Меню

Цап для источника тока



Все, что вам необходимо знать о ЦАП

Сохранить и прочитать потом —

Как ни досадно, нельзя не признать, что цифроаналоговые преобразователи – один из самых игнорируемых широкой публикой Hi-Fi-компонентов. Хороший и правильно подключенный ЦАП способен резко повысить качество звучания. Если хотите убедиться в этом, читайте наш материал.

Что такое ЦАП? Что он делает?

Звуки, которые мы постоянно слышим – дорожный шум, работающие инструменты, плачущий ребенок в транспорте – представляют собой акустические волны, которые распространяются в воздушной среде к нашим ушам в аналоговой ипостаси.

Аналоговые записи издавались на виниловых дисках и кассетах, однако нежелательный шум и ненадежность этих носителей стимулировали поиск новых форматов. Появление CD открыло дорогу для цифровой революции.

Цифровое аудио кардинально отличается от аналогового. Цифровые музыкальные файлы обычно создаются при помощи импульсно-кодовой модуляции (PCM) в процессе измерения амплитуды аналогового сигнала через равные интервалы времени.

Жизнь в цифре

Значение амплитуды представлено двоичным числом (1 или 0), а длина этого числа называется разрядностью, выраженной в битах. Величина, обратная временному интервалу измерений, является частотой дискретизации.

Например, при записи стандартного CD выборка делается 44 100 раз в секунду. Каждый из «срезов» измеряется с точностью до 16 бит, и результаты измерения сохраняются в 16-разрядном цифровом формате. С другой стороны, при записи трека в Hi-Res-аудио длина «среза» увеличивается до 24 бит, а выборка делается аж 192 000 раз в секунду.

У цифровых аудиоданных могут быть самые разные частота дискретизации, разрядность, форматы кодирования и сжатия – однако независимо от конкретных параметров именно ЦАП должен придать этим данным смысл, максимально точно переведя их из двоичного формата в исходную аналоговую форму.

Зачем нужен отдельный ЦАП?

Сегодня почти любой цифровой компонент оснащен собственным ЦАП, однако далеко не все ЦАП созданы равными. Начнем с того, что они могут поддерживать не все типы файлов.

Плохие модели могут привносить в звучание нежелательный шум из-за непродуманного проектирования печатных плат или вызывать искажения в связи с джиттером.

Джиттером называются ошибки синхронизации. Точная синхронизация цифрового музыкального потока, определяемая генератором тактовых импульсов, жизненно важна для качества воспроизведения, и если ее не удается обеспечить из-за конструктивных недостатков, качество страдает.

Проблема джиттера может возникнуть при любом перемещении цифрового сигнала по плате, но особенно серьезной становится при передаче сигнала между устройствами. В последние годы широкое распространение получили асинхронные ЦАП, именно по этой причине перехватившие у компьютеров обязанности по синхронизации.

Тактовые генераторы, применяющиеся в компонентных ЦАП класса High End, точнее и стабильнее, чем у обычных ПК, и звук в результате получается существенно лучше.

Все зависит от исходного материала

Разумеется, чтобы получить от ЦАП максимально возможный результат, необходимо позаботиться о качестве исходного материала. Не рассчитывайте на чудо, предлагая ему MP3-файлы с битрейтом 128 кбит/с. На самом деле, более качественное декодирование сжатого сигнала может еще сильнее подчеркнуть его недостатки. Для компонентных ЦАП оптимальные результаты обеспечивает контент CD-качества и выше. Обычно музыка с подобным разрешением записана в PCM-форматах без потерь – FLAC, WAV или ALAC (Mac), а также DSD.

DSD и PCM

DSD, или Direct Stream Digital – альтернатива PCM. Этот формат изначально был разработан для архивирования, а позднее применялся для записи Super Audio CD (SACD), продвигавшихся Sony и Philips в конце 90-х и начале 2000-х. Это намного более нишевый формат; в отличие от PCM, его разрядность составляет всего один бит, зато частота дискретизации намного выше – 2,8 МГц у DSD64 и 5,6 МГц у DSD128.

Споры о том, какая система кодирования лучше, продолжаются до сих пор. Мы лишь скажем, что убежденным сторонникам DSD следует внимательно проверять списки характеристик: не все ЦАП поддерживают этот формат.

ЦАП какого типа вам подойдут?

Спектр форм-факторов и габаритов этих устройств огромен, они различаются по функциональности и по числу входов, так что ваш выбор будет зависеть от конкретных потребностей и величины бюджета.

