Em eletrônica, o circuito DAC é uma espécie de sistema. É ela quem converte o sinal digital para analógico.
Existem vários circuitos DAC. A adequação para um aplicativo específico é determinada por métricas de qualidade, incluindo resolução, taxa de amostragem máxima e outros.
A conversão digital para analógico pode degradar o envio do sinal, por isso é necessário encontrar um instrumento que apresente pequenos erros em termos de aplicação.
Aplicativos
DACs são normalmente usados em tocadores de música para converter fluxos numéricos de informações em sinais de áudio analógicos. Eles também são usados em televisores e telefones celulares para converter dados de vídeo em sinais de vídeo, respectivamente, que são conectados a drivers de tela para exibir imagens monocromáticas ou multicoloridas.
São essas duas aplicações que usam circuitos DAC em extremos opostos do compromisso entre densidade e contagem de pixels. O áudio é um tipo de baixa frequência com alta resolução e o vídeo é uma variante de alta frequência com uma imagem baixa a média.
Devido à complexidade e à necessidade de componentes cuidadosamente combinados, todos, exceto os DACs mais especializados, são implementados como circuitos integrados (ICs). Os links discretos são tipicamente extremamente rápidos, de baixa resolução e de economia de energia, usados em sistemas de radar militares. Equipamentos de teste de altíssima velocidade, especialmente osciloscópios de amostragem, também podem usar DACs discretos.
Visão Geral
A saída semiconstante de um DAC convencional não filtrado é incorporada a quase todos os dispositivos, e a imagem inicial ou a largura de banda final do design suaviza a resposta de afinação em uma curva contínua.
Respondendo a pergunta: “O que é um DAC?”, vale notar que este componente converte um número abstrato de precisão finita (geralmente um dígito binário de ponto fixo) em um valor físico (por exemplo, tensão ou pressão). Em particular, a conversão D/A é frequentemente usada para alterar dados de séries temporais em um sinal físico que muda continuamente.
O DAC ideal converte dígitos abstratos em um trem conceitual de pulsos, que são então processados por um filtro de reconstrução, usando alguma forma de interpolação para preencher os dados entre os pulsos. Ordinárioum prático conversor digital-analógico transforma os números em uma função constante por partes composta de uma sequência de padrões retangulares que são criados mantendo a ordem zero. Além disso, respondendo à pergunta: "O que é um DAC?" vale a pena notar outros métodos (por exemplo, com base na modulação delta-sigma). Eles criam uma saída modulada por densidade de pulso que pode ser filtrada de forma semelhante para produzir um sinal de variação suave.
De acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon, o DAC pode reconstruir a vibração original a partir dos dados amostrados, desde que sua zona de penetração atenda a certos requisitos (por exemplo, um pulso de banda base com menor densidade de linha). A amostra digital representa o erro de quantização, que aparece como ruído de baixo nível no sinal reconstruído.
Diagrama de funções simplificado de uma ferramenta de 8 bits
Vale a pena notar imediatamente que o modelo mais popular é o conversor digital-analógico Real Cable NANO-DAC. O DAC faz parte de uma tecnologia avançada que contribuiu significativamente para a revolução digital. Para ilustrar, considere as chamadas telefônicas de longa distância típicas.
A voz do chamador é convertida em um sinal elétrico analógico usando um microfone, e então esse pulso é transformado em um fluxo digital junto com o DAC. Depois disso, este último é dividido em pacotes de rede, para onde pode ser enviado junto com outros dados digitais. E pode não ser necessariamente áudio.
Então pacotessão aceites no destino, mas cada um deles pode fazer um percurso completamente diferente e nem sequer chegar ao destino na ordem correcta e na hora correcta. Os dados de voz digital são então extraídos dos pacotes e montados em um fluxo de dados comum. O DAC converte isso de volta em um sinal elétrico analógico que aciona um amplificador de áudio (como o conversor digital-analógico Real Cable NANO-DAC). E ele, por sua vez, ativa o alto-falante, que finalmente produz o som necessário.
