Меню

Цифро аналоговый преобразователь параметр ток



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.

Читайте также:  Прижигание сосудов в носу током

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».

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.

Читайте также:  Авр по постоянному току 10а

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

Цап принцип работы

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП): принцип работы, типы

Цифроаналоговые преобразователи предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые.

Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).

Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом.

Функции ЦАП

  • качественное воспроизведение при существенном повышении громкости;
  • насыщенный динамический частотный диапазон;
  • минимизация возможных помех;
  • усиление мощности звучания;
  • широкие возможности для точной настройки.

Разновидности аудио ЦАПов

ЦАПы можно разделить на две категории: компактные (переносные) для работы с плеерами, смартфонами и стационарные, для подключения к компьютерам и телевизорам.

Первые подключаются к гаджету на IOS или Android через USB с помощью OTG и короткого экранированного кабелей. Возможно, понадобится установка сопутствующего приложения. Часто такие устройства имеют встроенный усилитель и аккумулятор, что позволяет использовать их и как пауэр-банк.

Стационарные ЦАПы — это солидные устройства выполненные в алюминиевом корпусе, эффективно отводящем тепло. Они оснащаются собственным дисплеем, аналоговыми регуляторами громкости и тембра.

Главное их отличие — это наличие разнообразных разъемов для подключения всевозможных устройств:

  • Оптический (Toslink);
  • USB-B, позволяющий обходить звуковую карту и читать музыкальные файлы прямо с жёсткого диска;
  • Электрический (AES/EBU и SPDIF);
  • В некоторых устройствах имеется картридер и стандартный USB для флешек.

В обоих типах преобразователей используется вывод аналогового аудиосигнала через линейный RCA выход (под «тюльпаны»), mini-jack или jack для профессиональной акустики и высокоомных наушников.

Схема ЦАП

Структурная схема преобразователя числа в напряжение реализованного на операционном усилителе показана ниже:

Здесь правая часть схемы представляет собой обычный сумматор с четырьмя входами. При подаче к входам напряжений U1, U2, U3, U4 получим на выходе:

Условимся что сопротивления резисторов соответствуют соотношениям

Допустим что выходные напряжения равны один вольт, и с помощью четырех логических элементов обеспечим их появление только при условии, что будет подан сигнал из регистра в соответствии с числом. Если мы произведем запись в регистр числа 5, что равно 0101, то U1=0, U2=1, U3=0, U4=1. Из приведенного выше уравнения видно, что выходное напряжение будет равно Uвых=4+1= 5 В. На выходе ЦАП появится аналоговый сигнал, который будет соответствовать числу, которое записано в регистр.

Сфера использования

ЦАП применяются в музыкальных проигрывателях с целью переустройства числовых потоков информации в аналоговые аудиосигналы, в телевизорах и мобильных телефонах с целью переустройства видеоданных в видеосигналы, которые подсоединяются к драйверам экрана с целью отражения монохроматических либо разноцветных изображений.

Именно эти два приложения используют схемы ЦАП на противоположных концах компромисса между плотностью и количеством пикселей.

Аудио — это низкочастотный тип с высоким разрешением, а видео — высокочастотный вариант с низким и средним изображением.

Источник

Лекция 23. Цифро-аналоговые преобразователи.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выходной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной двоичной кодовой комбинации.

Например, при подаче на вход ЦАП кодовой комбинации (в десятичном эквиваленте) равной 150 на его выходе при этом имеется напряжение 1500 мВ, это значит, что изменение значения входной кодовой комбинации (входного числа) на единицу приводит к изменению выходного напряжения на 10 мВ. В этом случае мы имеем ЦАП с шагом преобразования цифровой информации 10 мВ. Величина напряжения, соответствующая одной единице цифровой информации, называется шагом квантования Duкв. При подаче на вход ЦАП последовательной цифровой комбинации, меняющейся от 0 до N, на его выходе появится ступенчато-нарастающее напряжение (рис. 1). Высота каждой ступени соответствует одному шагу квантования Duкв.

Рис. 1. Диаграмма выходного напряжения ЦАП.

Здесь N – число, соответствующее десятичному значению двоичного кода.

