digital to analog converter

Digital-to-analog converter

Dalam elektronika , digital-to-analog converter (DAC, D / A, D2A atau D-to-A) adalah fungsi yang mengubah data digital (biasanya biner) menjadi sinyal analog ( saat ini , tegangan , atau muatan listrik ). Sebuah konverter analog-ke-digital (ADC) melakukan fungsi sebaliknya. Tidak seperti sinyal analog, data digital dapat ditransmisikan, dimanipulasi, dan disimpan tanpa degradasi, meskipun dengan peralatan yang lebih kompleks. Tapi DAC diperlukan untuk mengkonversi sinyal digital ke analog untuk menggerakkan sebuah earphone atau pengeras suara amplifier untuk menghasilkan suara (gelombang tekanan udara analog).

DAC dan terbalik mereka, ADC, adalah bagian dari teknologi yang memungkinkan yang telah memberikan kontribusi besar terhadap revolusi digital. Untuk menggambarkan, mempertimbangkan panggilan telepon biasa jarak jauh. Suara pemanggil diubah menjadi sinyal listrik analog dengan mikrofon, maka sinyal analog diubah menjadi aliran digital oleh ADC. Aliran digital ini kemudian dibagi menjadi paket-paket mana dapat dicampur dengan data digital lainnya, belum tentu audio. Paket-paket digital kemudian dikirim ke tujuan, tetapi masing-masing paket dapat mengambil rute yang sama sekali berbeda dan tidak mungkin bahkan tiba di tujuan dalam urutan waktu yang tepat. Data suara digital kemudian diekstrak dari paket dan dirakit menjadi sebuah aliran data digital. Sebuah DAC mengubah ini menjadi sinyal listrik analog, yang mendorong penguat audio, yang pada gilirannya mendorong pengeras suara, yang akhirnya menghasilkan suara.

Ada beberapa DAC arsitektur ; kesesuaian DAC untuk aplikasi tertentu ditentukan oleh enam parameter utama: ukuran fisik, konsumsi daya, resolusi , kecepatan, ketepatan, biaya. Karena kompleksitas dan kebutuhan untuk tepat cocok komponen , semua tapi DAC paling spesialis diimplementasikan sebagai sirkuit terpadu (IC). Digital-to-analog konversi dapat menurunkan sinyal, sehingga DAC harus ditentukan yang memiliki kesalahan signifikan dalam hal aplikasi.

DAC biasanya digunakan dalam pemutar musik untuk mengkonversi data digital stream menjadi sinyal audio analog. Mereka juga digunakan dalam televisi dan ponsel untuk mengkonversi data video digital menjadi sinyal video analog yang terhubung ke driver layar untuk menampilkan monokrom atau warna gambar. Kedua aplikasi menggunakan DAC di ujung-ujung kecepatan / resolusi trade-off. Audio DAC adalah kecepatan rendah jenis resolusi tinggi sementara video DAC adalah kecepatan tinggi rendah dengan jenis resolusi menengah. DAC diskrit biasanya akan kecepatan sangat tinggi kekuatan resolusi rendah jenis lapar, seperti yang digunakan dalam militer radar sistem. Alat uji kecepatan yang sangat tinggi, terutama sampel osiloskop , juga dapat menggunakan DAC diskrit.

Ikhtisar

Idealnya sampel sinyal.

Sebuah DAC mengubah sebuah abstrak jumlah terbatas presisi (biasanya fixed-point nomor biner ) menjadi kuantitas fisik (misalnya, sebuah tegangan atau tekanan ). Secara khusus, DAC sering digunakan untuk mengkonversi terbatas presisi time series data fisik terus bervariasi sinyal .

J khas DAC mengubah nomor abstrak menjadi konkret urutan impuls yang kemudian diproses oleh penyaring rekonstruksi menggunakan beberapa bentuk interpolasi untuk mengisi data antara impuls. Metode DAC lainnya (misalnya, metode berdasarkan modulasi delta-sigma ) menghasilkan pulsa-density termodulasi sinyal yang kemudian dapat disaring dengan cara yang sama untuk menghasilkan sinyal lancar bervariasi.

Sesuai dengan teorema sampling Nyquist-Shannon , DAC dapat merekonstruksi sinyal asli dari data sampel asalkan bandwidth memenuhi persyaratan tertentu (misalnya, baseband sinyal dengan bandwidth yang kurang dari frekuensi Nyquist ). Digital sampling memperkenalkan quantization error yang bermanifestasi sebagai tingkat kebisingan yang rendah ditambahkan ke sinyal direkonstruksi.

Operasi praktis

Output Piecewise konstan DAC ideal kurang penyaring rekonstruksi . Dalam DAC praktis, filter atau bandwidth terbatas perangkat menghaluskan keluar respon langkah ke kurva kontinu.

Alih-alih impuls, biasanya urutan nomor memperbarui tegangan analog di seragam interval pengambilan sampel , yang kemudian sering diinterpolasi melalui saringan rekonstruksi ke tingkat terus bervariasi.

Angka-angka ini ditulis dengan DAC, biasanya dengan signal clock yang menyebabkan setiap nomor yang akan mengunci secara berurutan, pada saat tegangan output DAC perubahan pesat dari nilai sebelumnya dengan nilai diwakili dengan jumlah saat ini terkunci. Efek dari ini adalah bahwa tegangan output diadakan dalam waktu pada nilai saat ini sampai masukan nomor berikutnya terkunci, sehingga konstan sesepenggal atau output tangga berbentuk. Hal ini setara dengan nol terus-order operasi dan memiliki efek pada respon frekuensi sinyal direkonstruksi.

Fakta bahwa output DAC urutan nilai konstan sesepenggal (dikenal sebagai zero-order hold dalam buku teks data sampel) atau pulsa persegi panjang menyebabkan beberapa harmonik di atas frekuensi Nyquist . Biasanya, ini dikeluarkan dengan low pass filter bertindak sebagai filter rekonstruksi di aplikasi yang memerlukannya.

Aplikasi

Diagram fungsional sederhana dari 8-bit DAC

Audio

Kebanyakan sinyal audio modern disimpan dalam bentuk digital (misalnya MP3 dan CD ) dan dalam rangka untuk didengarkan melalui speaker mereka harus dikonversi menjadi sinyal analog. Oleh karena itu DAC ditemukan di CD player , pemutar musik digital , dan PC kartu suara .

DAC mandiri Spesialis juga dapat ditemukan di high-end hi-fi sistem. Ini biasanya mengambil output digital yang kompatibel CD player atau dedicated transportasi (yang pada dasarnya merupakan CD player tanpa DAC internal) dan mengubah sinyal analog menjadi line-level output yang kemudian dapat dimasukkan ke dalam sebuah amplifier untuk drive speaker.

Serupa digital-to-analog konverter dapat ditemukan di speaker digital seperti USB speaker, dan di kartu suara.

Dalam VoIP (Voice over IP) aplikasi, sumber pertama harus didigitalkan untuk transmisi, sehingga mengalami konversi melalui konverter analog-ke-digital , dan kemudian direkonstruksi menjadi analog menggunakan DAC pada akhir penerima.

Top-loading CD player dan eksternal konverter digital-ke-analog.

Video

Video sampel cenderung untuk bekerja pada skala yang sama sekali berbeda sama sekali berkat respon yang sangat nonlinear kedua tabung sinar katoda (yang sebagian besar pekerjaan pondasi video digital ditargetkan) dan mata manusia, menggunakan "kurva gamma" untuk memberikan penampilan langkah kecerahan merata di berbagai dinamis display - maka kebutuhan untuk menggunakan RAMDACs dalam aplikasi komputer video dengan resolusi yang cukup warna dalam membuat rekayasa nilai hardcoded ke DAC untuk setiap tingkat output masing-masing saluran praktis (misalnya Atari ST atau Sega Genesis akan membutuhkan 24 nilai-nilai tersebut, kartu video 24-bit akan membutuhkan 768 ...). Mengingat distorsi yang melekat ini, tidak biasa untuk televisi atau proyektor video untuk jujur ​​mengklaim rasio kontras linear (perbedaan antara tingkat output gelap dan terang) 1000: 1 atau lebih besar, setara dengan 10 bit presisi audio yang meskipun hanya mungkin menerima sinyal dengan 8-bit presisi dan menggunakan panel LCD yang hanya mewakili 6 atau 7 bit per channel.

Sinyal video dari sumber digital, seperti komputer, harus diubah ke bentuk analog jika mereka yang akan ditampilkan pada monitor analog. Pada tahun 2007, input analog yang lebih umum digunakan daripada digital, tapi ini berubah sebagai panel layar datar dengan DVI dan / atau HDMI koneksi menjadi lebih luas. ^{[ rujukan? ]} Sebuah video DAC adalah Namun, tergabung dalam pemutar video digital dengan analog output. DAC biasanya terintegrasi dengan beberapa memori ( RAM ), yang berisi tabel konversi untuk koreksi gamma , kecerahan dan kontras, untuk membuat perangkat yang disebut RAMDAC .

Sebuah perangkat yang jauh terkait dengan DAC adalah potensiometer digital dikontrol, digunakan untuk mengendalikan sebuah sinyal analog digital.

Teknik

Aplikasi yang tidak biasa konversi digital-to-analog adalah whiffletree elektromekanis linkage konverter digital-ke-analog di IBM Selectric mesin tik.

Jenis DAC

Jenis yang paling umum dari DAC elektronik:

• The pulse-width modulasi , jenis DAC sederhana. Sebuah stabil saat atau tegangan diaktifkan menjadi low-pass filter analog dengan durasi ditentukan oleh kode digital masukan. Teknik ini sering digunakan untuk kontrol kecepatan motor listrik, namun memiliki banyak aplikasi lain juga.

• Oversampling DAC atau interpolasi DAC seperti delta-sigma DAC, menggunakan teknik pulse kepadatan konversi. The oversampling Teknik memungkinkan untuk penggunaan resolusi yang lebih rendah DAC internal. Sederhana 1-bit DAC sering dipilih karena oversampled hasilnya secara inheren linier. DAC digerakkan dengan pulsa-density termodulasi sinyal, dibuat dengan penggunaan filter low-pass , langkah non-linear (sebenarnya 1-bit DAC), dan umpan balik negatif lingkaran, dalam teknik yang disebut modulasi delta-sigma . Hasil ini merupakan yang efektif filter high-pass yang bekerja pada kuantisasi (pemrosesan sinyal) kebisingan, sehingga steering ini kebisingan dari frekuensi rendah dari bunga menjadi frekuensi megahertz bunga kecil, yang disebut membentuk kebisingan . The quantization kebisingan di frekuensi tinggi dihapus atau sangat dilemahkan oleh penggunaan low-pass filter analog pada output (kadang-kadang sederhana RC low-pass sirkuit cukup). Kebanyakan DAC resolusi sangat tinggi (lebih dari 16 bit) adalah dari jenis ini karena tinggi linearitas dan biaya rendah. Harga tinggi oversampling dapat bersantai dengan spesifikasi yang rendah output-pass filter dan memungkinkan lebih dari penindasan quantization kebisingan. Kecepatan lebih dari 100 ribu sampel per detik (misalnya, 192 kHz) dan resolusi 24 bit dicapai dengan DAC delta-sigma. Perbandingan singkat dengan modulasi lebar pulsa menunjukkan bahwa DAC 1-bit dengan sederhana orde pertama integrator harus dijalankan pada 3 THz (yang terwujud secara fisik) untuk mencapai 24 bit yang berarti resolusi, membutuhkan tingkat tinggi rendah pass filter dalam lingkaran noise-membentuk. Satu integrator adalah filter low-pass dengan respon frekuensi berbanding terbalik dengan frekuensi dan menggunakan salah satu integrator tersebut dalam loop noise-membentuk adalah urutan pertama delta-sigma modulator. Beberapa topologi yang lebih tinggi (seperti MASH ) yang digunakan untuk mencapai derajat yang lebih tinggi dari noise-membentuk dengan topologi yang stabil .

