Digitalno-analogni pretvarač

U elektronici, digitalno-analogni pretvarač (eng. digital to analog converter, mogu se koriste sledeće skraćenice DAC, D/A, D2A ili D-to-A ) je sistem koji pretvara digitalni signal u analogni signal . Analogno-digitalni pretvarač (eng. analog to digital converter ADC) vrši obrnutu funkciju.

8-kanalni digitalno-analogni pretvarač logičkog kola CS4382 koji se koristi u zvučnoj kartici .

Postoji nekoliko DAC arhitektura ; Pogodnost DAC-a arhitekture za određene aplikacije je određena sledećim metrikama kao što su: rezolucija, maksimalna uzrokovna frekvencija (eng. sampling frequency) i druge metrike. Digitalno-analogni pretvarač može da umanji signal, tako da treba odabrati DAC arhitekturu koja ima zanemarljive greške za aplikaciju koja se projektuje.

DAC se obično koriste u muzičkim plejerima, da bi se pretvarili digitalni tokovi (eng. stream) podataka u analogne audio signale . Takođe se koriste u televizorima i mobilnim telefonima za pretvaranje digitalnih video podataka u analogne video signale . Ove dve aplikacije koriste DAC-ove na suprotnim krajevima kompromisa frekvencija/rezolucija. Audio DAC je niskofrekventni tip visoke rezolucije, dok je video DAC visokofrekventni tip niske do srednje rezolucije.

Zbog složenosti i potrebe za precizno usklađenim komponentama, svi osim najspecijalizovanijih DAC-a su implementirani kao integrisana kola (eng. integrated circuits, skraćeno IC). Oni obično imaju oblik čipova integrisanog kola metal–oksid–poluprovodnik (eng. metal oxide semiconductor, skraćeno MOS) sa mešovitim signalom koji integrišu analogna i digitalna kola .

Diskretni DAC-ovi (kola konstruisana od više diskretnih elektronskih komponenti umesto upakovanog IC-a) bi obično bili izuzetno brzi kad se radi sa niskim rezolucijama koji zahtevaju energiju, kao što se koriste u vojnim radarskim sistemima. Oprema za testiranje veoma velike brzine, posebno osciloskopi za uzorkovanje, takođe mogu koristiti diskretne DAC-ove.

Pregled

Odabir signala.

DAC pretvara apstraktni broj sa konačnom preciznošću (obično se misli na decimalni binarni broj sa konačnim brojem decimala) u fizičku veličinu (npr. napon ili pritisak). Konkretno, DAC-ovi se često koriste za pretvaranje podataka vremenske serije sa konačnom preciznošću u fizički signal koji stalno varira.

Prema Nikvist-Šenonovoj teoremi odabira, DAC može da obnovi originalni signal iz uzorkovanih podataka pod uslovom da njegov propusni opseg ispunjava određene zahteve (npr. signal osnovnog opsega sa propusnim opsegom manjim od nikvistove frekvencije). Digitalno uzorkovanje uvodi grešku kvantizacije (grešku zaokruživanja) koja se pokazuje kao šum niskog nivoa u rekonstruisanom signalu.

Aplikacije

Pojednostavljeni funkcionalni dijagram 8-bitnog DAC-a

DAC-ovi i ADC-ovi su deo dostupne tehnologije koja je u velikoj meri doprinela digitalnoj revoluciji . Za ilustraciju, razmotrite tipičan međugradski telefonski poziv. Glas pozivaoca (osoba koja poziva neku drugu osobu koristeći pozivni broj mobilnog telefona te osobe koje poziva) se pretvara u analogni električni signal pomoću mikrofona, a zatim se analogni signal pretvara u digitalni tok pomoću ADC-a. Digitalni tok se zatim deli na mrežne pakete gde se može poslati zajedno sa drugim digitalnim podacima, nije obavezan audio zapis. Paketi se tada primaju na odredište, ali svaki paket može krenuti potpuno drugačijom rutom i možda čak ni ne stići na odredište u tačnom vremenskom redosledu. Digitalni glasovni podaci se zatim izdvajaju iz paketa i sklapaju u digitalni tok podataka. DAC to ponovo pretvara u analogni električni signal, koji pokreće audio pojačalo, koje zauzvrat pokreće zvučnik, koji konačno proizvodi zvuk.