Компактные USB-ЦАП обеспечивают мобильность и удобство по разумной цене. Это могут быть устройства не больше стандартной USB-флэшки (например, AudioQuest DragonFly Black) или карманные аппараты, подключаемые отдельным USB-кабелем (такие как Oppo HA-2 SE).

Чаще всего они получают питание от компьютера, не требуя отдельного источника. Подключений у них обычно немного – выход для наушников и, возможно, линейный выход для активных АС или Hi-Fi-системы.

Стационарные ЦАП

Если вам нужно больше разъемов и не требуется носить ЦАП с места на место, настольное USB-устройство – такое как Audiolab M-DAC – может оказаться более подходящим. Подобные модели обычно более габаритны и требуют подключения к источнику питания, зато помимо USB-порта оснащены еще несколькими цифровыми или аналоговыми входами.

Если собираетесь использовать наушники, обратите внимание на наличие соответствующего выхода.

Наконец, некоторые ЦАП предназначены для работы в составе большой домашней аудиосистемы. У них обычно больше входов (в частности, таких редких, как AES/EBU) и функций. Они могут поддерживать весь спектр форматов Hi-Res-аудио или обеспечивать беспроводную трансляцию со смартфона или планшета посредством Bluetooth. Некоторые даже оснащены регулятором громкости и могут выступать в роли предусилителей.

Подготовлено по материалам портала «What Hi-Fi?», январь 2019 г. www.whathifi.com

Источник

Параллельные ЦАП

ЦАП с cуммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда – 2 2 =4, у второго – 2 1 =2 и у младшего (МЗР) – 2 0 =1. Если вес МЗР IМЗР=1 мА, то IСЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя Iвых.макс=15 мА и соответствует коду 11112. Понятно, что коду 10012, например, будет соответствовать Iвых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

D R / R=2 –k

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн, то его входное сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн. Коэффициент ослабления цепи a =U2/U1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить Rн=2R, то

Rs=R и Rp=2R (7)

в соответствии с рис.4.

Поскольку в любом положении переключателей Sk они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление Rвх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями

(8)
(9)

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Sk соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно (см. (8)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).

Читайте также:  Автомат с измерением тока

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000. 0 до 111. 1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока

Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рис. 4, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT и VTн, в результате чего ток через VT равен половине тока через VT1. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VTоп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VTоп принимает значение Iоп. Выходной ток для N-разрядного ЦАП.

Характернымипримереми ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный AD565, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. Еще более высоким быстродействием обладает AD668, имеющий время установления 90 нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%.

В качестве переключателей тока Sk часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 7.

Дифференциальные каскады VT1–VT3 и VT’ 1–VT’ 3 образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток Ik, протекающий через вывод коллектора выходного эмиттерного повторителя является выходным током ячейки. Если на цифровой вход Dk подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT3 открывается, а транзистор VT’ 3 закрывается. Выходной ток определяется выражением

Точность значительно повышается, если резистор Rэ заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов – прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 8.

Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи Rос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.

Для ЦАП на МОП-ключах с учетом (8) выходное напряжение схемы на рис. 8а.

Обычно сопротивление резистора обратной связи Rос=R. В таком случае

Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП-ключами в зависимости от входного кода Свых составляет величину 30…120 пФ, у AD565А с источниками тока Свых=25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором Rос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП-ключами при нулевом входном коде. При Rос=10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого fт превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору Rос конденсатор Ск, емкость которого в первом приближении можно взять равной Свых. Для более точного выбора Ск необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Ранние модели ЦАП с МОП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как это показано на рис. 8а.

Для цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: Rн » 1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.

Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).

Рис. 9. Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами

Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением Ui на ключе Si и узловым напряжением Ui . Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения Ui. При Rн=2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванное суммарным действием всех Ui. При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R-2R. Получим

Для определения выходного напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 10 видно, что

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора

Эквивалентное сопротивление генератора Rэ совпадает со входным сопротивлением матрицы R-2R, т.е. Rэ=R. При Rн=2R из (14) получим

Подставив (15) в (13), для произвольной нагрузки получим

В частности, при Rн= Ґ

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена на рис. 11. Емкость k-го конденсатора матрицы определяется соотношением

Сk=2 k C0. (17)

Цикл преобразования состоит из двух фаз. В первой фазе ключи SSN–1 находятся в левой позиции. Ключ сброса Sсб замкнут. При этом все конденсаторы разряжены. Во второй фазе ключ сброса Sсб размыкается. Если k-й бит входного N-разрядного слова dk=1, то соответствующий ключ Sk переключается в правую позицию, подключая нижнюю обкладку конденсатора к источнику опорного напряжения, или остается в левой позиции, если dk=0. Суммарный заряд конденсаторов матрицы с учетом (17) составит

Равный заряд получает и конденсатор С в обратной связи ОУ. При этом выходное напряжение ОУ составит

Uвых=–q/C. (19)

Рис. 8.11. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах

Подставив (18) в (19), найдем окончательно

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.

ЦАП с суммированием напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 8.12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи SS255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение UAB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

Читайте также:  Знак безопасности опасность поражения электрическим током 200х200

Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 либо 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня на вход “Экономичный режим” происходит размыкание ключа Sоткл и замыкание ключа S. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, у которых входной регистр представляет собой энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой). Недостаток схемы – необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2 N ) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.

Источник

ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь от «А» до «Я»

Полное руководство по выбору и эксплуатации

ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь от «А» до «Я»

Полное руководство по выбору и эксплуатации

Цифровая стереосистема не может обойтись без цифро-аналогового преобразователя (ЦАП’а, DAC’а) – компонента, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал. На сегодня именно digital-направление в Hi-Fi/High End развивается быстрее всего – надеемся, что данная мини-энциклопедия ЦАП’ов послужит надежным подспорьем при выборе техники себе домой.

Что такое ЦАП?

DAC

Цифровая музыка записывается хранится в файлах, существует как поток цифровых данных, либо размещается на физических носителях (CD, SACD) — в виде двоичного набора данных. Скажем, компакт-диск записан с измерениями 44 100 раз в секунду (44,1 кГц), каждое из которых сохраняется с точностью 16 бит. Hi-Res треки щеголяют уже разрядностью 24-32 бит, частотой дискретизации 192-768 кГц. Сигнал же, который поступает на предварительные, интегральные или усилители мощности, должен быть аналоговым – то есть, состоящим из тока, напряжения, заряда. Цифро-аналоговый преобразователь – это мостик между «прерывистым» (дискретным) потоком данных в цифре и непрерывными аналоговыми сигналами.

Как работает цифро-аналоговый преобразователь

DAC

Большинство ЦАП’ов получают на вход сигнал в импульсно-кодовой модуляции (PCM, что расшифровывается, как pulse-code modulation) или плотностно-импульсной модуляцией (PDM, Pulse Density Modulation), используемой в однобитном потоке данных формата DSD (Direct Stream Digital). Также устройство может принимать сжатые сигналы (скажем, MP3) или пакетные системы данных (например, MQA). Задачей цифро-аналогового преобразователя, все равно, в итоге является перевод «нулей и единиц» в непрерывную аналоговую форму.

Характеристики ЦАП’а

DAC

Помимо сугубо профессиональных или нормативных ТТХ, таких, как напряжение питания, статическая характеристика преобразования, статическая нелинейность, смещение нуля и монотонность, в бытовой технике принято обращать внимание на следующие важные характеристики устройства:
— разрядность – то есть, количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
— частота дисктеризации – максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе;
— соотношение «сигнал/шум» или SNR — отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных;
— типы поддерживаемых форматов данных.

Форматы цифровых данных

DAC

Как уже упоминалось, цифровые данные (в виде файла или потока трансляции) могут быть различных форматов. Главным тут является тип этих данных по отношению к возможным потерям – таким образом, можно сформировать три основные группы digital-представлений:
— форматы без сжатия данных или «сырые» — сюда относятся WAV, AIFF, RAW, DSD, DXD;
— форматы со сжатием без потерь (APE, FLAC, MQA, WavPack, Monkey’s Audio и другие);
— форматы со сжатием с потерями (MP3, AAC, Vorbis и прочие).

Наилучшими, конечно, являются «сырые» данные. Сжатие без потерь теоретически приближено к ним, но такой подход забирает часть мощностей системы на декодирования – из-за этого в Ultra High End системах принято оперировать именно форматами без сжатия.

Что мы слышим?

DAC

Человек номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но предел в 20 000 Гц достаточно условен, с возрастом слух немного снижается – так, большинство взрослых людей распознают звуки только до 16 000 Гц. Тем не менее, частоты в 20 000 Гц, 25 000 Гц и даже выше могут ощущаться через органы осязания. По сути, прослушивая музыку, мы получаем комплексное воздействие на почти все наши органы чувств – отсюда и критически важная значимость в точности передачи всех параметров исходного материала. И реальная работа по улучшению саунда у супертвитеров колонок, которые расширяют полосу воспроизведения.

Виды цифро-аналоговых преобразователей

DAC

ЦАП’ы делятся на две большие группы по типу преобразования. Первая из них – последовательные цифро-аналоговые преобразователи, в них входящий сигнал преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно, а для всех разрядов используется одна и та же схема. Такой подход гарантирует компактность, но требует повышения разрядности – так как скорость преобразования обратно пропорциональна ей. В сегменте последовательных ЦАП’ов могут использоваться:
— широтно-импульсные модуляторы: источник тока или напряжения включается на время, а полученная импульсная последовательность фильтруется;
— циклические ЦАП’ы;
— конвейерные ЦАП’ы;
— и, наконец, столь хорошо знакомые всем аудиофилам цифро-аналоговые преобразователи передискретизации – например, дельта-сигма ЦАП’ы.

Передискретизация оказалась настоящим спасением для подобных схем, так как она позволила использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности (ничего себе парадокс). Импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, формируемый отрицательной обратной связью (которая также является фильтром ВЧ, отсекающим шумы квантования), в дельта-сигма ЦАП’ах гарантирует исключительную линейность, а сама система обеспечивает необходимую скорость переключения (сотни тысяч раз в секунду). Чем выше частота передискретизации у таких схем, тем ниже требования к фильтрации НЧ и лучше подавление шумов квантования. И, наконец, дельта-сигма ЦАП’ы весьма дешевы – вот и все секреты их массового распространения!

Вторая группа ЦАП’ов – параллельные цифро-аналоговые преобразователи. Их принцип основан на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда (суммируются только токи разрядов, значения которых равны единице).Эти преобразователи дороже, так как основываются на резистивных матрицах – которые сложны в производстве. В параллельных ЦАП’ах применяются схемы с весовыми источниками тока, весовыми резисторами и многозвенные цепные схемы.

Параллельные ЦАП’ы использую следующие архитектуры (способы формирования итогового аналогового сигнала):
— бинарные, в которых соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2, а веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и так далее, система управляется бинарным кодом;
— унитарные — соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно единице, а управление системой ведется унитарным кодом;
— Фибоначчи – в данном случае сигнал формируется в системе счисления Фибоначчи;
— сегментные – в них цифровой код разделяется на группы, которые обрабатываются независимо.

Вне зависимости от архитектуры, параллельные цифро-аналоговые преобразователи используют элементы, взвешивающие аналоговый сигнал – конденсаторы, резисторы или источники тока. Как правило, применяются конденсаторы, резисторы и транзисторов в роли резисторов, а также транзисторы в режиме насыщения (источники тока).

Параллельные цифро-аналоговые преобразователи разделяются на два типа:
взвешивающие (каждому биту цифрового сигнала соответствует резистор или источник тока) – достаточно быстрые, но менее точные, так как для функционирования требуется набор различных прецизионных источников или резисторов; их разрядность ограничена восемью битами;
— лестничные (R2R-схемы) – в них значения создаются в матрице (токов или напряжений) постоянного импеданса, набранной из резисторов с сопротивлениями R и 2R.
Использование идентичных элементов существенно повышает точность и увеличивает разрядность – она может достигать 22 бит.

Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?

DAC

Принятое и однозначно правильно решение – использовать в стереосистеме Hi-Fi/High End отдельный цифро-аналоговый преобразователь. Действительно, во многих современных интегральных или предварительных усилителях уже есть модуль (или он может быть использован опционально, при конфигурировании устройства при покупке) ЦАП’а. Да еще и, как правило, этот ЦАП будет использовать современный чип с отличными параметрами! Однако, главное в преобразователе – питание и независимость всех схем, а не примененная микросхема (об этом мы расскажем ниже). Поэтому, только отдельный цифро-аналоговый преобразователь обеспечит в вашей системе наилучшие параметры.

Если же рассуждать о преобразовании сигнала в целом, то проблему следует разделить на две части:
— отсутствие поддержки форматов данных – недорогие устройства могут «не уметь» работать с современными сигналами, скажем РСМ 32/768 или DSD256, что доставит неудобства в функционировании;
— набора фирменных «родовых болячек» цифрового звука – прежде всего искажений из-за потери синхронизации (эффекта джиттера, дрожания сигнала) – несоблюдения временных интервалов.

Для устранения первого момента многие производители используют современные преобразующие чипы, для нивелирования второго – работают над улучшением тактования сигнала, вводя прецизионные «часы» — задающие тактовые генераторы.

DSD или PCM?

DAC

Если говорить сигналах с разрешением выше, чем у CD, то однозначного ответа при выборе Hi-Res контента нет. Все зависит от мастеринга записи и от параметров самого преобразователя. Формат DSD (Direct Stream Digital) был разработан компанией Sony в противовес PCM и изначально использовался в студиях и при записи дисков Super Audio CD (SACD). Его файловые возможности сегодня, по мнению ряда аудиофилов, превышают параметры, которые выдает даже высокобитрейтный РМС (24-32/768) — широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с одноразрядным кодированием на сверхвысоких частотах иногда может выглядеть лучше. Ряд производителей использует в своих ЦАП’ах схемы с автоматическим переводом всех входящих потоков в DSD-формат, другие, напротив, предпочитают только РСМ-сигналы, считая их более «правильными».

Читайте также:  Разряжается аккумулятор как найти утечку тока

Как выбрать ЦАП?

DAC

Определитесь с параметрами приема сигналов, которые вам нужны. В принципе, наверное, сейчас нет смысла приобретать устройство с поддержкой только форматов РСМ 16/44 – Hi-Res уже прочно вошел в нашу жизнь.
Тип преобразователя – самый сложный выбор. На рынке бытовало мнение, что только R2R-системы способны обеспечить настоящее High End качество, однако, в последнее время ряд производителей выпустил революционные устройства на базе обычных дельта-сигма микросхем (например, Lampizator Pacific). Так что, тут все зависит от конечной схемы ЦАП’а — именно она определяет звучание.

Далее, если предполагается использовать стриминг с потоковых музыкальных сервисов, следует обратить внимание на поддержку формата MQA, ориентированным как раз на такие трансляции. Если ваша медиатека состоит из большого числа файлов в DSD – конечно же, цифро-аналоговый преобразователь должен поддерживать такой формат.
В целом, нет смысла гнаться далее за параметрами основной преобразующей микросхемы – многие производители используют старые классические чипы и добиваются от них феноменального звучания. Главное в ЦАП’e – система организации питания, часы и вся прочая «обвязка», которая, по сути, и формирует звук.

На какие параметры ЦАП’а еще обратить внимание?

DAC

Подключение ЦАП’а к компьютеру

DAC

Софт-плееры для цифро-аналоговых преобразователей

DAC

Стриминг музыкального сигнала, стримеры и музыкальные серверы

DAC

Кабели для подключения ЦАП’ов

DAC

Недостатки современных ЦАП’ов

DAC

Как купить ЦАП?

DAC

На что обратить внимание при эксплуатации цифро-аналогового преобразователя?

DAC

ЦАП’ы достаточно долго прогреваются – хорошие параметры эта техника начинает обеспечивать не менее, чем через 30-40 часов работы, а оптимальные – через 200 часов работы. Будьте готовы к этому. В процессе эксплуатации не следует допускать перегрева устройства – располагать технику в проблемных для теплоотведения местах. Для улучшения звучания на верхнюю панель ЦАП’а можно положить утяжеляющий груз. Собственно, на этом хитрости заканчиваются.

Примеры цифро-аналоговых преобразователей в различных ценовых категориях

DAC

Parasound Z-dac v2 (53 400 руб.) основан на схемах Texas Instruments TAS1020B (USB Streaming Controller), Analog Devices AD1895 (Sample Rate Converter) и Analog Devices AD1853 (D to A Converter).

DAC

Chord Electronics Qutest (135 400 руб.) – в устройстве применена схема Xilinx Artix 7 (XC7A15T) FPGA, аппарат поддерживает РСМ 32/768 и DSD512.

DAC

Mytek Brooklyn DAC+ (275 000 руб.) использует чип Sabre 9028 Pro 32/384 и поддерживает DSD до DSD256.

DAC

MSB Reference (3 199 999 руб.) – пример высокотехнологичного устройства: 4 гибридных мультибитных модуля c эффективyым разрешением 28,5 бит на канал (384 кГц), цифровой фильтр Shark DSP 80 бит, сверхстабильный тактовый генератор Femto 140 Clock.

DAC

Audio Note Fifth Element (12 300 300 руб.) – один из самых дорогих ЦАП’ов в мире, построенный на базе классического R2R-чипа Analog Devices AD1865N, ламп 1 x 5814a, 1 x 6463, 1 x EF800, 1 x 6X5 и полностью серебряных трансформаторов.

Источник

ЦАП. Так ли все просто?

В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

Принцип работы

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Выходное напряжение, В

Характеристики ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП:

  • Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.
  • Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
  • Разрядность (N) — количество бит во входном коде.
  • Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.
  • Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.
  • Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.
  • Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.
  • Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.
  • Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.
  • Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.
  • Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.
  • Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.
  • Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.
  • Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.

Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.

Структура взвешивающего ЦАП

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.

ЦАП на матрице R–2R . Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.

ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.

Общая структура сигма-дельта ЦАПРис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАП Принцип работы сигма-дельта модулятора Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.

Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи . При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.

Подбор ЦАП

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.

Источник