• Biner weighted DAC, yang berisi komponen listrik individu untuk setiap bit dari DAC terhubung ke titik penjumlahan. Ini tepat tegangan atau arus ke jumlah nilai output yang benar. Ini adalah salah satu metode konversi tercepat tetapi menderita miskin akurasi karena presisi tinggi diperlukan untuk setiap individu atau tegangan saat. Komponen presisi tinggi tersebut mahal, sehingga jenis konverter biasanya terbatas pada resolusi 8-bit atau kurang.

• Switched resistor DAC mengandung jaringan resistor paralel. Resistor individu diaktifkan atau dilewati dalam jaringan berdasarkan masukan digital.

• Switched sumber arus DAC, dari mana sumber arus yang berbeda dipilih berdasarkan masukan digital.

• Switched kapasitor DAC mengandung jaringan kapasitor paralel. Kapasitor tersebut terhubung atau terputus dengan switch berdasarkan input.

• ·         The R-2R tangga DAC yang merupakan DAC pembobotan biner yang menggunakan struktur bertingkat mengulangi nilai resistor R dan 2R. Hal ini meningkatkan presisi karena kemudahan yang relatif sama produksi resistor bernilai-cocok (atau sumber arus). Namun, konverter lebar melakukan lambat karena semakin besar RC-konstanta untuk setiap link R-2R menambahkan.

• The Berturut-turut-Pendekatan atau Cyclic DAC, yang berturut-turut membangun output selama setiap siklus. Bit individual dari input digital diproses setiap siklus sampai seluruh masukan dicatat.

•   The termometer-kode DAC, yang berisi resistor atau saat-sumber segmen yang sama untuk setiap nilai kemungkinan output DAC. 8-bit DAC termometer akan memiliki 255 segmen, dan 16-bit DAC termometer akan memiliki 65.535 segmen. Ini mungkin yang tercepat dan tertinggi presisi DAC arsitektur tetapi dengan mengorbankan biaya tinggi. Kecepatan konversi> 1 miliar sampel per detik telah tercapai dengan jenis DAC.

• Hybrid DAC, yang menggunakan kombinasi teknik di atas dalam satu converter. Kebanyakan DAC sirkuit terpadu adalah dari jenis ini karena sulitnya mendapatkan biaya rendah, kecepatan tinggi dan presisi tinggi dalam satu perangkat.

• The tersegmentasi DAC, yang menggabungkan prinsip termometer-kode untuk bit yang paling signifikan dan prinsip pembobotan biner untuk bit paling signifikan. Dengan cara ini, kompromi diperoleh antara presisi (dengan menggunakan prinsip termometer-kode) dan jumlah resistor atau sumber arus (dengan menggunakan prinsip binary weighted). Desain pembobotan biner penuh berarti 0% segmentasi, desain termometer-kode penuh berarti 100% segmentasi.

•  Kebanyakan DAC, ditampilkan sebelumnya dalam daftar ini, bergantung pada tegangan referensi konstan untuk menciptakan nilai output mereka. Atau, DAC mengalikan mengambil input tegangan variabel untuk konversi mereka. Hal ini menempatkan kendala desain tambahan pada bandwidth dari rangkaian konversi.

DAC kinerja

DAC sangat penting untuk kinerja sistem. Karakteristik yang paling penting dari perangkat ini adalah:

•   Resolusi: Jumlah tingkat output yang mungkin DAC dirancang untuk mereproduksi. Hal ini biasanya dinyatakan sebagai jumlah bit menggunakan, yang merupakan basis dua logaritma dari jumlah tingkat. Misalnya DAC 1 bit dirancang untuk mereproduksi 2 (2 ¹⁾ tingkat sementara 8 bit DAC dirancang untuk 256 (2 ⁸⁾ tingkat. Resolusi ini terkait dengan jumlah efektif bit yang merupakan pengukuran resolusi yang sebenarnya dicapai oleh DAC. Resolusi menentukan kedalaman warna dalam aplikasi video dan kedalaman bit audio dalam aplikasi audio.

•   Maksimum sampling rate:Sebuah pengukuran kecepatan maksimum di mana sirkuit DAC dapat beroperasi dan masih menghasilkan output yang benar. Seperti yang tercantum dalam teorema sampling Nyquist-Shannon mendefinisikan hubungan antara frekuensi sampling dan bandwith dari sinyal sampel.

