Digital-Analog-Wandler - Digital-to-analog converter

8-Kanal- Digital-Analog-Wandler Cirrus Logic CS4382, wie er in einer Soundkarte verwendet wird .

In der Elektronik ist ein Digital-Analog-Wandler ( DAC , D / A , D2A oder D-zu-A ) ein System, das ein digitales Signal in ein analoges Signal umwandelt . Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) führt die Umkehrfunktion aus.

Es gibt mehrere DAC- Architekturen . Die Eignung eines DAC für eine bestimmte Anwendung wird durch Leistungszahlen bestimmt, darunter: Auflösung , maximale Abtastfrequenz und andere. Die Digital-Analog-Wandlung kann ein Signal verschlechtern. Daher sollte ein DAC angegeben werden, der hinsichtlich der Anwendung unbedeutende Fehler aufweist.

DACs werden üblicherweise in Musik-Playern verwendet , um digitale Datenströme in analoge Audiosignale umzuwandeln . Sie werden auch in Fernsehgeräten und Mobiltelefonen verwendet , um digitale Videodaten in analoge Videosignale umzuwandeln . Diese beiden Anwendungen verwenden DACs an entgegengesetzten Enden des Frequenz / Auflösungs-Kompromisses. Der Audio-DAC ist ein niederfrequenter Typ mit hoher Auflösung, während der Video-DAC ein hochfrequenter Typ mit niedriger bis mittlerer Auflösung ist.

Aufgrund der Komplexität und des Bedarfs an genau abgestimmten Komponenten werden alle bis auf die spezialisiertesten DACs als integrierte Schaltkreise (ICs) implementiert . Diese haben typischerweise die Form von Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) -Mischsignal- Chips mit integrierten Schaltkreisen , die sowohl analoge als auch digitale Schaltkreise integrieren .

Diskrete DACs (Schaltungen, die aus mehreren diskreten elektronischen Komponenten anstelle eines gepackten ICs aufgebaut sind) sind typischerweise leistungshungrige Typen mit extrem hoher Geschwindigkeit und niedriger Auflösung, wie sie in militärischen Radarsystemen verwendet werden. Sehr schnelle Testgeräte, insbesondere Abtastoszilloskope , können auch diskrete DACs verwenden.

Überblick

Abgetastetes Signal.

Ein DAC wandelt eine abstrakte Zahl mit endlicher Genauigkeit (normalerweise eine Festkomma- Binärzahl ) in eine physikalische Größe (z. B. eine Spannung oder einen Druck ) um. Insbesondere werden DACs häufig verwendet, um Zeitreihendaten mit endlicher Genauigkeit in ein sich ständig änderndes physikalisches Signal umzuwandeln .

Gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem kann ein DAC das ursprüngliche Signal aus den abgetasteten Daten rekonstruieren, vorausgesetzt, seine Bandbreite erfüllt bestimmte Anforderungen (z. B. ein Basisbandsignal mit einer Bandbreite, die kleiner als die Nyquist-Frequenz ist ). Die digitale Abtastung führt einen Quantisierungsfehler (Rundungsfehler) ein, der sich als geringes Rauschen im rekonstruierten Signal manifestiert.

Anwendungen

Ein vereinfachtes Funktionsdiagramm eines 8-Bit-DAC

DACs und ADCs sind Teil einer Technologie , die maßgeblich zur digitalen Revolution beigetragen hat . Betrachten Sie zur Veranschaulichung ein typisches Ferngespräch. Die Stimme des Anrufers wird von einem Mikrofon in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt , dann wird das analoge Signal von einem ADC in einen digitalen Strom umgewandelt. Der digitale Stream wird dann in Netzwerkpakete unterteilt, in denen er zusammen mit anderen digitalen Daten gesendet werden kann , nicht unbedingt mit Audio. Die Pakete werden dann am Ziel empfangen, aber jedes Paket kann eine völlig andere Route nehmen und möglicherweise nicht einmal in der richtigen Zeitreihenfolge am Ziel ankommen. Die digitalen Sprachdaten werden dann aus den Paketen extrahiert und zu einem digitalen Datenstrom zusammengesetzt. Ein DAC wandelt dies wieder in ein analoges elektrisches Signal um, das einen Audioverstärker ansteuert , der wiederum einen Lautsprecher ansteuert , der schließlich Ton erzeugt.

Audio

Toplader-CD-Player und externer Digital-Analog-Wandler.

Die meisten modernen Audiosignale werden in digitaler Form gespeichert (z. B. MP3s und CDs ). Um über Lautsprecher gehört zu werden, müssen sie in ein analoges Signal umgewandelt werden. DACs sind daher in CD-Playern , digitalen Musik-Playern und PC- Soundkarten enthalten .

