באלקטרוניקה, מעגל ה-DAC הוא סוג של מערכת. היא זו שממירה את האות הדיגיטלי לאנלוגי.
יש כמה מעגלי DAC. ההתאמה לאפליקציה מסוימת נקבעת על ידי מדדי איכות, כולל רזולוציה, קצב דגימה מרבי ואחרים.
המרה דיגיטלית לאנלוגית יכולה לדרדר את שליחת האות, ולכן יש צורך למצוא מכשיר שיש בו שגיאות קלות מבחינת היישום.
Applications
DAC משמשים בדרך כלל בנגני מוזיקה כדי להמיר זרמים מספריים של מידע לאותות אודיו אנלוגיים. הם משמשים גם בטלוויזיות ובטלפונים ניידים כדי להמיר נתוני וידאו לאותות וידאו, בהתאמה, המחוברים לדרייברים של מסך כדי להציג תמונות מונוכרומטיות או רב-צבעוניות.
שני היישומים האלה הם שמשתמשים במעגלי DAC בקצוות מנוגדים של הפשרה בין צפיפות וספירת פיקסלים. אודיו הוא סוג בתדר נמוך עם רזולוציה גבוהה ווידאו הוא גרסה בתדר גבוה עם תמונה נמוכה עד בינונית.
בשל המורכבות והצורך ברכיבים מותאמים בקפידה, כל ה-DACs המיוחדים ביותר מיושמים כמעגלים משולבים (ICs). קישורים בדידים הם בדרך כלל סוגים מהירים במיוחד, בעלי רזולוציה נמוכה וחסכון בחשמל, המשמשים במערכות מכ ם צבאיות. ציוד בדיקה במהירות גבוהה מאוד, במיוחד אוסילוסקופים לדגימה, יכול גם להשתמש ב-DAC בדידים.
סקירה כללית
הפלט הקבוע למחצה של DAC רגיל ללא סינון מובנה כמעט בכל מכשיר, והתמונה הראשונית או רוחב הפס הסופי של העיצוב מחליקים את תגובת הצליל לעקומה מתמשכת.
בתשובה לשאלה: "מהו DAC?", ראוי לציין שרכיב זה ממיר מספר מופשט של דיוק סופי (בדרך כלל ספרה בינארית של נקודה קבועה) לערך פיזי (לדוגמה, מתח או לַחַץ). בפרט, המרת D/A משמשת לעתים קרובות כדי לשנות נתוני סדרות זמן לאות פיזי שמשתנה ללא הרף.
ה-DAC האידיאלי ממיר ספרות מופשטות לרכבת מושגית של פולסים, אשר מעובדים לאחר מכן על ידי מסנן שחזור, תוך שימוש בצורת אינטרפולציה כלשהי למילוי הנתונים בין פולסים. רגילממיר דיגיטלי לאנלוגי מעשי משנה את המספרים לפונקציה קבועה חלקית המורכבת מרצף של תבניות מלבניות שנוצרות כשהן מחזיקות בסדר האפס. כמו כן, עונה על השאלה, "מהו DAC?" כדאי לשים לב לשיטות אחרות (לדוגמה, מבוססות על אפנון דלתא-סיגמה). הם יוצרים פלט מאופנן בצפיפות הדופק שניתן לסנן באופן דומה כדי להפיק אות משתנה בצורה חלקה.
לפי משפט הדגימה של Nyquist-Shannon, ה-DAC יכול לשחזר את הרטט המקורי מהנתונים שנדגמו, בתנאי שאזור החדירה שלו עונה על דרישות מסוימות (לדוגמה, פולס פס בסיס עם צפיפות קו נמוכה יותר). המדגם הדיגיטלי מייצג את שגיאת הקוונטיזציה, המופיעה כרעש ברמה נמוכה באות המשוחזר.
דיאגרמת פונקציה פשוטה של כלי 8 סיביות
כדאי לציין מיד שהדגם הפופולרי ביותר הוא ממיר Real Cable NANO-DAC דיגיטלי לאנלוגי. ה-DAC הוא חלק מטכנולוגיה מתקדמת שתרמה תרומה משמעותית למהפכה הדיגיטלית. לשם המחשה, שקול שיחות טלפון טיפוסיות למרחקים ארוכים.
