppdatering av verdien og ein får ein stykkevis konstant utgang. Dette er det same som ein nulte ordens hald operasjon og har ein særeigen effekt på frekvensresponsen til det rekonstruerte signalet.
Det faktum at DACar i praksis ikkje lagar ein sekvens av dirac impulsar (som, ved ideell lav-pass filtrering, resulterer i det originale signalet før punktprøving), men i staden lagar ein sekvens med stykkevis konstante verdiar eller rektangulære verdiar, gjer at det er ein implesitt effekt som stammar frå nulte ordens hald operasjonen på frekvensresponsen til utgangen. Effekten er at det er ein lett avrunding av forsterkinga ved høgare frekvensar (eit 3.9224 dB tap ved Nyquistfrekvensen). Denne nulte ordens hald-effekten er ein konsekvens av hald funksjonaliteten til DACen og ikkje på grunn av punktprøvinga som kan vere i forkant med ein vanleg analog-til-digital omformar slik som det ofte er misforstått.
[endre] Applikasjonar
[endre] Audio
Dei fleste moderne lydsignal er lagra på eit digitalt format (til dømes MP3 eller CD). For at signala skal kunne høyrast i ein høgtalar må dei gjerast om til eit fysisk analogt signal. DA-omformarar finn ein difor i CD-spelarar, digitale musikkavspelarar, og lydkort i datamaskiner.
Spesialiserte sjølvstendige DA-omformarar kan også finnast i høgytelses hi-fi system. Desse tar vanlegvis imot den digitale utgangen frå ein CD-spelar og gjer om signalet til eit analogt lydsignal som blir sendt til førforsterkartrinnet. Nokre av desse kan også koplast med datamaskiner ved hjelp av eit USB-grensesnitt.
[endre] Video
Videosignal frå ei digital kjelde, slik som ei datamaskin, må gjerast om til analoge signal viss dei skal visast på ein analog skjerm. Slik ståa er i 2007 er analoge inngangar meir vanleg å bruke enn digitale, men dette kan fort endrast ettersom flatskjermar med DVI og/eller HDMI-tilkoplingar blir meir vanleg. Ein video DAC er uansett bygd inn i alle digitale videoavspelarar med analoge utgangar. DA-omformaren er vanlegvis integrert med noko minne (RAM), som inneheld omgjeringstabellar for gamma korreksjon, kontrast og lysstyrke. Dette lagar ei innretning som vert kalla RAMDAC.
[endre] Trådlaus kommunikasjon
For å sende digitale signal over eteren (i til dømes WLAN) ved hjelp av radiokommunikasjon, trengst det DA-omformarar for at signalet skal kunne sendast. Tradisjonelt har DA-omformaren vore i kombinasjon med ein modulator som modulerer det fysiske signalet i same operasjon som omforminga frå digital til analog. Då vil typisk radioen motta eit digitalt signal som så blir modulert til ulike analoge symbol. Ettersom teknologien for integrerte DA/AD-omformarar er blitt betre er det no mogeleg å flytte modulatoren over i det digitale domenet, og DA-omformaren gjer om eit ferdig modulert signal som radioen kan bruke. Dette fører til at radioen kan lagast mykje enklare.
[endre] DAC typar
Dei mest vanlege typane av elektroniske DA-omformarar er:
- Den enklaste DA-omformaren er ein Pulsbreidde-modulator. Ein stabil straum eller spenning blir skifta mellom to nivå og sendt gjennom eit analogt lågpass-filter. Lengda på pulsane er avhengig av den digitale koden. Denne teknikken blir ofte brukt for å kontrollere farten i elektriske motorar. Han har også vore populær innan høgytelses lydsystem.
- Oversampla DA-omformarar som Delta Sigma-DAC brukar ein omformingsteknikk som består i å forme pulstettleiken i eit signal. Oversamplingsteknikken gjer at ein internt kan bruke ein DA-omformar med legre oppløysing. Ein enkel 1-bit DAC blir ofte valt fordi det oversampla resultatet er ibuande lineært. DA-omformaren er driven med eit signal som er modulert etter pulstettleik. Det blir laga ved hjelp av eit lågpassfilter, forteiknsfunksjon (1-bit DACen) og ei negativt tilbakekobla sløyfe i ein teknikk som vert kalla delta sigma-modulasjon. Dette fører til eit effektivt høgpassfilter som opererer på kvantiseringsstøyen, og dermed flyttar støyen ut av dei nedre delane av frekvensbandet som ein brukar og over i dei øvre delane som ein filtrerar vekk. Dette vert kalla støyforming. Kvantiseringsstøyen ved desse høge frekvensane vert fjerna eller kraftig dempa ved hjelp av eit analogt lågpassfilter på utgangen (av og til er ein enkelt RC-krins tilstrekkeleg). Dei fleste DA-omformarar med høg oppløysing (meir enn 16 bit) er av denne typen på grunn av høg linearitet og låg kost. Høgare oversamplingsrate kan anten slakke på krava til lågpassfilteret på utgangen eller føre til endå meir demping av kvantiseringsstøyen. Samplingsrater på over 100 tusen punktprøver per sekund (til dømes 192 kHz) og oppløysing på 24 bit er mogeleg med delta sigma-DAC. Ei kort samanlikning med pulsbreidde-modulator viser at ein enkel 1-bit DAC med ein enkel første ordens integrator må køyre på 3 THz for å oppnå 24 bit effektiv oppløysing, og krev eit høgare ordens lågpassfilter i støyformingsløkka. Ein enkel integrator er eit lågpassfilter med ein frekvensrespons som er invers proporsjonal med frekvensen. Å bruke ein slik integrator i støyformingsløkkja er eit første ordens delta sigma-modulator.
- Ein binærvekta DA-omformar inneheld ein motstand eller ei straumkjelde for kvart bit i DA-omformaren. Desse er kopla saman i eit summeringspunkt via brytarar som slår dei inn eller ut. Dette er ein av dei snøggaste formane for DA-omforming, men slit med dårleg nøyaktigheit på grunn av den høge presisjonen som krevst for kvar motstand eller straumkjelde. Motstandar og straumkjelder med så høg presisjon er dyre, så denne type omformar er vanlegvis avgrensa til 8-bit oppløysing eller mindre.
Denne artikkelen er ikkje (ferdig) omsett frå Engelsk enno.
Hjelp oss gjerne med å gjera omsetjinga ferdig! |
- the Binary Weighted DAC, which contains one resistor or current source for each bit of the DAC connected to a summing point. These precise voltages or currents sum to the correct output value. This is one of the fastest conversion methods but suffers from poor accuracy because of the high precision required for each individual voltage or current. Such high-precision resistors and current-sources are expensive, so this type of converter is usually limited to 8-bit resolution or less.
- the R-2R Ladder DAC, which is a binary weighted DAC that uses a repeating cascaded structure of resistor values R and 2R. This improves the precision due to the relative ease of producing equal valued matched resistors (or current sources). However, wide converters performs slowly due to increasingly large RC-constants for each added R-2R link.
- the Thermometer coded DAC, which contains an equal resistor or current source segment for each possible value of DAC output. An 8-bit thermometer DAC would have 255 segments, and a 16-bit thermometer DAC would have 65,535 segments. This is perhaps the fastest and highest precision DAC architecture but at the expense of high cost. Conversion speeds of >1 billion samples per second have been reached with this type of DAC.
- the Segmented DAC, which combines the thermometer coded principle for the most significant bits and the binary weighted principle for the least significant bits. In this way, a compromise is obtained between precision (by the use of the thermometer coded principle) and number of resistors or current sources (by the use of the binary weighted principle). The full binary weighted design means 0% segmentation, the full thermometer coded design means 100% segmentation.
- Hybrid DACs, which use a combination of the above techniques in a single converter. Most DAC integrated circuits are of this type due to the difficulty of getting low cost, high speed and high precision in one device.
[endre] DAC performance
DACs are at the beginning of the analog signal chain, which makes them very important to system performance. The most important characteristics of these devices are:
- Resolution: This is the number of possible output levels the DAC is designed to reproduce. This is usually stated as the number of bits it uses, which is the base two logarithm of the number of levels. For instance a 1 bit DAC is designed to reproduce 2 (21) levels while an 8 bit DAC is designed for 256 (28) levels. Resolution is related to the Effective Number of Bits (ENOB) which is a measurement of the actual resolution attained by the DAC.
- Maximum sampling frequency: This is a measurement of the maximum speed at which the DACs circuitry can operate and still produce the correct output. As stated in the Shannon-Nyquist sampling theorem, a signal must be sampled at over twice the bandwidth of the desired signal. For instance, to reproduce signals in all the audible spectrum, which includes frequencies of up to 20 kHz, it is necessary to use DACs that operate at over 40 kHz. The CD standard samples audio at 44.1 kHz, thus DACs of this frequency are often used. A common frequency in cheap computer sound cards is 48 kHz - many work at only this frequency, offering the use of other sample rates only through (often poor) internal resampling.
- monotonicity: This refers to the ability of DACs analog output to increase with an increase in digital code or the converse. This characteristic is very important for DACs used as a low frequency signal source or as a digitally programmable trim element.
- THD+N: This is a measurement of the distortion and noise introduced to the signal by the DAC. It is expressed as a percentage of the total power of unwanted harmonic distortion and noise that accompany the desired signal. This is a very important DAC characteristic for dynamic and small signal DAC applications.
- Dynamic range: This is a measurement of the difference between the largest and smallest signals the DAC can reproduce expressed in Decibels. This is usually related to DAC resolution and noise floor.
Other measurements, such as Phase distortion and Sampling Period Instability, can also be very important for some applications.
[endre] DAC figures of merit
- Static performance:
- DNL (Differential Non-Linearity) shows how much two adjacent code analog values deviate from the ideal 1LSB step
- INL (Integrated Non-Linearity) shows how much the DAC transfer characteristic deviates from an ideal one. That is, the ideal characteristic is usually a straight line; INL shows how much the actual voltage at a given code value differs from that line, in LSBs (1LSB steps).
- Gain
- Offset
- Frequency domain performance
- SFDR (Spurious Free Dynamic Range) indicates in dB the ratio between the powers of the converted main signal and the greatest undesired spur
- SNDR (Signal to Noise and Distortion Ratio) indicates in dB the ratio between the powers of the converted main signal and the sum of the noise and the generated harmonic spurs
- HDi (i-th Harmonic Distortion) indicates the power of the i-th harmonic of the converted main signal
- THD (Total harmonic distortion) is the sum of the powers of all HDi
- if the maximum DNL error is lessthan 1 LSB,then D/A converter is guaranteed to be monotonic.
However many monotonic converters may have a maximum DNL greater than 1 LSB.
- Time domain performance
- Glitch Energy
- Response Uncertainty
- TNL (Time Non-Linearity)
[endre] See also
- Digital television adapter
- Modem
[endre] Links and books
- Audio Hi-Fi DAC build See a high quality audio DAC being built.
- R-2R Ladder DAC explained with circuit diagrams.
- Resistor/PWM Hybride DAC for hi-fi audio from cheap microcontrollers.
- INL/DNL Measurements for High-Speed ADCs explains how INL and DNL are calculated.
- How to build a Digital to Analog converter A cheap, simple, yet reliable home-made solution!
- Dynamic Evaluation of High-Speed, High Resolution D/A Converters Outlines HD, IMD and NPR measurements, also includes a derivation of quantization noise
- ADC and DAC Glossary
- S. Norsworthy, Richard Schreier, Gabor C. Temes, Delta-Sigma Data Converters. ISBN 0-7803-1045-4.
- Mingliang Liu, Demystifying Switched-Capacitor Circuits. ISBN 0-7506-7907-7.
- Behzad Razavi, Principles of Data Conversion System Design. ISBN 0-7803-1093-4.
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design. ISBN 0-19-511644-5.