D/A konverter

A digitális-analóg konverter ( DAC ) egy olyan eszköz, amely digitális (általában bináris) kódot analóg jellé ( áram , feszültség vagy töltés ) alakít át. A D/A konverterek az interfészt jelentik a diszkrét digitális világ és az analóg jelek között. A modern DAC-okat félvezető technológiák felhasználásával, integrált áramkör formájában hozzák létre .

Egy analóg-digitális átalakító (ADC) hajtja végre a fordított műveletet.

Alkalmazás

A DAC-t mindig használják távközlési rendszerekben és vezérlőrendszerekben. Például:

• Audiolejátszó rendszerekben ;
• A kijelzőkben ;
• Információs jel kialakítása keverőkhöz és vezérelt generátorokhoz;
• A motorvezérlő rendszerekben;
• Közvetlen digitális szintézis rendszerekben (DDS - Direct Digital Synthesizer);

Jellemzők

A következő jellemzőket általában a digitális-analóg átalakítók leírására használják.

Általános

• Bitmélység . Meghatározza a DAC által kiadható analóg jelszintek számát. Egy N bites DAC esetén az analóg jelszintek száma 2 N (beleértve a nulla kód értékét);
• Tápfeszültség;

Statikus jellemzők:

• A statikus konverziós karakterisztika a DAC kimenőjel értékének a bemeneti kód értékétől való függése;
• Statikus nemlinearitás. A statikus nemlinearitás leírására két mennyiséget használnak: a differenciális nemlinearitást (DNL) és az integrált nemlinearitást (INL);
• Egykedvűség . A DAC egyik legfontosabb jellemzője, ami arra utal, hogy a kód növekedésével az analóg jel értéke is nő. Az egységes architektúra garantálja a monotonitást. Bináris architektúra esetén a monotonitás nem garantált;
• Nulla-eltolás;
• Erősítési hiba;

Dinamikus jellemzők:

• teljesítmény. Ez az a maximális frekvencia, amellyel megváltoztathatja a kódot a DAC bemenetén, miközben a kimenetén a megfelelő eredményt kapja. Mérése „mintában/s”-ban vagy hertzben történik. Mintavételezési frekvenciának vagy maximális bemeneti kódváltási sebességnek nevezhető ;
• SNR (jel/zaj arány). Ezt a visszaállított harmonikus jel teljesítményének és a kimeneti jel spektrumában lévő összes többi harmonikus teljesítményének arányának tekintik, kivéve a többszöröseket, és decibelben fejezik ki;
• SFDR (Spurious Free Dynamic Range). Ezt a visszaállított harmonikus jel amplitúdójának és a kimeneti jelspektrum legnagyobb harmonikusának amplitúdójához viszonyított arányának tekintjük, decibelben is kifejezve. Ezt a jellemzőt dinamikus linearitásnak is nevezik.
• Energiafelhasználás;

Soros DAC-ok

A soros DAC-kban a bemeneti kódot bitről bitre analóg jellé alakítják. Ugyanakkor ugyanazt az áramkört használják az összes számjegy konvertálására, ami nagymértékben leegyszerűsíti az eszközt, azonban az ilyen átalakítási arány fordítottan arányos a bitmélységgel. Ne keverjük össze a konverziós módszert és a készülék bemeneti interfészét: a bemeneti kód sorosan és párhuzamosan is betáplálható egy soros DAC bemenetére. A soros DAC-ok a következő típusokat tartalmazzák:

• Az impulzusszélesség-modulátor  a DAC legegyszerűbb típusa. Egy stabil áram- vagy feszültségforrást időnként bekapcsolnak az átalakított digitális kóddal arányos időre, majd a kapott impulzussorozatot egy analóg aluláteresztő szűrő szűri . Ezt a módszert gyakran használják az elektromos motorok fordulatszámának szabályozására, és a hi-fi audiotechnikában is egyre népszerűbb;
• Ciklikus DAC (ciklikus DAC);
• Pipeline DAC (pipeline DAC);

Az audio DAC általában impulzuskódos modulációban ( PCM, impulzuskódos moduláció ) fogad digitális jelet .  A különféle tömörített formátumok PCM - mé alakításának feladatát a megfelelő kodekek végzik .

Párhuzamos DAC-ok

Építészet

A DAC architektúra a kimeneti jel funkcionális szintű előállításának módja. Más szavakkal, ez annak leírása, hogy mely számok összege bontja fel a kimenő jel értékét. A kimenő jelet mérőelemek segítségével alakítják ki, amelyek mindegyike felelős a kimenő analóg jel "részéért". A következő architektúrákat különböztetjük meg a mérlegelemek értékkészletével:

• Bináris architektúra;

Két szomszédos mérlegelem aránya 2. Vagyis a kimenő jel ugyanúgy keletkezik, mint a kettes számrendszerben . Ennek megfelelően a kimeneti jelet alkotó elemek súlya normalizált formában 1, 2, 4, 8, 16 stb. lesz. A súlyozási elemeket bináris kód vezérli.

• Unáris architektúra;

Két szomszédos mérlegelem aránya 1. Vagyis a kimenő jel ugyanúgy jön létre, mint az unáris számrendszerben . Ennek megfelelően az összes elem súlya normalizált formában egyenlő 1-gyel. A vezérlést egy unáris vagy unitárius kód végzi .

• Fibonacci építészet;

Az elemsúlyok Fibonacci-számok sorozata . A kimeneti jel ugyanúgy jön létre, mint a Fibonacci számrendszerben .

Ezenkívül létezik a szegmens architektúra koncepciója , amely magában foglalja a bemeneti kód több csoportra való felosztását. Általában kettő. Minden csoportot a szegmensei önállóan dolgoznak fel. Az összes szegmens kimenetei egyesítik a DAC kimenetet. A szegmens architektúra leggyakoribb konfigurációja a következő: az alacsony biteket egy bináris architektúrára épített szegmens, a magas biteket egy unáris architektúrára épített szegmens dolgozza fel.

A mérőelemek típusai és a súlyképzés módjai

A digitális-analóg átalakítók az architektúrától függetlenül a következő típusú komponenseket használhatják analóg jelsúlyozási elemként: kondenzátorok, ellenállások és áramforrások.

• Kondenzátorok. Az ilyen típusú mérlegelemek, ha bináris architektúrában használják, vagy kétszeresen eltérhetnek a szomszédos elemektől, vagy 1-es és 2-es besorolásúak lehetnek, és C -2 C létraláncot alkothatnak .
• Ellenállások. Az ilyen típusú mérőelemek felépítése megegyezik a kondenzátorokéval. Ezenkívül vannak ilyen struktúrák megvalósítása, amelyek nem ellenállásokon, hanem ellenállásként működő tranzisztorokon alapulnak. Az ilyen láncokat M -2 M -nek nevezik .
• Aktuális források. Ez általában a tranzisztor telítési módban. Az ilyen típusú mérőelemek használata szükségtelenné teszi azokat a puffereket, amelyek más típusú mérőelemekhez szükségesek.

A mérőelem súlyának meghatározásához a következő módszerek vannak:

1. Címletskálázás. Bármilyen típusú mérőelemhez alkalmazható. Ez a félvezetőtechnika szempontjából mindig egyenértékű az elemek méreteinek skálázásával;
2. Létraszerkezet használata. Csak kapacitív és rezisztív mérőelemekre vonatkozik. A mérőelem típusától függően az ilyen szerkezeteket R -2 R , C -2 C vagy M -2 M néven nevezik (az ellenállások helyett tranzisztorokat használnak);
3. Az előfeszítő feszültség megváltoztatása. Csak a jelenlegi forrásokra vonatkozik. Az előfeszítő feszültség változása mind hangolható előfeszítő feszültséggeneráló áramkör segítségével, mind az úszókapun történő töltésinjektálás segítségével történhet. Ez utóbbi csak olyan speciális technológiákra alkalmazható, amelyek a tranzisztoron lebegő kapu kialakítását biztosítják. Általában ezek a nem felejtő memória gyártására szolgáló technológiák.

Rezisztív és kapacitív párhuzamos DAC-ok szerkezetei

Bináris

• Súlyozás típusa DAC , amelyben az átalakított bináris kód minden bitje egy közös összegzési ponthoz csatlakoztatott ellenállásnak vagy áramforrásnak felel meg. A forrás áramerőssége (az ellenállás vezetőképessége) arányos a hozzá tartozó bit súlyával. Így a kód összes nem nulla bitje hozzáadódik a súlyhoz. A súlyozási módszer az egyik leggyorsabb, de alacsony pontosság jellemzi, mivel sok különböző precíziós forrásra vagy ellenállásra van szükség, és nem állandó impedanciára van szükség . Emiatt a súlyozási DAC-ok nyolc bitre korlátozódnak;
• DAC típusú létra ( lánc R-2R áramkör ). Az R-2R DAC-ban az értékeket egy speciális, R és 2R ellenállású ellenállásokból álló áramkörben hozzák létre , amelyet állandó impedanciamátrixnak neveznek , és amelynek két típusa van: egyenáramú mátrix és inverz feszültségű mátrix . Azonos ellenállások használatával jelentősen javítható a pontosság a hagyományos mérő-DAC-hoz képest, mivel viszonylag egyszerű azonos paraméterű precíziós elemkészletet gyártani. Az R-2R típusú DAC lehetővé teszi a bitkapacitás határainak feszegetését. A hibrid mikroáramkör ugyanazon a hordozóján elhelyezett filmellenállások lézeres kivágásával 20-22 bites pontosság érhető el. Az átalakítási idő nagy részét a műveleti erősítő tölti, ezért annak maximális teljesítményt kell nyújtania. A DAC sebessége mikroszekundum és ennél kisebb egység (azaz nanoszekundum). A hármas DAC-okban az állandó impedanciájú mátrix 3R-4R ellenállásból áll, 2R lezáróval [1] .