Spezialisierte eigenständige DACs finden sich auch in High-End- HiFi- Systemen. Diese nehmen normalerweise den digitalen Ausgang eines kompatiblen CD-Players oder eines dedizierten Transports (der im Grunde ein CD-Player ohne internen DAC ist) und wandeln das Signal in einen analogen Line-Level- Ausgang um, der dann in einen Verstärker eingespeist werden kann , um die Lautsprecher anzutreiben.

Ähnliche Digital-Analog-Wandler finden sich in digitalen Lautsprechern wie USB- Lautsprechern und in Soundkarten .

In Voice-over-IP- Anwendungen muss die Quelle zunächst für die Übertragung digitalisiert werden, damit sie über einen ADC konvertiert und dann mithilfe eines DAC auf der Seite des Empfängers in analog umgewandelt wird.

Video

Die Videoabtastung funktioniert aufgrund der stark nichtlinearen Reaktion sowohl der Kathodenstrahlröhren (auf die die überwiegende Mehrheit der digitalen Videobasisarbeit abzielte) als auch des menschlichen Auges in der Regel in einem völlig anderen Maßstab. Dabei wird eine "Gammakurve" verwendet, um eine Erscheinen gleichmäßig verteilter Helligkeitsschritte über den gesamten Dynamikbereich des Displays - daher müssen RAMDACs in Computervideoanwendungen mit einer ausreichend tiefen Farbauflösung verwendet werden, um das Engineering eines fest codierten Werts in den DAC für jeden Ausgangspegel jedes Kanals unpraktisch zu machen (z. B. einen Atari ST oder Sega Genesis würde 24 solcher Werte erfordern, eine 24-Bit-Grafikkarte würde 768 benötigen ...). Angesichts dieser inhärenten Verzerrung ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Fernseh- oder Videoprojektor wahrheitsgemäß ein lineares Kontrastverhältnis (Differenz zwischen den dunkelsten und hellsten Ausgangspegeln) von 1000: 1 oder mehr behauptet, was 10 Bit Audio-Präzision entspricht, obwohl dies möglicherweise nur der Fall ist Akzeptieren Sie Signale mit 8-Bit-Genauigkeit und verwenden Sie ein LCD-Panel, das nur 6 oder 7 Bit pro Kanal darstellt.

Videosignale von einer digitalen Quelle wie einem Computer müssen in analoge Form umgewandelt werden, wenn sie auf einem analogen Monitor angezeigt werden sollen. Ab 2007 wurden analoge Eingänge häufiger als digitale verwendet. Dies änderte sich jedoch, als Flachbildschirme mit DVI- und / oder HDMI- Anschlüssen weiter verbreitet wurden. Ein Video-DAC ist jedoch in jedem digitalen Videoplayer mit analogen Ausgängen enthalten. Der DAC ist normalerweise in einen Speicher ( RAM ) integriert, der Konvertierungstabellen für Gammakorrektur , Kontrast und Helligkeit enthält, um ein Gerät namens RAMDAC zu erstellen .

Ein Gerät, das in entfernter Beziehung zum DAC steht, ist das digital gesteuerte Potentiometer , mit dem ein analoges Signal digital gesteuert wird.

Mechanisch

Die IBM Selectric-Schreibmaschine verwendet einen mechanischen Digital-Analog-Wandler zur Steuerung des Typballs.

Ein mechanischer Ein-Bit-Aktuator nimmt zwei Positionen ein: eine im eingeschalteten Zustand und eine im ausgeschalteten Zustand. Die Bewegung mehrerer Ein-Bit-Aktuatoren kann mit einem Whiffletree- Mechanismus kombiniert und gewichtet werden , um feinere Schritte zu erzeugen. Die IBM Selectric- Schreibmaschine verwendet ein solches System.

Kommunikation

DACs werden häufig in modernen Kommunikationssystemen verwendet, die die Erzeugung digital definierter Übertragungssignale ermöglichen. Hochgeschwindigkeits-DACs werden für die Mobilkommunikation verwendet, und Ultrahochgeschwindigkeits-DACs werden in optischen Kommunikationssystemen verwendet.