Если число входной кодовой комбинации соответствует N, то выходное напряжение Uвых ЦАП = ND´uкв. Таким образом, можно вычислить значение выходного напряжения для любой входной кодовой комбинации. Нетрудно убедиться в том, что Duкв является масштабным коэффициентом преобразователя, имеющим размерность тока или напряжения (так как цифровая комбинация на входе ЦАП размерности не имеет). Обычно, значение Duкв выбирают кратным десяти, что облегчает процесс пересчета соответствия преобразованного и исходного сигналов. Так как Duкв определяет минимальное значение выходного напряжения аналогового сигнала Uвых мин. = Duкв, при выборе его значения необходимо учитывать также шумовые факторы, погрешности усиления масштабирующих усилителей и компаратора.

Читайте также:  Современная теория электрического тока

Основные параметры ЦАП. Точность преобразования и качество работы ЦАП характеризуют следующие параметры: относительная разрешающая способность, абсолютная разрешающая способность, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность, скорость преобразования (время одного преобразования) и максимальная частота преобразования.

1. Относительная разрешающая способность

здесь n- количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход АЦП (n — соответствует числу разрядных входов ЦАП). Относительная разрешающая способность — это обратная величина от максимального числа уровней квантования.

2. Абсолютная разрешающая способность

где Uпш — напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному напряжению; 2n — 1 = N — количество ступеней квантования.

Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования Duкв.

3. Абсолютная погрешность преобразования dпш показывает максимальное отклонение выходного напряжения Uвых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы (рис.5.2). Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

4. Нелинейность преобразования ЦАП dлн определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной (рис. 2) и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

Рис. 2. Определение погрешностей преобразования ЦАП.

5. Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП dдф.лн численно равна максимальной разности двух соседних приращений (шагов квантования)

dдф.лн = Duкв 1 — Duкв2.

Дифференциальная нелинейность оценивается в младших значащих разрядах и обычно не превышает нескольких единиц мр.

Младший значащий разряд численно определяет минимальное значение выходного напряжения, т.е. квант напряжения. Для оценки дифференциальной нелинейности dдф.лн в процентах можно воспользоваться выражением

Время установления выходного напряжения или тока tуст — интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы. Максимальная частота преобразования fпр — наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.

Виды ЦАП условно можно разделить на две группы: с резисторными матрицами, безматричные ЦАП. В интегральном исполнении применяются только ЦАП с прецизионными резисторными матрицами, формирующими выходные сигналы путем суммирования токов.

ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы), резисторные матрицы и т.д.

Аналоговые элементы, входящие в состав ЦАП, практически полностью определяют его качественные и эксплуатационные параметры, основную роль при этом играют точность подбора номиналов резисторов резисторной матрицы и параметров операционного усилителя (ОУ).

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент усиления по напряжению более тысячи. Он имеет дифференциальный входной каскад, т.е. имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.

Благодаря большому коэффициенту усиления (современные ОУ имеют коэффициент усиления К=10Е5 . 10Е6) и малым входным токам, усилители, построенные на базе ОУ, обладают уникальными свойствами. В частности, параметры многих устройств определяются только внешними цепями — цепями обратной связи, соединяющими выход ОУ с его входом. Например, коэффициент усиления усилителя, схема которого показана на рис. 3 (а), определяется с высокой точностью отношением сопротивлений двух резисторов К=-Rос/R.

Рис. 3. Семы инвертирующего (а) и суммирующего усилителей на ОУ.

Если на инвертирующий вход усилителя на ОУ подать сигнал от нескольких источников (рис. 3 б), то выходной сигнал определяется как произведение суммы входных токов на величину сопротивления резистора обратной связи

Uвых = -Rос(Iвх1+Iвх2+. . . . +Iвх.n).

Входной ток от каждого источника определяется как отношение

где Ri — сопротивление резистора в цепи i-того входа.

Свойство ОУ суммировать входные токи с последующим преобразованием в напряжение широко используется при построении ЦАП и АЦП. На базе ОУ можно построить компараторы напряжения (сравнивающие устройства). При использовании ОУ в качестве компаратора напряжения на один его вход подается опорное напряжение Uоп, на второй — напряжение обрабатываемого (преобразуемого) сигнала Ux. При соответствующих условиях на выходе компаратора формируется сигнал логической“1”, если (Uоп — Ux) >Duкв, и логического “0”, если (Uоп — Ux)

Рис. 4. Обозначение (а) и диаграмма (б) компаратора.