Unary

• DAC ellenállásvonalon alapul .

Túlmintavételezésű DAC (delta-sigma DAC)

A túlmintavételező DAC -ok , mint például a delta-sigma DAC-ok, változó impulzussűrűségen alapulnak. A túlmintavételezés lehetővé teszi egy kisebb bitmélységű DAC használatát a végső konverzió nagyobb bitmélységének elérése érdekében; gyakran egy delta-szigma DAC a legegyszerűbb egybites DAC köré épül, amely majdnem lineáris. A kisbites DAC modulált impulzussűrűségű impulzusjelet kap (állandó impulzusidőtartammal, de változó munkaciklussal ), amely negatív visszacsatolás segítségével jön létre . A negatív visszacsatolás a kvantálási zaj felüláteresztő szűrőjeként működik .

A legtöbb nagy DAC (több mint 16 bites) ezen az elven épül fel nagy linearitása és alacsony költsége miatt. A delta-sigma DAC sebessége eléri a több százezer mintát másodpercenként, a bitmélység 24 bitig terjed. Modulált impulzussűrűségű jel előállításához egy egyszerű, első vagy magasabb rendű delta-szigma modulátor használható, mint a MASH ( angol  többlépcsős zajalakítás ). A túlmintavételezési frekvencia növekedésével a kimeneti aluláteresztő szűrő követelményei enyhülnek, és javul a kvantálási zajelnyomás;

Lásd még

• Kvantálás (jelfeldolgozás)
• Mintavétel
• Covox
• Modem
• Digitális számítástechnikai szintetizátor
• 1 bites DAC

Jegyzetek

1. ↑ Trinity 3-trit Fibonacci DAC (elérhetetlen link) . Letöltve: 2015. október 24. Az eredetiből archiválva : 2016. március 4.. (határozatlan) 

Irodalom

• Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolic. Digitális integrált áramkörök. Tervezési módszertan = Digital Integrated Circuits. - 2. kiadás - M .: Williams , 2007. - 912 p. — ISBN 0-13-090996-3 .
• Mingliang Liu. A kapcsolt kondenzátoráramkörök megfejtése. ISBN 0-75-067907-7 .
• Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS analóg áramkör tervezés. ISBN 0-19-511644-5 .

Linkek

• Digitális-analóg átalakítók (DAC), elmélet és működési elvek a helyszínen Mikroelektronikai piac
• D/A konverterek digitális jelfeldolgozáshoz
• A nagy sebességű ADC-k INL/DNL mérései elmagyarázzák, hogyan számítják ki az INL-t és a DNL -t
• Párhuzamos DAC-ok
• Alekszej Sztahov . Fibonacci számítógép 1. rész , 2. rész , 3. rész // PCweek.ru, 2002
• Az R-2R Ladder DAC leírása vázlatokat tartalmaz 

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán nagy kínai nagy kínai Nagy orosz Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4128360-0 J9U : 987007555315305171 LCCN : sh85037984

Mikrokontrollerek
Építészet	8 bites MCS-51 MCS-48 PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC11 16 bites MSP430 MCS-96 MCS-296 PIC24 MAXQ Nios 68HC12 68HC16 CR16/C 32 bites RISC-V KAR MIPS AVR32 PIC32 683XX M32R szuperh Nios II Am29000 LatticeMico32 MPC5xx PowerQUICC Parallax propeller
Gyártók	Analóg eszközök Atmel Silabs Freescale Fujitsu Holtek Hynix Infineon Intel Mikrochip Alapelv Nuvoton NXP félvezetők Parallaxis Renesas STMicroelectronics Texas Instruments Toshiba Ubicom Zilog Ciprus Integrál Milandr
Alkatrészek	Regisztráció processzor SRAM EEPROM Flashmemória Kvarc rezonátor Kristály oszcillátor RC generátor Keret
Periféria	Időzítő ADC DAC összehasonlító PWM vezérlő Számláló LCD hőmérséklet szenzor Watchdog Timer
Interfészek	TUD UART USB SPI I²C Ethernet 1 vezeték
OS	FreeRTOS μClinux BeRTOS ChibiOS/RT eCos RTEMS Unison MicroC/OS-II Sejtmag Contiki
Programozás	JTAG C2 programozó MPLAB AVR Stúdió MCStudio