Audio

CD plejer sa gornjim učitavanjem i eksterni digitalno-analogni pretvarač.

Većina modernih audio signala se čuva u digitalnom obliku (na primer MP3 i kompakt-diskovi - skraćeno CD) i da bi moglo da se čuje preko zvučnika, moraju biti pretvoreni u analogni signal. DAC-ovi se stoga nalaze u plejerima za kompakt-diskove, digitalnim muzičkim plejerima i računarskim zvučnim karticama.

Specijalizovani samostalni DAC-ovi se takođe mogu naći u vrhunskim haj fideliti sistemima. Oni obično uzimaju digitalni izlaz kompatibilnog CD plejera ili namenskog transporta (koji je u osnovi CD plejer bez unutrašnjeg DAC-a) i pretvaraju signal u analogni izlaz na linijskom nivou koji se zatim može uneti u pojačalo koje omogućava da se čuje zvuk iz zvučnika.

Slični digitalno-analogni pretvarači se mogu naći u digitalnim zvučnicima kao što su zvučnici koji koriste USB i zvučnim karticama.

U aplikacijama za prenos glasa preko IP-a (kao što su viber, WhatsApp i druge aplikacije), izvor se prvo mora digitalizovati za prenos, tako da se podvrgava konverziji preko ADC-a, a zatim se rekonstruiše u analogni pomoću DAC-a na strani primaoca.

Video

Video signali iz digitalnog izvora moraju biti pretvoreni u analogni signal ako se žele prikazati na analognom ekranu. Od 2007. analogni ulazi su se češće koristili od digitalnih, ali se to promenilo kako su ravno-panelni ekrani sa DVI i/ili HDMI konekcijama postali sve rasprostranjeniji. Video DAC je, međutim, ugrađen u bilo koji digitalni video plejer sa analognim izlazima. DAC je obično integrisan sa malom memorijom (RAM), koja sadrži tabele konverzije za gama korekciju, kontrast i osvetljenost, da bi se napravio uređaj koji se zove RAMDAC.

Digitalni potenciometar

Uređaj koji je daleko povezan sa DAC-om je digitalno kontrolisani potenciometar, koji omogućava digitalnu kontrolu analognog signala.

Mehanički

IBM Selectric pisaća mašina koristi mehanički digitalno-analogni pretvarač da kontroliše svoju tipkalicu.

Jednobitni mehanički pokretač (eng. actuator) zauzima dva položaja: jedan kada je uključen, drugi kada je isključen. Kretanje nekoliko jednobitnih aktuatora može da se kombinuje i ponderiše pomoću mehanizma za ravnomernu distribuciju sile pomoću veze da bi se proizveli finiji koraci. IBM Selectric pisaća mašina koristi takav sistem.

Komunikacije

DAC-ovi se široko koriste u savremenim komunikacionim sistemima koji omogućavaju generisanje digitalno definisanih prenosnih signala. DAC-ovi velike brzine se koriste za mobilne komunikacije, a ultra-brzi DAC-ovi se koriste u optičkim komunikacionim sistemima(primer je optički internet).

Vrste

Najčešći tipovi elektronskih DAC-ova su:

• Modulator širine impulsa gde se stabilna struja ili napon prebacuje u niskopropusni analogni filter sa trajanjem određenim digitalnim ulaznim kodom. Ova tehnika se često koristi za kontrolu brzine elektromotora i zatamnjenje LED svetiljke .
• DAC-ovi za prekomerno uzorkovanje ili DAC-ovi za interpolaciju, kao što su oni koji koriste delta-sigma modulaciju, koriste tehniku konverzije gustine impulsa sa prekomernim uzorkovanjem. Brzine veće od 100 hiljada uzoraka u sekundi (na primer, 192 kHz) i rezolucije od 24 bita su dostižne sa delta-sigma DAC-ovima.
• Binarno ponderisani DAC, koji sadrži pojedinačne električne komponente za svaki bit DAC-a spojenog na tačku sumiranja, obično operacioni pojačavač . Svaki ulaz u zbrajanju ima ponderisanje po stepenu dva sa najjačom strujom ili naponom na najvažnijem bitu. Ovo je jedna od najbržih metoda konverzije, ali pati od loše preciznosti zbog visoke preciznosti potrebne za svaki pojedinačni napon ili struju.
  • DAC sa komutiranim otpornikom sadrži mrežu paralelnih otpornika. Pojedinačni otpornici se omogućavaju ili zaobilaze u mreži na osnovu digitalnog ulaza.
  • DAC sa komutiranim izvorom struje, iz kojeg se biraju različiti izvori struje na osnovu digitalnog ulaza.
  • DAC sa preklopnim kondenzatorom sadrži paralelnu kondenzatorsku mrežu. Pojedinačni kondenzatori se spajaju ili isključuju prekidačima na osnovu ulaza.
  • R-2R merdevinasti(eng. ladder) DAC koji je binarno ponderisani DAC koji koristi ponavljajuću kaskadnu strukturu vrednosti otpornika R i 2R. Ovo poboljšava preciznost zbog relativne lakoće proizvodnje otpornika jednake vrednosti.
• Uzastopna aproksimacija ili ciklični DAC, koji sukcesivno konstruiše izlaz tokom svakog ciklusa. Pojedinačni bitovi digitalnog ulaza se obrađuju u svakom ciklusu dok se ne uračuna ceo ulaz.
• DAC kodiran termometrom, koji sadrži jednak otpornik ili segment izvora struje za svaku moguću vrednost DAC izlaza. 8-bitni termometarski DAC bi imao 255 segmenata, a 16-bitni termometarski DAC bi imao 65.535 segmenata. Ovo je brza i najpreciznija DAC arhitektura, ali na račun zahteva mnogo komponenti koje, za praktičnu implementaciju, izrada zahteva IC procese visoke gustine.
• Hibridni DAC, koji koriste kombinaciju gore navedenih tehnika u jednom pretvaraču. Većina DAC integrisanih kola je ovog tipa zbog teškoća dobijanja niske cene, velike brzine i visoke preciznosti u jednom uređaju.
  • Segmentirani DAC, koji kombinuje princip kodiran termometrom za najznačajnije bitove i binarno ponderisani princip za najmanje značajne bitove. Na ovaj način se postiže kompromis između preciznosti (upotrebom principa kodiranog termometrom) i broja otpornika ili izvora struje (koristeći binarno ponderisani princip). Potpuni binarno ponderisani dizajn znači 0% segmentacije, kompletan dizajn kodiran termometrom znači 100% segmentaciju.
• Većina DAC-ova prikazanih na ovoj listi oslanja se na konstantan referentni napon ili struju da bi kreirali svoju izlaznu vrednost. Alternativno, DAC za množenje uzima promenljivi ulazni napon ili struju kao referencu konverzije. Ovo postavlja dodatna ograničenja dizajna na propusni opseg pretvaračkog kola.
• Moderni brzi DAC-ovi imaju interleaved arhitekturu, u kojoj se paralelno koristi više DAC jezgara. Njihovi izlazni signali su kombinovani u analognom domenu da bi se poboljšale performanse kombinovanog DAC-a. Kombinacija signala se može izvesti ili u vremenskom ili frekvencijskom domenu.

Performanse

Najvažnije karakteristike DAC-a su:

Rezolucija

Broj mogućih izlaznih nivoa koji je DAC dizajniran da reprodukuje. Ovo se obično navodi kao broj bitova koje koristi, što je binarni logaritam broja nivoa. Na primer, 1-bitni DAC je dizajniran da reprodukuje 2 (2 ¹ ) nivoa, dok je 8-bitni DAC dizajniran za 256 (2 ⁸ ) nivoa. Rezolucija je povezana sa efektivnim brojem bitova koji predstavlja merenje stvarne rezolucije koju je postigao DAC. Rezolucija određuje dubinu boje u video aplikacijama i dubinu bita zvuka u audio aplikacijama.

Maksimalna brzina uzorkovanja

Maksimalna brzina na kojoj DAC kola mogu da rade i da i dalje proizvode ispravan izlaz. Najkvist-Šenonova teorema uzorkovanja definiše odnos između ovoga i propusnog opsega uzorkovanog signala.

Monotoničnost

Sposobnost analognog izlaza DAC-a da se kreće samo u pravcu u kojem se kreće digitalni ulaz (tj., ako se ulaz povećava, izlaz ne pada pre nego što se potvrdi ispravan izlaz. ) Ova karakteristika je veoma važna za DAC-ove koji se koriste kao niskofrekventni izvor signala ili kao digitalno programabilni trim element.

Ukupna harmonijska distorzija i šum (THD+N)

Merenje izobličenja i šuma koje DAC unosi u signal. Izražava se kao procenat ukupne snage neželjenog harmonijskog izobličenja i šuma koji prati željeni signal.

Dinamički opseg

Merenje razlike između najvećeg i najmanjeg signala koje DAC može da reprodukuje izraženo u decibelima . Ovo se obično odnosi na rezoluciju i nivo buke .

Druga merenja, kao što su fazno izobličenje i džiter, mogu biti veoma važna za neke aplikacije (npr. bežični prenos podataka, kompozitni video), od kojih se neka mogu osloniti na preciznu proizvodnju fazno prilagođenih signala.

Nelinearna PCM kodiranja (A-zakon / μ-zakon, ADPCM, NICAM) pokušavaju da poboljšaju svoje efektivne dinamičke opsege korišćenjem logaritamskih koraka između jačine izlaznog signala predstavljenog svakim bitom podataka. Ovo menja veće izobličenje kvantizacije glasnih signala za bolje performanse signala koji se nečuju.

Cifre zasluga

• Statičke performanse:
  • Diferencijalna nelinearnost (DNL) pokazuje koliko dve susedne analogne vrednosti koda odstupaju od idealne 1 LSB korak.
  • Integralna nelinearnost (INL) pokazuje koliko prenosna karakteristika DAC-a odstupa od idealne. To jest, idealna karakteristika je obično prava linija; INL pokazuje koliko se stvarni napon na datoj vrednosti koda razlikuje od te linije, u LSB (1 LSB koraci).
  • Greška u pojačanju
  • Greška pomeranja
  • Buka je na kraju ograničena termičkom bukom koju stvaraju pasivne komponente kao što su otpornici. Za audio aplikacije i na sobnim temperaturama, takva buka je obično nešto manja od 1 μV (mikrovolt) belog šuma. Ovo ograničava performanse na manje od 20~21 bita čak i u 24-bitnim DAC-ovima.
• Performanse u frekventnom domenu
  • Dinamički opseg bez spurious-free (SFDR) označava u dB odnos između snaga konvertovanog glavnog signala i najvećeg neželjenog impulsa.
  • Signal-šum i izobličenje ( SINAD ) označava u dB odnos između snaga konvertovanog glavnog signala i zbira šuma i generisanih harmonijskih ostruga
  • Izobličenje i-tog harmonika (HDi) ukazuje na snagu i-tog harmonika konvertovanog glavnog signala
  • Ukupna harmonijska distorzija (THD) je zbir snaga svih harmonika ulaznog signala
  • Ako je maksimalni DNL manji od 1 LSB, onda je D/A pretvarač garantovano monoton. Međutim, mnogi monotoni pretvarači mogu imati maksimalni DNL veći od 1 LSB.
• Performanse u vremenskom domenu:
  • Područje impulsa greške (energija kvara)

Vidi još

• I²S - Seriski interfejs za digitalni zvuk (eng. Serial interface for digital audio)

Dodatna literatura

• Kester, Walt (2005), The Data Conversion Handbook, ISBN 0-7506-7841-0, Arhivirano iz originala 07. 10. 2016. g., Pristupljeno 13. 03. 2023 
• S. Norsworthy, Richard Schreier, Gabor C. Temes. Delta-Sigma Data Converters. ISBN 0-7803-1045-4. CS1 održavanje: Višestruka imena: spisak autora (veza)
• 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 (2002). CMOS Analog Circuit Design. ISBN 0-19-511644-5. 
• Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll (2001). Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits. ISBN 0-13-014991-8. 
• Kumar, A Anand (2013). Fundamentals of Digital Circuits. New Delhi: PHI Learning Private Limited. ISBN 978-81-203-1745-1. 
• Ndjountche Tertulien, "CMOS Analog Integrated Circuits: High-Speed and Power-Efficient Design". ISBN 978-1-4398-5491-4.

Spoljašnje veze

• „ADC and DAC Glossary”. Arhivirano iz originala 2009-12-13. g. 
• High-Resolution Multiplying DACs Handle AC Signals
• R-2R Ladder DAC explained sa dijagramima kola.
• Dynamic Evaluation of High-Speed, High Resolution D/A Converters Ocrtava merenja HD, IMD i NPR, takođe uključuje izvođenje šuma kvantizacije