При построении ЦАП и АЦП применяются аналоговые ключи, коммутирующие цепи аналоговых сигналов под воздействием управляющих цифровых сигналов. Токи, коммутируемые электронными аналоговыми ключами, не превышают 10 . . . 50 мА. Относительно высокое сопротивление открытого ключа (50 — 600 Ом) требует наличия высокоомной нагрузки, что обеспечивается высокоомным входным сопротивлением ОУ.

При реализации ЦАП в интегральном исполнении большие трудности вызывает подгонка высокоточных резисторов с сопротивлениями, отличающимися по номиналам друг от друга на несколько порядков. Поэтому, в интегральном исполнении применяются исключительно резистивная матрица R-2R. В качестве примера рассмотрим четырехразрядный ЦАП, использующий схему суммирования токов на ОУ (рис. 5).

Рис. 5. Схема простейшего ЦАП. ЭК – транзисторные ключи, управляемые соответствующими разрядами двоичного кода (0р, 1р, 2р, 3р).

Относительная разрешающая способность рассматриваемого ЦАП:

Абсолютная разрешающая способность определяется при известном значении опорного напряжения Uоп. Наиболее удобными значениями Uоп являются напряжения, кратные степени двойки, т.е. 10,24 В, 5,12 В, 2,56 В и т.д.

Если принять значение опорного напряжения равным 10,24 В, то абсолютная разрешающая способность (DUкв) определяется как:

DUкв=0,0625 × 10,24 = 0,625В.

Сопротивление резистора в цепи ключа, управляемого старшим разрядом двоичного кода, должно быть в два раза больше сопротивления резистора обратной связи Rос. Сопротивление каждого последующего младшего разряда в два раза больше, чем сопротивление соседнего старшего разряда. Отсюда следует, что с увеличением количества разрядов цифровых входов ЦАП резко увеличивается соотношение сопротивлений резисторов нулевого и самого старшего разрядов (R0=2nRn):

Если n=8, то это отношение составляет 256. Увеличение Т может привести к чрезмерному увеличению сопротивления резистора младшего разряда или же к сильному уменьшению номинала резистора самого старшего разряда. Поэтому ЦАП с резистивной матрицей R-2nR применяется при небольшом количестве разрядов (при n

Чтобы выполнить условие формирования выходного напряжения в соответствии с двоичным кодом входного числа, необходимо получить равенство Rос=R, тогда

Дробные члены суммы играют роль весовых коэффициентов, а шаг квантования определяется отношением DUкв=Uоп/2n. На рис. 6 символы “0” и “1” перед электронными ключами показывают на состояние ключа при подаче на цифровые входы ЦАП логического “0” или “1”, соответственно.

Промышленностью ЦАП выпускаются в виде интегральных микросхемы и содержат в своем составе резистивную матрицу R — 2R, электронные ключи и резистор обратной связи Rос. Для подключения токосуммирующего операционного усилителя имеются специальные выводы. Схема десятиразрядного ЦАП, построенного на базе ИМС К572ПА1, показана на рис. 7. ЦАП типа К572ПА1 может управляться кодом, полученным с выходов дискретных интегральных схем типов КМОП и ТТЛ. В последнем случае выходные уровни, соответствующие сигналам уровня логической “1”, должны быть повышены путем соединения выходов ТТЛ инверторов с источником питания 5 В через резисторы сопротивлением 2 — 10 кОм. Непосредственное согласование входных управляющих уровней ЦАП с параметрами сигналов ТТЛ- схем можно достичь путем уменьшения напряжения питания ЦАП до 5 В. Однако при этом возрастает погрешность ЦАП.

Рис. 7. Схема ЦАП на микросхеме КР572ПА1.

Основными параметрами ЦАП являются:

n- число разрядов управляющего кода;

tуст — время установления выходного напряжения;

Iвых — максимальный выходной ток;

dлн — нелинейность преобразования ЦАП; Uп — напряжение питания;

Uоп — опорное напряжение.

| следующая лекция ==>
Лекция 22. Счетчики | Лекция 24. Аналого-цифровые преобразователи

Дата добавления: 2016-09-20 ; просмотров: 3054 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник