D/A-omvandlare
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 september 2021; kontroller kräver 5 redigeringar .En digital-till-analog-omvandlare ( DAC ) är en enhet för att konvertera en digital (vanligtvis binär) kod till en analog signal ( ström , spänning eller laddning ). D/A-omvandlare är gränssnittet mellan den diskreta digitala världen och analoga signaler. Moderna DAC:er skapas med hjälp av halvledarteknologier i form av en integrerad krets .
En analog-till-digital-omvandlare (ADC) utför den omvända operationen.
Applikation
DAC används alltid i telekommunikationssystem och styrsystem. Till exempel:
- I ljuduppspelningssystem ;
- I displayer ;
- Bildande av en informationssignal för blandare och styrda generatorer;
- I motorstyrningssystem;
- I system för direkt digital syntes (DDS - Direct Digital Synthesizer);
Egenskaper
Följande egenskaper används vanligtvis för att beskriva digital-till-analog-omvandlare.
Allmänt
- Lite djup . Anger antalet analoga signalnivåer som DAC:n kan mata ut. För en N -bitars DAC är antalet analoga signalnivåer 2 N (inklusive värdet för kod noll);
- Matningsspänning;
Statiska egenskaper:
- Den statiska omvandlingskarakteristiken är beroendet av värdet på utsignalen från DAC:n på värdet på ingångskoden;
- Statisk icke-linjäritet. Två kvantiteter används för att beskriva statisk icke-linjäritet: differentiell icke-linjäritet (DNL) och integral icke-linjäritet (INL);
- Monotoni . En av de viktigaste egenskaperna hos DAC, vilket tyder på att när koden ökar så ökar också värdet på den analoga signalen. Den unära arkitekturen garanterar monotoni. För en binär arkitektur är monotonitet inte garanterad;
- Noll offset;
- Förstärkningsfel;
Dynamiska egenskaper:
- prestanda. Definierat som den maximala frekvensen med vilken du kan ändra koden vid ingången av DAC:n, samtidigt som du får rätt resultat vid dess utgång. Det mäts i "samples/s" eller i hertz. Kan hänvisas till som samplingshastighet eller maximal ingångskodändringshastighet;
- SNR (Signal to Noise Ratio). Det betraktas som förhållandet mellan effekten av den återställda övertonssignalen och summan av styrkorna för alla andra övertoner i utsignalspektrat, förutom multiplar, och uttrycks i decibel;
- SFDR (Spurious Free Dynamic Range). Det betraktas som förhållandet mellan amplituden för den återställda övertonssignalen och amplituden för den största övertonen i utsignalspektrat, även uttryckt i decibel. Denna egenskap kallas också "dynamisk linjäritet".
- Energiförbrukning;
Seriella DAC:er
I seriella DAC:er omvandlas ingångskoden till en analog signal bit för bit. Samtidigt används samma krets för att konvertera alla siffror, vilket avsevärt förenklar enheten, dock är omvandlingshastigheten i en sådan omvänt proportionell mot bitdjupet. Blanda inte ihop konverteringsmetoden och enhetens ingångsgränssnitt: ingångskoden kan matas till ingången på en seriell DAC både i serie och parallellt. Seriella DAC:er inkluderar följande typer:
- Pulsbreddsmodulatorn är den enklaste typen av DAC. En stabil ström- eller spänningskälla slås på periodiskt under en tid som är proportionell mot den konverterade digitala koden, sedan filtreras den resulterande pulssekvensen av ett analogt lågpassfilter . Denna metod används ofta för att styra hastigheten på elmotorer, och den blir också populär inom hi-fi- ljudteknik;
- cyklisk DAC (cyklisk DAC);
- Pipeline DAC (pipeline DAC);
En ljud-DAC tar vanligtvis emot en digital signal i pulskodmodulering ( PCM, pulskodmodulering ) . Uppgiften att konvertera olika komprimerade format till PCM utförs av respektive codec .
Parallella DACs
Arkitekturer
En DAC-arkitektur är ett sätt att generera en utsignal på funktionsnivå. Med andra ord är detta en beskrivning av summan av vilka tal som kommer att dekomponera värdet på utsignalen. Utsignalen bildas med hjälp av vägningselement, som vart och ett ansvarar för sin "del" av den utgående analoga signalen. Följande arkitekturer kännetecknas av uppsättningen av värden för vägningselementen:
- Binär arkitektur;
Förhållandet mellan två angränsande vägningselement är 2. Det vill säga utsignalen bildas på samma sätt som det sker i det binära talsystemet . Följaktligen kommer vikterna av elementen som bildar utsignalen, i normaliserad form, att vara lika med 1, 2, 4, 8, 16, etc. Viktningselementen styrs av en binär kod.
- Unär arkitektur;
Förhållandet mellan två intilliggande vägningselement är 1. Det vill säga, utsignalen bildas på samma sätt som det sker i det enära talsystemet . Följaktligen är vikten av alla element, i normaliserad form, lika med 1. Kontrollen utförs av en unär eller enhetlig kod .
- Fibonacci-arkitektur;
Elementvikterna är en sekvens av Fibonacci-tal . Utsignalen bildas på samma sätt som det sker i Fibonaccis talsystem .
Dessutom finns begreppet segmentarkitektur , som innebär uppdelning av inmatningskoden i flera grupper. Vanligtvis två. Varje grupp bearbetas oberoende av sitt segment. Utgångarna från alla segment kombineras för att bilda DAC-utgången. Den vanligaste konfigurationen av segmentarkitekturen är följande: låga bitar bearbetas av ett segment byggt på en binär arkitektur, höga bitar bearbetas av ett segment byggt på en unär arkitektur.
Typer av vägningselement och sätt att bilda vikten
Digital-till-analog-omvandlare, oavsett arkitektur, kan använda följande typer av komponenter som ett analogt signalviktningselement: kondensatorer, motstånd och strömkällor.
- Kondensatorer. Denna typ av vägningselement, när de används i en binär arkitektur, kan antingen ha betyg som skiljer sig från angränsande element med 2 gånger, eller ha betyg på 1 och 2 och bilda en stegkedja C -2 C .
- Motstånd. Denna typ av vågelement har samma konstruktionsprinciper som kondensatorer. Dessutom finns det implementeringar av sådana strukturer baserade inte på motstånd, utan på transistorer som fungerar som motstånd. Sådana kedjor kallas M - 2M .
- Aktuella källor. Detta är vanligtvis transistorn i mättnadsläge. Användningen av dessa typer av vågelement eliminerar behovet av buffertar som krävs för andra typer av vågelement.
För att bilda vikten på vägningselementet finns det följande metoder:
- Valörskalning. Gäller alla typer av vågelement. Ur halvledarteknikens synvinkel är detta alltid likvärdigt med att skala elementens dimensioner;
- Användning av stegstruktur. Gäller endast kapacitiva och resistiva vägningselement. Beroende på typen av vägningselement kallas sådana strukturer R -2 R , C -2 C eller M -2 M (transistorer används istället för motstånd);
- Ändra förspänningen. Gäller endast aktuella källor. Förändringen i förspänningen kan ske både med hjälp av en avstämbar förspänningsgenereringskrets, och med hjälp av laddningsinjektion på den flytande grinden. Det senare är endast tillämpligt för speciella tekniker som tillhandahåller bildandet av en flytande grind vid transistorn. Som regel är dessa tekniker avsedda för tillverkning av icke-flyktigt minne.
Strukturer av resistiva och kapacitiva parallella DAC:er
Binär- Viktningstyp DAC , där varje bit av den konverterade binära koden motsvarar ett motstånd eller en strömkälla kopplad till en gemensam summeringspunkt. Strömstyrkan hos källan (motståndets konduktans) är proportionell mot vikten av biten som den motsvarar. Således läggs alla bitar som inte är noll i koden till vikten. Viktningsmetoden är en av de snabbaste, men den kännetecknas av låg noggrannhet på grund av behovet av en uppsättning av många olika precisionskällor eller motstånd och en icke-konstant impedans . Av denna anledning är viktnings-DAC:er begränsade till åtta bitar;
- Stege typ DAC ( kedja R-2R krets ). I R-2R DAC skapas värden i en speciell krets bestående av motstånd med resistanserna R och 2R , kallad konstantimpedansmatris , som har två typer av inneslutning: likströmsmatris och inversspänningsmatris . Användningen av samma motstånd kan avsevärt förbättra noggrannheten jämfört med en konventionell vägnings-DAC, eftersom det är relativt enkelt att tillverka en uppsättning precisionselement med samma parametrar. DAC typ R-2R låter dig tänja på gränserna för bitkapacitet. Med lasertrimning av filmmotstånd placerade på samma substrat av en hybridmikrokrets uppnås en noggrannhet på 20-22 bitar. Det mesta av konverteringstiden spenderas i operationsförstärkaren, så den måste ha maximal prestanda. DAC:ns hastighet är enheter av mikrosekunder och lägre (det vill säga nanosekunder). I ternära DAC:er består den konstanta impedansmatrisen av 3R-4R-motstånd med en 2R-terminator [1] .
- DAC baserad på motståndslinje .
Översampling DAC (delta-sigma DAC)
Översampling DAC , såsom delta-sigma DAC, baseras på variabel pulsdensitet. Översampling gör att du kan använda en DAC med ett lägre bitdjup för att uppnå ett större bitdjup av den slutliga konverteringen; ofta är en delta-sigma DAC byggd kring den enklaste enbits DAC som är nästan linjär. En DAC med liten bit tar emot en pulsad signal med en modulerad pulsdensitet (med konstant pulslängd, men med en variabel arbetscykel ), skapad med negativ återkoppling . Negativ återkoppling fungerar som ett högpassfilter för kvantiseringsbrus .
De flesta stora DAC:er (mer än 16 bitar) bygger på denna princip på grund av dess höga linjäritet och låga kostnad. Hastigheten hos delta-sigma DAC når hundratusentals sampel per sekund, bitdjupet är upp till 24 bitar. För att generera en signal med en modulerad pulsdensitet kan en enkel delta-sigma modulator av första ordningen eller högre ordningen som MASH ( Engelska Multi stage noise SHaping ) användas. När översamplingsfrekvensen ökar, mildras kraven för det utgående lågpassfiltret och undertryckningen av kvantiseringsbrus förbättras;
Se även
Anteckningar
- ↑ Trinity 3-trit Fibonacci DAC (otillgänglig länk) . Hämtad 24 oktober 2015. Arkiverad från originalet 4 mars 2016.
Litteratur
- Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolic. Digitala integrerade kretsar. Designmetodik = Digitala integrerade kretsar. - 2:a uppl. - M. : Williams , 2007. - 912 sid. — ISBN 0-13-090996-3 .
- Mingliang Liu. Avmystifierande switchade kondensatorkretsar. ISBN 0-75-067907-7 .
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS analog kretsdesign. ISBN 0-19-511644-5 .
Länkar
- Digital-till-analog omvandlare (DAC), teori och principer för drift på webbplatsen Microelectronics Market
- D/A-omvandlare för digital signalbehandling
- INL/DNL-mätningar för höghastighets-ADC:er förklarar hur INL och DNL beräknas
- Parallella DAC:er
- Alexey Stakhov . Fibonacci-dator del 1 , del 2 , del 3 // PCweek.ru, 2002
- R-2R Ladder DAC förklaras innehåller scheman
 Ordböcker och uppslagsverk | |
|---|---|
| I bibliografiska kataloger |
| Mikrokontroller | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Arkitektur |
| |||||||
| Tillverkare |
| |||||||
| Komponenter | ||||||||
| Periferi |
| |||||||
| Gränssnitt | ||||||||
| OS | ||||||||
| Programmering |
| |||||||