Áudio
Os sinais acústicos mais modernos são armazenados digitalmente (por exemplo, MP3 e CD). Para serem ouvidos através dos alto-falantes, eles devem ser convertidos em um impulso semelhante. Assim, você pode encontrar um conversor digital para analógico para TV, CD player, sistemas de música digital e placas de som para PC.
DACs autônomos dedicados também podem ser encontrados em sistemas Hi-Fi de alta qualidade. Eles normalmente pegam a saída digital de um CD player compatível ou veículo dedicado e convertem o sinal em uma saída analógica de nível de linha que pode então ser alimentada em um amplificador para acionar alto-falantes.
Conversores D/A semelhantes podem ser encontrados em colunas digitais, como alto-falantes USB e placas de som.
Em aplicações de Voz sobre IP, a fonte deve primeiro ser digitalizada para transmissão, para que seja convertida por meio de um ADC e depois convertida para analógico usando um DAC ema parte receptora. Por exemplo, este método é usado para alguns conversores digital-analógico (TV).
Foto
A amostragem tende a operar em uma escala completamente diferente em geral, devido à resposta altamente não linear dos tubos de raios catódicos (para os quais a grande maioria da produção de vídeo digital foi destinada) e do olho humano, usando um curva gama para fornecer a aparência de etapas de brilho uniformemente distribuídas em toda a faixa dinâmica da tela. Daí a necessidade de usar RAMDAC em aplicativos de vídeo de computador com uma resolução de cor bastante profunda, de modo que é impraticável criar um valor codificado no DAC para cada nível de saída de cada canal (por exemplo, um Atari ST ou Sega Genesis precisa de 24 desses valores; uma placa de vídeo de 24 bits precisaria de 768).
Dada essa distorção inerente, não é incomum que uma TV ou projetor de vídeo seja declarado com verdade como tendo uma taxa de contraste linear (a diferença entre os níveis de saída mais escuros e mais claros) de 1.000:1 ou mais. Isso equivale a 10 bits de fidelidade de som, mesmo que só possa receber sinais com fidelidade de 8 bits e use um painel LCD que exibe apenas seis ou sete bits por canal. As revisões do DAC são publicadas nesta base.
Os sinais de vídeo de uma fonte digital, como um computador, devem ser convertidos para o formato analógico se forem exibidos em um monitor. Semelhante desde 2007as entradas eram usadas com mais frequência do que as digitais, mas isso mudou à medida que os monitores de tela plana com conexões DVI ou HDMI se tornaram mais comuns. No entanto, um DAC de vídeo é integrado a qualquer player de vídeo digital com as mesmas saídas. Um conversor de áudio digital para analógico geralmente é integrado a algum tipo de memória (RAM) que contém tabelas de reorganização para correção de gama, contraste e brilho para criar um acessório chamado RAMDAC.
O dispositivo que está conectado remotamente ao DAC é um potenciômetro controlado digitalmente usado para captar o sinal.
Projeto mecânico
Por exemplo, a máquina de escrever IBM Selectric já usa um DAC não manual para conduzir a bola.
Circuito conversor digital-analógico se parece com isso.
Unidade mecânica de bit único assume duas posições: uma quando ligada, a outra quando desligada. O movimento de vários atuadores de bit único pode ser combinado e ponderado pelo dispositivo sem hesitação para obter passos mais precisos.
É a máquina de escrever IBM Selectric que usa tal sistema.
Principais tipos de conversores digital-analógico
- Modulador de largura de pulso onde uma corrente ou tensão estável é comutada em um filtro analógico passa-baixa com uma duração determinada por um código de entrada digital. Este método é frequentemente usado para controlar a velocidade do motor e escurecer as luzes do LED.
- Conversor de áudio digital para analógico comDACs de sobreamostragem ou interpolação, como aqueles que usam modulação delta-sigma, usam o método de variação de densidade de pulso. Velocidades acima de 100 ksample por segundo (por exemplo, 180 kHz) e resolução de 28 bits são alcançáveis com um dispositivo delta-sigma.