קולו של המתקשר מומר לאות חשמלי אנלוגי באמצעות מיקרופון, ולאחר מכן משתנה הדופק הזה לזרם דיגיטלי יחד עם ה-DAC. לאחר מכן, האחרון מחולק למנות רשת, שם ניתן לשלוח אותו יחד עם נתונים דיגיטליים אחרים. וייתכן שזה לא בהכרח אודיו.
ואז חבילותמתקבלים ביעד, אבל כל אחד מהם עלול לנסוע במסלול אחר לגמרי ואפילו לא להגיע ליעד בסדר ובזמן הנכון. לאחר מכן, הנתונים הקוליים הדיגיטליים נשלפים מהמנות ומרכיבים אותם לזרם נתונים משותף. ה-DAC ממיר זאת בחזרה לאות חשמלי אנלוגי המניע מגבר שמע (כגון ממיר Real Cable NANO-DAC דיגיטלי לאנלוגי). והוא, בתורו, מפעיל את הרמקול, שסוף סוף מפיק את הצליל הדרוש.
Audio
רוב האותות האקוסטיים המודרניים מאוחסנים בצורה דיגיטלית (למשל MP3 ותקליטור). כדי להישמע דרך הרמקולים, יש להמיר אותם לדחף דומה. אז אתה יכול למצוא ממיר דיגיטלי לאנלוגי עבור טלוויזיה, נגן CD, מערכות מוזיקה דיגיטליות וכרטיסי קול למחשב.
DACs עצמאיים ייעודיים ניתן למצוא גם במערכות Hi-Fi באיכות גבוהה. הם בדרך כלל לוקחים את הפלט הדיגיטלי של נגן תקליטורים תואם או רכב ייעודי וממירים את האות לפלט אנלוגי ברמת קו, שאותו ניתן להזין למגבר כדי להניע רמקולים.
אפשר למצוא ממירי D/A דומים בעמודות דיגיטליות כגון רמקולי USB וכרטיסי קול.
ביישומי Voice over IP, תחילה יש לבצע דיגיטציה של המקור לשידור, כך שהוא מומר באמצעות ADC ולאחר מכן מומר לאנלוגי באמצעות DACהצד המקבל. לדוגמה, שיטה זו משמשת עבור כמה ממירים דיגיטליים לאנלוגיים (טלוויזיה).
תמונה
הדגימה נוטה לפעול בקנה מידה שונה לחלוטין בסך הכל, בשל התגובה הלא-לינארית ביותר של שני שפופרות הקרן הקתודית (שהרוב המכריע של הפקת וידאו דיגיטלית מיועדת לה) ושל העין האנושית, באמצעות עקומת גמא לספק מראה של שלבי בהירות מפוזרים באופן שווה על כל הטווח הדינמי של התצוגה. מכאן הצורך להשתמש ב-RAMDAC ביישומי וידאו מחשב עם רזולוציית צבע עמוקה למדי, כך שלא מעשי ליצור ערך מקודד קשה ב-DAC עבור כל רמת פלט של כל ערוץ (לדוגמה, Atari ST או Sega Genesis היו צריך 24 מהערכים האלה; כרטיס מסך של 24 סיביות יצטרך 768).
בהתחשב בעיוות המובנה הזה, אין זה נדיר שלמקרן טלוויזיה או וידאו נאמר בכנות שיש להם יחס ניגודיות ליניארי (ההבדל בין רמת הפלט הכהה והבהירה ביותר) של 1,000:1 או יותר. זה שווה ערך ל-10 ביטים של נאמנות צליל, גם אם הוא יכול לקבל רק אותות עם נאמנות של 8 סיביות ולהשתמש בפאנל LCD שמציג רק שישה או שבעה ביטים לכל ערוץ. ביקורות DAC מתפרסמות על בסיס זה.
אותות וידאו ממקור דיגיטלי כגון מחשב חייבים להיות מומרים לצורה אנלוגית אם הם יוצגו על צג. דומה מאז 2007נעשה שימוש בכניסות בתדירות גבוהה יותר מאשר בכניסות דיגיטליות, אבל זה השתנה כאשר צגים שטוחים עם חיבורי DVI או HDMI הפכו נפוצים יותר. עם זאת, וידאו DAC מובנה בכל נגן וידאו דיגיטלי עם אותן יציאות. ממיר אודיו דיגיטלי לאנלוגי משולב בדרך כלל עם זיכרון כלשהו (RAM) המכיל טבלאות ארגון מחדש לתיקון גמא, ניגודיות ובהירות ליצירת מתקן שנקרא RAMDAC.
המכשיר שמחובר מרחוק ל-DAC הוא פוטנציומטר נשלט דיגיטלית המשמש לקליטת האות.
עיצוב מכני
לדוגמה, מכונת הכתיבה של IBM Selectric כבר משתמשת ב-DAC לא ידני כדי להניע את הכדור.
מעגל ממיר דיגיטלי לאנלוגי נראה כך.
כונן מכני של סיביות בודד תופס שני מצבים: אחד כשהוא מופעל, השני כשהוא כבוי. ניתן לשלב ולשקלל את התנועה של מספר מפעילי סיביות בודדות על ידי המכשיר ללא היסוס כדי להשיג שלבים מדויקים יותר.
זו מכונת הכתיבה של IBM Selectric שמשתמשת במערכת כזו.
הסוגים העיקריים של ממירים דיגיטליים-אנלוגיים
- אפנן רוחב דופק שבו זרם או מתח יציב עוברים למסנן אנלוגי מעביר נמוך עם משך זמן שנקבע על ידי קוד כניסה דיגיטלי. שיטה זו משמשת לעתים קרובות כדי לשלוט במהירות המנוע ולעמעם נורות LED.
- ממיר אודיו דיגיטלי לאנלוגי עםדגימת יתר או אינטרפולציה של DACs, כגון אלו המשתמשים באפנון דלתא-סיגמה, משתמשים בשיטת וריאציה בצפיפות הדופק. מהירויות של מעל 100 ksample לשנייה (למשל 180 קילו-הרץ) ורזולוציית 28 סיביות ניתנות להשגה עם התקן דלתא-סיגמא.
- אלמנט משוקלל בינארי המכיל רכיבים חשמליים נפרדים עבור כל ביט DAC המחובר לנקודת הסיכום. היא זו שיכולה להוסיף את המגבר התפעולי. חוזק הזרם של המקור הוא פרופורציונלי למשקל הביט אליו הוא מתאים. לפיכך, כל הסיביות שאינן אפס של הקוד מתווספות למשקל. הסיבה לכך היא שעומד לרשותם אותו מקור מתח. זו אחת משיטות ההמרה המהירות ביותר, אבל היא לא מושלמת. מכיוון שיש בעיה: נאמנות נמוכה עקב הנתונים הגדולים הנדרשים עבור כל מתח או זרם בודדים. רכיבים בעלי דיוק גבוה כאלה הם יקרים, ולכן סוג זה של דגם מוגבל בדרך כלל לרזולוציה של 8 סיביות או אפילו פחות. הנגד המותג נועד לממירים דיגיטליים לאנלוגיים במקורות רשת מקבילים. מופעים בודדים מחוברים לחשמל על בסיס קלט דיגיטלי. עקרון הפעולה של סוג זה של ממיר דיגיטלי לאנלוגי טמון במקור הזרם המותג של ה-DAC, שממנו נבחרים מקשים שונים על סמך קלט מספרי. הוא כולל קו קבלים סינכרוני. אלמנטים בודדים אלו מחוברים או מנותקים באמצעות מנגנון מיוחד (רגל) הממוקם ליד כל התקעים.
- ממירי מדרגות דיגיטליים לאנלוגייםtype, שהוא אלמנט בעל משקל בינארי. הוא, בתורו, משתמש במבנה חוזר של ערכי הנגדים המדורגים R ו-2R. זה משפר את הדיוק בשל הקלות היחסית בייצור של אותו מנגנון מדורג (או מקורות נוכחיים).
- התקדמות רציפה או DAC מחזורית הבונה את הפלט אחד אחד במהלך כל שלב. סיביות בודדות של קלט דיגיטלי מעובדות על ידי כל המחברים עד שהאובייקט כולו מטופל.