Typen

Die häufigsten Arten von elektronischen DACs sind:

  • Der Pulsweitenmodulator, bei dem ein stabiler Strom oder eine stabile Spannung in ein analoges Tiefpassfilter mit einer durch den digitalen Eingangscode bestimmten Dauer umgeschaltet wird . Diese Technik wird häufig zur Drehzahlregelung des Elektromotors und zum Dimmen von LED-Lampen verwendet .
  • Überabtastung von DACs oder Interpolation von DACs, wie z. B. solche mit Delta-Sigma-Modulation , verwenden eine Pulsdichteumwandlungstechnik mit Überabtastung . Mit Delta-Sigma-DACs sind Geschwindigkeiten von mehr als 100.000 Abtastwerten pro Sekunde (z. B. 192 kHz) und Auflösungen von 24 Bit erreichbar.
  • Der binär gewichtete DAC, der einzelne elektrische Komponenten für jedes Bit des DAC enthält, das mit einem Summierpunkt verbunden ist, typischerweise einem Operationsverstärker . Jeder Eingang in der Summierung hat Zweierpotenzwerte mit dem höchsten Strom oder der höchsten Spannung am höchstwertigen Bit . Diese genauen Spannungen oder Ströme summieren sich zum richtigen Ausgangswert. Dies ist eine der schnellsten Umwandlungsmethoden, weist jedoch aufgrund der für jede einzelne Spannung oder jeden einzelnen Strom erforderlichen hohen Präzision eine geringe Genauigkeit auf. Dieser Konvertertyp ist normalerweise auf eine Auflösung von 8 Bit oder weniger beschränkt.
    • Der geschaltete Widerstands- DAC enthält ein Parallelwiderstandsnetzwerk. Einzelne Widerstände werden basierend auf dem digitalen Eingang im Netzwerk aktiviert oder umgangen.
    • Geschalteter Stromquellen- DAC, aus dem basierend auf dem digitalen Eingang verschiedene Stromquellen ausgewählt werden.
    • Der geschaltete Kondensator- DAC enthält ein Parallelkondensatornetzwerk. Einzelne Kondensatoren werden je nach Eingang mit Schaltern verbunden oder getrennt.
    • Der R-2R-Leiter- DAC ist ein binär gewichteter DAC, der eine sich wiederholende kaskadierte Struktur der Widerstandswerte R und 2R verwendet. Dies verbessert die Präzision aufgrund der relativ einfachen Herstellung gleichwertig angepasster Widerstände.
  • Die sukzessive Approximation oder der zyklische DAC, der die Ausgabe während jedes Zyklus sukzessive erstellt. Einzelne Bits des digitalen Eingangs werden in jedem Zyklus verarbeitet, bis der gesamte Eingang berücksichtigt ist.
  • Der thermometercodierte DAC, der für jeden möglichen Wert des DAC-Ausgangs einen gleichen Widerstands- oder Stromquellensegment enthält. Ein 8-Bit-Thermometer-DAC hätte 255 Segmente, und ein 16-Bit-Thermometer-DAC hätte 65.535 Segmente. Dies ist eine schnelle und hochpräzise DAC-Architektur, jedoch auf Kosten vieler Komponenten, für deren Herstellung für praktische Implementierungen IC-Prozesse mit hoher Dichte erforderlich sind .
  • Hybrid-DACs, die eine Kombination der oben genannten Techniken in einem einzigen Konverter verwenden. Die meisten integrierten DAC-Schaltkreise sind von diesem Typ, da es schwierig ist, niedrige Kosten, hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision in einem Gerät zu erzielen.
    • Der segmentierte DAC, der das thermometercodierte Prinzip für die höchstwertigen Bits und das binär gewichtete Prinzip für die niedrigstwertigen Bits kombiniert. Auf diese Weise wird ein Kompromiss zwischen Präzision (unter Verwendung des thermometercodierten Prinzips) und Anzahl der Widerstände oder Stromquellen (unter Verwendung des binärgewichteten Prinzips) erzielt. Das vollständige binär gewichtete Design bedeutet 0% Segmentierung, das vollständige thermometercodierte Design bedeutet 100% Segmentierung.
  • Die meisten in dieser Liste gezeigten DACs basieren auf einer konstanten Referenzspannung oder einem konstanten Referenzstrom, um ihren Ausgangswert zu erstellen. Alternativ nimmt ein multiplizierender DAC eine variable Eingangsspannung oder einen variablen Eingangsspannungsstrom als Umrechnungsreferenz. Dies führt zu zusätzlichen Entwurfsbeschränkungen für die Bandbreite der Konvertierungsschaltung.
  • Moderne Hochgeschwindigkeits-DACs haben eine verschachtelte Architektur, in der mehrere DAC-Kerne parallel verwendet werden. Ihre Ausgangssignale werden im analogen Bereich kombiniert, um die Leistung des kombinierten DAC zu verbessern. Die Kombination der Signale kann entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich durchgeführt werden.