- Um elemento binário ponderado que contém componentes elétricos separados para cada bit DAC conectado ao ponto de soma. É ela quem pode somar o amplificador operacional. A intensidade da corrente da fonte é proporcional ao peso do bit ao qual ela corresponde. Assim, todos os bits diferentes de zero do código são adicionados ao peso. Isso ocorre porque eles têm a mesma fonte de tensão à sua disposição. Este é um dos métodos de conversão mais rápidos, mas não é perfeito. Uma vez que há um problema: baixa fidelidade devido aos grandes dados necessários para cada tensão ou corrente individual. Esses componentes de alta precisão são caros, portanto, esse tipo de modelo geralmente é limitado a resolução de 8 bits ou até menos. O resistor comutado tem a finalidade de conversores digital-analógico em fontes de rede paralela. As instâncias individuais são conectadas à eletricidade com base em uma entrada digital. O princípio de funcionamento deste tipo de conversor digital-analógico está na fonte de corrente chaveada do DAC, a partir da qual são selecionadas diferentes teclas com base em uma entrada numérica. Inclui uma linha de capacitores síncronos. Esses elementos individuais são conectados ou desconectados usando um mecanismo especial (pé) localizado próximo a todos os plugues.
- Conversores de escada digital para analógicotype, que é um elemento de peso binário. Ele, por sua vez, usa uma estrutura de repetição dos valores do resistor em cascata R e 2R. Isso melhora a precisão devido à relativa facilidade de fabricação do mesmo mecanismo classificado (ou fontes de corrente).
- Avanço sequencial ou DAC cíclico que constrói a saída uma a uma durante cada etapa. Bits individuais de uma entrada digital são processados por todos os conectores até que todo o objeto seja contabilizado.
- Termômetro é um DAC codificado que contém um resistor igual ou segmento de fonte de corrente para cada valor possível da saída do DAC. Um termômetro DAC de 8 bits terá 255 elementos e um termômetro DAC de 16 bits terá 65.535 partes. Esta é talvez a arquitetura de DAC mais rápida e precisa, mas à custa de alto custo. Com este tipo de DAC, foram alcançadas taxas de conversão de mais de um bilhão de amostras por segundo.
- DACs híbridos que usam uma combinação dos métodos acima em um único conversor. A maioria dos CIs DAC são desse tipo devido à dificuldade de obter baixo custo, alta velocidade e precisão em um único dispositivo.
- DAC segmentado que combina o princípio de codificação de termômetro para dígitos mais altos e ponderação binária para componentes mais baixos. Desta forma, é alcançado um compromisso entre a precisão (usando o princípio de codificação do termômetro) e o número de resistores ou fontes de corrente (usando ponderação binária). Dispositivo profundo com duploação significa que a segmentação é 0% e o design com codificação termométrica completa tem 100%.
A maioria dos DACS nesta lista depende de uma referência de tensão constante para criar seu valor de saída. Alternativamente, o DAC multiplicador aceita a tensão de entrada CA para convertê-los. Isso impõe restrições de projeto adicionais na largura de banda do esquema de reorganização. Agora está claro por que são necessários conversores digital-analógico de vários tipos.
Desempenho
DACs são muito importantes para o desempenho do sistema. A característica mais significativa desses dispositivos é a resolução criada para o uso de um conversor digital-analógico.
O número de níveis de saída possíveis que um DAC é projetado para reproduzir é geralmente declarado como o número de bits que ele usa, que é o logaritmo de base dois do número de níveis. Por exemplo, um DAC de 1 bit é projetado para tocar dois circuitos, enquanto um DAC de 8 bits é projetado para tocar 256 circuitos. O preenchimento está relacionado ao número efetivo de bits, que é uma medida da resolução real alcançada pelo DAC. A resolução determina a profundidade de cor em aplicativos de vídeo e a taxa de bits de áudio em dispositivos de áudio.
Frequência máxima
Medir a velocidade mais rápida em que um circuito DAC pode operar e ainda produzir a saída correta determina a relação entre ele e a largura de banda do sinal amostrado. Como dito acima, o teoremaAs amostras de Nyquist-Shannon relacionam sinais contínuos e discretos e afirmam que qualquer sinal pode ser reconstruído com qualquer precisão a partir de seus registros discretos.