- Thermometer הוא DAC מקודד המכיל נגד שווה או קטע מקור זרם עבור כל ערך אפשרי של פלט DAC. מדחום DAC של 8 סיביות יכלול 255 אלמנטים, ולמדחום DAC של 16 סיביות יהיו 65,535 חלקים. זוהי אולי ארכיטקטורת ה-DAC המהירה והמדויקת ביותר, אך על חשבון העלות הגבוהה. עם סוג זה של DAC, הושגו שיעורי המרה של למעלה ממיליארד דגימות בשנייה.
- DAC היברידי המשתמש בשילוב של השיטות לעיל בממיר יחיד. רוב ICs DAC הם מסוג זה בשל הקושי להשיג עלות נמוכה, מהירות גבוהה ודיוק הכל במכשיר אחד.
- Segmented DAC המשלב את העיקרון של קידוד מדחום עבור ספרות גבוהות יותר ושקלול בינארי עבור רכיבים נמוכים יותר. בדרך זו מושגת פשרה בין דיוק (באמצעות עקרון קידוד מדחום) לבין מספר הנגדים או מקורות הזרם (באמצעות שקלול בינארי). מכשיר עמוק עם כפולפעולה פירושה שהפילוח הוא 0%, ולעיצוב עם קידוד תרמי מלא יש 100%.
רוב ה-DACS ברשימה זו מסתמכים על הפניה למתח קבוע כדי ליצור את ערך הפלט שלהם. לחלופין, ה-DAC המכפיל מקבל מתח כניסה AC כדי להמיר אותם. זה מטיל מגבלות עיצוב נוספות על רוחב הפס של ערכת הארגון מחדש. עכשיו ברור מדוע יש צורך בממירים דיגיטליים-אנלוגיים מסוגים שונים.
ביצועים
DACs חשובים מאוד לביצועי המערכת. המאפיינים המשמעותיים ביותר של מכשירים אלו הם הרזולוציה שנוצרת לשימוש בממיר דיגיטלי לאנלוגי.
מספר רמות הפלט האפשריות ש-DAC מתוכנן לשחק מצוין בדרך כלל כמספר הביטים שהוא משתמש בו, שהוא הלוגריתם הבסיסי של מספר הרמות. לדוגמה, DAC של 1 סיביות מיועד לנגן שני מעגלים, בעוד ש-DAC של 8 סיביות מיועד לנגן 256 מעגלים. הריפוד קשור למספר הסיביות האפקטיבי, שהוא מדד לרזולוציה בפועל שהושגה על ידי ה-DAC. הרזולוציה קובעת את עומק הצבע ביישומי וידאו ואת קצב סיביות השמע בהתקני שמע.
תדירות מקסימלית
מדידת המהירות המהירה ביותר שמעגל DAC יכול לפעול בה ועדיין להפיק את הפלט הנכון קובעת את הקשר בינו לבין רוחב הפס של האות הנדגם. כאמור לעיל, המשפטדגימות Nyquist-Shannon מתייחסות לאותות מתמשכים ובדידים וטוענת שניתן לשחזר כל אות בכל דיוק מהרשומות הבדידות שלו.
מונוטוניות
מושג זה מתייחס ליכולת של הפלט האנלוגי של ה-DAC לנוע רק בכיוון שהכניסה הדיגיטלית נעה. מאפיין זה חשוב מאוד עבור DACs המשמשים כמקור אות בתדר נמוך.
עיוות הרמוני ורעש כולל (THD + N)
מדידה של עיוות וצלילים זרים המוכנסים על ידי ה-DAC לאות, מבוטא כאחוז מהכמות הכוללת של עיוות הרמוני ורעש לא רצויים המלווה את האות הרצוי. זוהי תכונה חשובה מאוד עבור יישומי DAC דינמיים ותפוקה נמוכה.
טווח
מדד של ההבדל בין האותות הגדולים והקטנים ביותר ש-DAC יכול לשחזר, מבוטא בדציבלים, קשור בדרך כלל לרזולוציה ורמת הרעש.
