Флагманские модели ЦАП

ВСТУП

Мета: ознайомитися з основними характеристиками цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), загальними типами цифро-аналогового перетворювача, визначити головні відмінності флагманських моделей цифро-аналогового перетворювача.

Робота була виконана для ознайомлення з областю застосування ЦАП, основними характеристиками цифро-аналогового перетворювача, загальними типами цифро-аналогового перетворювача, визначення головних відмінностей флагманських моделей цифро-аналогового перетворювача. Потреба у даній роботі обумовлена великим асортиментом та великою кількістю різновидів ЦАП, недостатня обізнаність людей з ЦАП.

У даній роботі вирішується проблема вибору ЦАП, недостатньої обізнаності людей з ЦАП.

1. Область застосування ЦАП.

ЦАП використовуються для сполучення цифрових пристроїв та систем із зовнішніми аналоговими сигналами, з реальним світом. На рисунку 1.1 зображено увімкнення цифрового апарата.

[pic 1]

Рисунок 1.1 – Увімкнення цифрового апарата

        ЦАП застосовуються у вимірювальній техніці (цифрові осцилографи, вольтметри, генератори сигналів та в іншій техніці), у побутовій техніці (телевізори, музикальні центри, автомобільна електроніка та інше), в комп’ютерній техніці (вхід та вихід звуку в комп’ютерах, принтери та інше), у медичній сфері, в телефонії та в багатьох інших сферах. В якості ЦАП зазвичай використовуються спеціалізовані мікросхеми, які випускаються багатьма вітчизняними та закордонними фірмами [1].

2. Загальні типи ЦАП.

Нижче на рисунку 2.1 наведено класифікацію ЦАП [2].

[pic 2]

Рисунок 2.1 − Класифікація ЦАП

Найбільш загальні типи електронних ЦАП:

• широтно-імпульсний модулятор − найпростіший тип ЦАП. Джерело стабільного струму або напруги періодично вмикається на час, пропорційний перетворюючого цифрового, далі отримана імпульсна послідовність фільтрується аналоговим фільтром низьких частот. Такий спосіб часто використовується для керування швидкістю електромоторів, а також становиться популярним в Hi-Fi (клас апаратури) аудіотехніці;
• ЦАП передискретизації, такі як дельта-сигма ЦАП, основані на змінній щільності імпульсів. Передискретизація дозволяє використовувати ЦАП з меншою розрядністю для досягнення більшої розрядності кінцевого перетворення; часто дельта-сигма ЦАП будується на основі найпростішого однобітного ЦАП, який є практично лінійним. На ЦАП малої розрядності надходить імпульсний сигнал з модулюваною щільністю імпульсів (з постійною тривалістю імпульсів, але зі змінною шпаруватістю), створюваний з використанням негативного зворотнього зв’язку. Негативний зворотній зв’язок виконує роль фільтра високих частот для шуму квантування. Більшість ЦАП великої розрядності (більше 16 біт) побудовані на цьому принципі через його високу лінійність та низьку вартість. Швидкодія дельта-сигма ЦАП досягає сотні тисяч відліків в секунду, розрядність − до 24 біт. Для генерації сигналу з модульованою щільністю імпульсів може бути використана звичайною дельта-сигма модулятором першого порядку або більш високого порядку такого як MASG (англ. Multi stage noise SHaping). Зі збільшенням частоти передискретизації зменшуються вимоги, пред’явлені до вихідного фільтру низьких частот і поліпшується зниження шуму квантування;
• зважуючий ЦАП, в якому кожному біту перетворюючого двійкового коду відповідає резистор або джерело струму, під’єднаний до загальної точки підсумовування. Сила джерела струму (провідність резистора) пропорційна вазі біта, якому він відповідає. Таким чином, усі ненульові біти коду підсумовуються з вагою. Зважуючий метод один з найшвидших, але йому властива низька точність через необхідність наявності набору множини різних презіційних джерел або резисторів. Тому зважуючі ЦАП мають розрядність не більше восьми біт;
• ланцюгова R-2R схема є варіацією зважуючого ЦАП. В R-2R ЦАП зважуючі значення створюються у спеціальній схемі, яка складається із резисторів з опором R та 2R. Це дозволяє істотно покращити точність у порівнянні з простими зважуючими ЦАП. Недоліком методу є більш низька швидкість.
• сегментний ЦАП містить по одному джерелу струму або резистору на кожне можливе значення вихідного сигналу. Теоретично, сегментні ЦАП мають найшвидшу взаємодію, оскільки для перетворювання достатньо замкнути один ключ, співпадаючий з вхідним кодом;
• гібридні ЦАП використовують комбінацію перерахованих вище способів. Більшість мікросхем ЦАП відноситься до цього типу;

Вибір конкретного набору способів є компромісом між швидкодією, точністю та вартістю ЦАП.