Monotonicidade
Este conceito refere-se à capacidade da saída analógica do DAC de se mover apenas na direção em que a entrada digital se move. Essa característica é muito importante para DACs usados como fonte de sinal de baixa frequência.
Distorção harmônica total e ruído (THD + N)
Medição de distorção e sons estranhos introduzidos pelo DAC no sinal, expressa como uma porcentagem da quantidade total de distorção harmônica indesejada e ruído que acompanha o sinal desejado. Este é um recurso muito importante para aplicativos DAC dinâmicos e de baixa saída.
Intervalo
Uma medida da diferença entre o maior e o menor sinal que um DAC pode reproduzir, expressa em decibéis, geralmente está relacionada à resolução e ao nível de ruído.
Outras medições como distorção de fase e jitter também podem ser muito importantes para algumas aplicações. Existem aqueles (por exemplo, transmissão de dados sem fio, vídeo composto) que podem até contar com a recepção precisa de sinais ajustados por fase.
Amostragem de áudio PCM linear normalmente funciona em uma resolução de cada bit equivalente a seis decibéis de amplitude (duplicando o volume ou a precisão).
Codificações PCM não lineares (A-law / Μ-law, ADPCM, NICAM) tentam melhorar suas faixas dinâmicas efetivas de várias maneiras -tamanhos de passos logarítmicos entre os níveis de áudio de saída representados por cada bit de dados.
Classificação dos conversores digital-analógico
A classificação por não linearidade os divide em:
- Não linearidade distinta, que mostra como dois valores de código vizinhos se desviam do passo 1 LSB perfeito.
- A não linearidade cumulativa indica o quanto a transmissão do DAC se desvia do ideal.
Então o traço ideal é normalmente uma linha reta. INL mostra o quanto a tensão real em um determinado valor de código difere desta linha nos bits menos significativos.
Boost
Em última análise, o ruído é limitado pelo zumbido térmico gerado por componentes passivos, como resistores. Para aplicações de áudio e à temperatura ambiente, isso normalmente é pouco menos de 1 µV (microvolt) de sinal branco. Isso limita o desempenho a menos de 20 bits, mesmo em DACs de 24 bits.
Desempenho no domínio da frequência
Spurious-free dynamic range (SFDR) indica em dB a razão das potências do sinal principal convertido para o maior overshoot indesejado.
Noise Distortion Ratio (SNDR) indica em dB a propriedade de potência do som principal convertido em sua soma.
Distorção harmônica total (THD) é a soma das potências de todos os HDi.
Se o erro DNL máximo for menor que 1 LSB, então o conversor digital-analógico é garantidoserá uniforme. No entanto, muitos instrumentos monotônicos podem ter um DNL máximo maior que 1 LSB.
Desempenho no domínio do tempo:
- Zona de impulso de falha (energia de falha).
- Incerteza da resposta.
- Tempo de não linearidade (TNL).
Operações básicas do DAC
Um conversor analógico-digital pega um número exato (na maioria das vezes um número binário de ponto fixo) e o converte em uma quantidade física (como tensão ou pressão). Os DACs são frequentemente usados para reorganizar dados de séries temporais de precisão finita em um sinal físico em constante mudança.
O conversor D/A ideal recebe números abstratos de um trem de pulsos, que são processados usando uma forma de interpolação para preencher os dados entre os sinais. Um conversor digital-analógico convencional coloca os números em uma função constante por partes que consiste em uma sequência de valores retangulares, que é modelada com retenção de ordem zero.
O conversor restaura os sinais originais para que sua largura de banda atenda a determinados requisitos. A amostragem digital é acompanhada por erros de quantização que criam ruído de baixo nível. É ele quem é adicionado ao sinal restaurado. A amplitude mínima de um som analógico que pode fazer com que um som digital mude é chamada de bit menos significativo (LSB). E o erro (arredondamento) que ocorre entre os sinais analógicos e digitais,é chamado de erro de quantização.