מדידות אחרות כגון עיוות פאזה וריצוד יכולות להיות חשובות מאוד עבור יישומים מסוימים. ישנם כאלה (למשל, העברת נתונים אלחוטית, וידאו מורכב) שיכולים אפילו להסתמך על קליטה מדויקת של אותות מותאמי פאזה.
דגימת אודיו ליניארית PCM פועלת בדרך כלל ברזולוציה של כל סיביות שווה ערך לשישה דציבלים של משרעת (הכפלת עוצמת הקול או הדיוק).
קידודי PCM לא ליניאריים (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) מנסים לשפר את הטווחים הדינמיים האפקטיביים שלהם בדרכים שונות -גדלי צעדים לוגריתמיים בין רמות השמע הפלט המיוצגות על ידי כל סיביות נתונים.
סיווג של ממירים דיגיטליים לאנלוגיים
סיווג לפי אי-לינאריות מחלק אותם ל:
- אי-לינאריות מובחנת, המראה כיצד שני ערכי קוד שכנים חורגים מהשלב המושלם של 1 LSB.
- אי-לינאריות מצטברת מציינת עד כמה שידור ה-DAC סוטה מהאידיאלי.
אז התכונה האידיאלית היא בדרך כלל קו ישר. INL מראה עד כמה המתח בפועל בערך קוד נתון שונה מהשורה הזו בסיביות הפחות משמעותיות.
Boost
בסופו של דבר הרעש מוגבל על ידי זמזום תרמי שנוצר על ידי רכיבים פסיביים כגון נגדים. עבור יישומי אודיו ובטמפרטורת החדר, זה בדרך כלל קצת פחות מ-1 µV (מיקרו-וולט) של אות לבן. זה מגביל את הביצועים לפחות מ-20 סיביות אפילו ב-DAC של 24 סיביות.
ביצועים בתחום התדר
טווח דינמי ללא זיוף (SFDR) מציין ב-dB את היחס בין ההספקים של האות הראשי שהומר לחריגה הבלתי רצויה הגדולה ביותר.
Noise Distortion Ratio (SNDR) מציין ב-dB את תכונת ההספק של הצליל הראשי שהומר לסכום שלו.
עיוות הרמוני כולל (THD) הוא סכום ההעצמות של כל ה-HDi.
אם שגיאת ה-DNL המקסימלית היא פחות מ-1 LSB, אז הממיר הדיגיטלי לאנלוגי מובטחיהיה אחיד. עם זאת, לכלים מונוטוניים רבים יכול להיות DNL מרבי גדול מ-1 LSB.
ביצועי דומיין זמן:
- אזור דחף תקלה (אנרגיית תקלה).
- אי ודאות בתשובה.
- זמן לא-לינאריות (TNL).
DAC פעולות בסיסיות
ממיר אנלוגי לדיגיטלי לוקח מספר מדויק (לרוב מספר בינארי בנקודה קבועה) וממיר אותו לכמות פיזית (כגון מתח או לחץ). DACs משמשים לעתים קרובות כדי לארגן מחדש נתוני סדרות זמן דיוק סופיות לאות פיזי המשתנה ללא הרף.
ממיר D/A האידיאלי לוקח מספרים מופשטים מרכבת של פולסים, אשר מעובדים לאחר מכן באמצעות צורת אינטרפולציה למילוי נתונים בין אותות. ממיר דיגיטלי לאנלוגי קונבנציונלי מכניס את המספרים לפונקציה קבועה חלקית המורכבת מרצף של ערכים מלבניים, אשר מעוצבת עם אחיזה מסדר אפס.
הממיר משחזר את האותות המקוריים כך שרוחב הפס שלו יעמוד בדרישות מסוימות. דגימה דיגיטלית מלווה בשגיאות קוונטיזציה היוצרות רעש ברמה נמוכה. הוא זה שמתווסף לאות המשוחזר. המשרעת המינימלית של צליל אנלוגי שיכולה לגרום לשינוי של צליל דיגיטלי נקראת הביט הפחות משמעותי (LSB). והשגיאה (עיגול) שמתרחשת בין האותות האנלוגיים והדיגיטליים,נקרא שגיאת קוונטיזציה.