•  Kemonotonan :Kemampuan output analog DAC untuk bergerak hanya ke arah yang bergerak input digital (misalnya, jika input meningkat, output tidak mencelupkan sebelum menegaskan output yang benar.) Karakteristik ini sangat penting bagi DAC digunakan sebagai rendah sumber sinyal frekuensi atau sebagai elemen langsing digital diprogram.

• Jumlah distorsi harmonis dan kebisingan (THD + N) : Sebuah pengukuran distorsi dan kebisingan diperkenalkan ke sinyal oleh DAC. Hal ini dinyatakan sebagai persentase dari total daya yang tidak diinginkan harmonik distorsi dan kebisingan yang menyertai sinyal yang diinginkan. Ini merupakan karakteristik DAC sangat penting untuk aplikasi sinyal DAC dinamis dan kecil.

•   Dynamic range: Sebuah pengukuran perbedaan antara yang terbesar dan terkecil sinyal DAC dapat mereproduksi dinyatakan dalam desibel . Hal ini biasanya terkait dengan resolusi dan kebisingan lantai .

Pengukuran lain, seperti fase distorsi dan jitter , juga dapat menjadi sangat penting untuk beberapa aplikasi, beberapa di antaranya (misalnya transmisi data nirkabel, video komposit) bahkan mungkin mengandalkan produksi yang akurat dari fase sinyal-disesuaikan.

Sampel PCM audio Linear biasanya bekerja atas dasar setiap bit resolusi yang setara dengan 6 desibel amplitudo (peningkatan 2x volume atau presisi).

Pengkodean PCM non-linear (A-hukum / μ-hukum, ADPCM, NICAM) upaya untuk meningkatkan rentang dinamis efektif mereka dengan berbagai metode - ukuran langkah logaritmik antara kekuatan sinyal output yang diwakili oleh masing-masing bit data (perdagangan distorsi kuantisasi lebih besar Sinyal keras untuk kinerja yang lebih baik dari sinyal yang tenang)

Angka DAC merit

Kinerja Static:

• Nonlinier Differential (DNL) menunjukkan berapa banyak dua kode nilai analog yang berdekatan menyimpang dari ideal 1 LSB langkah. ^[2]

•  Nonlinier Integral (INL) menunjukkan berapa banyak karakteristik perpindahan DAC menyimpang dari ideal. Artinya, karakteristik yang ideal biasanya garis lurus; INL menunjukkan berapa banyak tegangan aktual pada nilai kode yang diberikan berbeda dari garis itu, di LSBs (1 LSB langkah).

• Keuntungan

• Mengimbangi

•   Kebisingan pada akhirnya dibatasi oleh noise termal yang dihasilkan oleh komponen pasif seperti resistor. Untuk aplikasi audio dan suhu ruangan, kebisingan seperti biasanya sedikit kurang dari 1 μV (mikrovolt) dari white noise . Hal ini membatasi kinerja kurang dari 20 ~ 21 bit bahkan di 24-bit DAC.

Kinerja frekuensi domain

• Dynamic range palsu bebas (SFDR) menunjukkan dalam dB rasio antara kekuatan sinyal utama dikonversi dan memacu diinginkan terbesar.

• Signal-to-noise ratio dan distorsi (SNDR) menunjukkan dalam dB rasio antara kekuatan sinyal utama dikonversi dan jumlah kebisingan dan taji harmonik yang dihasilkan

• i-th distorsi harmonik (IPM) menunjukkan kekuatan-i harmonik dari sinyal utama dikonversi

• Jumlah distorsi harmonis (THD) adalah jumlah kekuasaan semua IPM

•  Jika kesalahan maksimum DNL kurang dari 1 LSB, maka D / A converter dijamin akan monoton. Namun, banyak konverter monoton mungkin memiliki DNL maksimum lebih besar dari 1 LSB.

Waktu kinerja domain:

•   Daerah impuls Glitch (kesalahan energi)

•  Ketidakpastian respon

•    Waktu nonlinier (TNL)