3. Основні характеристики ЦАП.

• Розрядність − кількість різних рівнів вихідного сигналу, які ЦАП може відтворити. Зазвичай вказується в бітах; кількість біт це логарифм по основі 2 від кількості рівнів. Наприклад, однобітний ЦАП може відтворити два (21) рівні, а восьмибітний − 256 (28) рівнів. Розрядність тісно пов’язана з ефективною розрядністю (англ. ENOB, Effective Number of Bits), яка відображає реальну роздільну здатність, що досягається на даному ЦАП.
• Максимальна частота дискретизації − максимальна частота, на якій ЦАП може працювати. Згідно з теоремою Котельникова, для коректного відтворення аналогового сигналу з цифрової форми необхідно, щоб частота дискретизації була не менше ніж подвоєна максимальна частота в спектрі сигналу. Стандарт Audio CD встановлює частоту дискретизації звукового сигналу 44,1 кГц; для відтворення даного сигналу знадобиться ЦАП, здатний працювати на цій частоті. В дешевих комп’ютерних звукових картах частота дискретизації складає 48 кГц. Сигнали, дискретизовані на інших частотах, піддаються передискретизації до 48 кГц, що частково погіршує якість сигналу.
• Монотонність − властивість ЦАП збільшувати аналоговий вихідний сигнал при збільшенні вхідного коду.
• THD+N (підсумовуючі гармонічні спотворення + шум) − міра спотворень та шуму внесених у сигнал ЦАП. Потужність гармоніки та шуму вихідного сигналу вимірюються у відсотках. Важливий параметр при малосигнальних застосуваннях ЦАП.
• Динамічний діапазон − співвідношення найбільшого та найменшого сигналів, які може відтворити ЦАП, вимірюється в децибелах. Даний параметр зв’язаний з розрядністю та шумовим порогом [3]. Людське вухо сприймає звук у надзвичайно широкому діапазоні звукового тиску. Цей діапазон визначається межею від абсолютного порога чутності до больового порога 140 дБ SPL відносно нульового рівня, за який прийнято тиск 0,00002 Па (рисунок 3.1) [11]. Також на рисунку 3.1 зображено зона риску втрати слуху, яка позначає область звукового тиску. Тривала дія звукового тиску може призвести до втрати слуху.

[pic 3]

Рисунок 3.1 − Області чутності слуху

• Статичні характеристики:

• DNL (диференційна нелінійність) показує, наскільки приріст аналогового сигналу, отриманого при збільшенні коду на 1 молодший значущий розряд (МЗР), відрізняється від правильного значення;
• INL (інтегральна нелінійність) показує, наскільки передавальна характеристика ЦАП відрізняється від ідеальної. Ідеальна характеристика строго лінійна; INL показує, наскільки напруга на виході ЦАП при заданому коді відхиляється від лінійної характеристики;
• підсилення;
• зміщення [3].

• Частотні характеристики:

• SNDR (Динамічний діапазон, вільний від паразитних складових) - безрозмірна величина, що дорівнює відношенню потужності корисного вузькосмугового сигналу (носійної) до потужності найбільш потужної паразитної частотної складової (гармоніки). Зазвичай виражається в децибелах.
• HDi (коефіцієнт i-й гармоніки) характеризує відношення i-й гармоніки до основної гармоніки;
• THD (коефіцієнт гармонічних спотворень) − відношення сумарної потужності усіх гармонік (окрім першої) до потужності першої гармоніки [4].

4. Формати музики.

Щоб розкрити потенціал ЦАП необхідно мати музику записану у високій якості. Не варто очікувати дива, якщо ви відсилаєте на перетворювач музику у форматі MP3, 128 Кбіт/с. В дійсності, покращене декодування такого зжатого аудіо сигналу може зробити будь-які звукові недоліки більш помітними.