Performance

Die wichtigsten Merkmale eines DAC sind:

Auflösung
Die Anzahl der möglichen Ausgangspegel, für deren Wiedergabe der DAC ausgelegt ist. Dies wird in der Regel als die Anzahl der angegebenen Bits verwendet es, die das ist binäre Logarithmus der Anzahl der Ebenen. Beispielsweise ist ein 1-Bit-DAC für die Wiedergabe von 2 (2 1 ) Ebenen ausgelegt, während ein 8-Bit-DAC für 256 (2 8 ) Ebenen ausgelegt ist. Die Auflösung bezieht sich auf die effektive Anzahl von Bits, die ein Maß für die tatsächliche Auflösung ist, die vom DAC erreicht wird. Die Auflösung bestimmt die Farbtiefe in Videoanwendungen und die Audio-Bittiefe in Audioanwendungen.
Maximale Abtastrate
Die maximale Geschwindigkeit, mit der die DACs-Schaltung arbeiten und dennoch die richtige Ausgabe erzeugen kann. Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem definiert eine Beziehung zwischen diesem und der Bandbreite des abgetasteten Signals.
Monotonie
Die Fähigkeit des analogen Ausgangs eines DAC, sich nur in die Richtung zu bewegen, in die sich der digitale Eingang bewegt (dh wenn der Eingang zunimmt, fällt der Ausgang nicht ab, bevor der richtige Ausgang bestätigt wird). Diese Eigenschaft ist sehr wichtig für DACs, die als Low-Ausgang verwendet werden -Frequenzsignalquelle oder als digital programmierbares Trimmelement.
Gesamte harmonische Verzerrung und Rauschen (THD + N)
Eine Messung der Verzerrung und des Rauschens, die vom DAC in das Signal eingebracht werden. Sie wird als Prozentsatz der Gesamtleistung unerwünschter harmonischer Verzerrungen und Rauschen ausgedrückt , die das gewünschte Signal begleiten.
Dynamikbereich
Eine Messung der Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Signal, das der DAC reproduzieren kann, ausgedrückt in Dezibel . Dies hängt normalerweise mit der Auflösung und dem Grundrauschen zusammen .

Andere Messungen, wie Phasenverzerrung und Jitter , können für einige Anwendungen ebenfalls sehr wichtig sein, von denen einige (z. B. drahtlose Datenübertragung, Composite-Video) sogar auf der genauen Erzeugung phasenangepasster Signale beruhen können.

Nichtlineare PCM-Codierungen (A-Gesetz / μ-Gesetz, ADPCM, NICAM) versuchen, ihre effektiven Dynamikbereiche zu verbessern, indem logarithmische Schrittgrößen zwischen den durch jedes Datenbit dargestellten Ausgangssignalstärken verwendet werden. Dies tauscht eine größere Quantisierungsverzerrung von lauten Signalen gegen eine bessere Leistung von leisen Signalen aus.

Leistungsmerkmale

  • Statische Leistung:
    • Die differentielle Nichtlinearität (DNL) zeigt, um wie viel zwei benachbarte Code-Analogwerte vom idealen 1-LSB-Schritt abweichen.
    • Die integrale Nichtlinearität (INL) zeigt, um wie viel die DAC-Übertragungscharakteristik von einer idealen abweicht. Das heißt, das ideale Merkmal ist normalerweise eine gerade Linie; INL zeigt in LSBs (1 LSB-Schritte), wie stark sich die tatsächliche Spannung bei einem bestimmten Codewert von dieser Leitung unterscheidet.
    • Fehler gewinnen
    • Versatzfehler
    • Das Rauschen wird letztendlich durch das thermische Rauschen begrenzt, das von passiven Komponenten wie Widerständen erzeugt wird. Für Audioanwendungen und bei Raumtemperatur beträgt dieses Rauschen normalerweise etwas weniger als 1 μV (Mikrovolt) weißes Rauschen . Dies begrenzt die Leistung selbst in 24-Bit-DACs auf weniger als 20 bis 21 Bit.  
  • Frequenzbereichsleistung
    • Der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) gibt in dB das Verhältnis zwischen den Leistungen des umgewandelten Hauptsignals und dem größten unerwünschten Sporn an.
    • Signal-Rausch und Verzerrung ( SINAD ) geben in dB das Verhältnis zwischen den Leistungen des umgewandelten Hauptsignals und der Summe des Rauschens und der erzeugten harmonischen Sporen an
    • Die Verzerrung der i-ten Harmonischen (HDi) gibt die Leistung der i-ten Harmonischen des konvertierten Hauptsignals an
    • Total Harmonic Distortion (THD) ist die Summe der Leistungen aller Harmonischen des Eingangssignals
    • Wenn die maximale DNL weniger als 1 LSB beträgt, ist der D / A- Wandler garantiert monoton. Viele monotone Wandler können jedoch eine maximale DNL von mehr als 1 LSB haben.
  • Zeitbereichsleistung:
    • Glitch-Impulsbereich (Glitch-Energie)

Siehe auch

  • I²S  - Serielle Schnittstelle für digitales Audio

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links