Prevodníky DAC

Predmet	Prevodníky ADC Aproximačné prevodníky Delta-Sigma prevodníky Prevodníky DAC Analógové spracovanie signálov - zosilňovače Analógové spracovanie signálov - komparátor Spracovanie prerušenia od komparátora Analógové spracovanie signálov - filtre Návrh a realizácia filtrov
Konfigurovateľné mikroprocesorové systémy
Tématická časť:
Analógové spracovanie signálov

Digitálno-analógový prevodník je elektronické zariadenie na prevod digitálne signálu (binárny kód) na analógový signál(prúd, napätie alebo el. náboj). Jeho nasadenie je na výstupoch zo zdrojov digitálnej informácie do okolitého sveta, ktorý vnímame ako spojitý (analógový). Príkladom je zvuková karta, ktorá prijme digitálnu informáciu z procesora (napríklad dekódovanú MPEG pesničku) a pomocou digitálno-analógového prevodníku ju prenesie cez zosilňovač a ekvalizér do reproduktoru. Výsledok vnímame ako spojitý signál (zvuk, melódiu)

8-kanálový DAC prevodník Cirrus Logic CS4382, použitý na zvukovú kartu

Princípy prevodu

DA prevodník môžeme chápať ako dekódovací obvod, ktorý prevádza digitálne slovo do veľkosti výstupného prúdu alebo napätia, prípadne náboja

Prúdový princíp

• na obrázku je znázornený 8 bitový DAC. Spínače a S0 až S8 symbolicky reprezentujú pripájanie jednotlivých vetiev(prúdov) podľa riadiaceho slova. Pre názornosť je možné si predstaviť, že vysoká úroveň reprezentuje zopnutý vypínač a nízka rozopnutý. Veľkosť napätia na výstupe(Vout) potom môžme vyjadriť vzťahom:

I_outR_out = − V_ref(b ₀ 2 ^{− 1} + b₁2 ^{− 2} + ... + b_n2 ^{− (n + 1)} ...kde R_out je spetnoväzbový rezistor, I_out je výstupný prúd, bi sú jednotlivé bity;

Prúdový princíp

• po podrobnejšej analýze obvodu je možné vytknúť dva nedostatky:
  • veľké parazitné kapacity spôsobené pripájaním jednotlivých vetiev
  • exponenciálny nárast hodnôt rezistorov
• na ďalšom obrázku je schéma zapojenia, kde sú tieto problémy vyriešené
• nevýhodou tohto zapojenia je zdvojnásobenie počtu rezistorov, čo však nieje taký veľký problém ako umiestnenie veľmi rozmanitých hodnôt do jedného integrovaného obvodu
• rezistory sa tu vyskytujú už len so základnou a dvojnásobnou hodnotou
• binárne delenie prúdu je zabezpečené na každej vetve postupne na zložky v pomere 1/2

Prúdový prevodní obr.2

Napäťový princíp

DAC pracujúce na napäťovom princípe používajú na vytvorenie napätia na výstupe kombináciu dielov referenčného napätia. Princíp je možné pochopiť z nasledujúceho obrázka, kde je zobrazený 3 bitový DAC.

Napäťový princíp

• podmienkou správnej funkcie tohto obvodu je zanedbateľná veľkosť prúdu tečúceho do sledovača
• každý bit digitálnej informácie zopína príslušný vypínač, vysoká úroveň na nultého bitu zopne vypínač A nízka naopak A s pruhom, tzn. slovo 110 zopne A,B,(C s pruhom) a na výstupe úroveň V_ref/4
• nevýhodou tohto zapojenia je veľký počet ovládacích prvkov(2^N+1), rezistorov(2^N) a logických prepojení(2^N)
• tieto vlastnosti ho obmedzujú len na použitie v rýchlych aplikáciách s malým rozlíšením

Nábojový princíp

DA prevodník pracujúci na tomto princípe vytvára napäťovú úroveň na výstupe pomocou predávania náboja sieťou kondenzátorov. Jeho činnosť je možne vysvetliť na nasledujúcom obrázku.

Nábojový princíp

• C_A pripojíme na zem a C_B budeme periodicky prepínať medzi referenčný napätím a zemou. Ak budú oba spínače na zemi, budú oba kondenzátory vybité(nulovacia fáza) a na výstupe(V_x) bude nulové napätie. Ak bude S₀ otvorený a S₁ na referenčnom napätí, bude paltit [math]V_x=\frac{V_{ref}C_B}{C_A+C_B}[/math] , čo je vzorkovacia fáza.
• usporiadaním kondenzátorov podobne ako pri využití prúdového princípu a binárnym vyvážením, ukazuje nasledujúci obrázok, môžeme odvodiť nasledovný vzťah pre výstupné napätie:

[math]\sum_{k=1}^n{\frac{C}{2^{k-1}}}[/math].......kde C je najvyššia kapacita v obvode zodpovedajúca nultému bitu;

Nábojový princíp obr. 2

• toto zapojenie má však rovnakú chybu ako ekvivalentný odporový variant, a to je exponenciálne rastúci rozdiel najvyššej a najnižšej kapacity
• tohto dôvodu je zapojenie ako integrovaný obvod realizovateľné maximálne do 8 bitov

Využitie

Audio

Väčšina moderných audio signálov sú uložené v digitálnej podobe (napr. MP3 a CD), a aby bolo počuť z reproduktorov zvuk, treba previesť digitálny signál do analógovej podoby. DAC prevodníky sa teda nachádzajú v CD-prehrávačoch, PC zvukovej karte,atď. Podobný DAC prevodník možno nájsť v digitálnych reproduktoroch, ako sú USB reproduktory a zvukové karty. VOIP(Voice over IP) Telefón, prenos dát cez internet sa vykonáva digitálne tak, že hlas musí byť prevedený na digitálny pomocou ADC prevedený do analógového signálu opäť pomocou DAC, takže hlas je možné počuť na druhom konci.

Top-Loading CD prehrávač a externý DAC prevodník.

Video

Video signál z digitálneho zdroja, ako sú počítače, musí byť prevedený do analógovej formy, ak majú byť zobrazené na analógový monitor. Od roku 2007, sú analógové vstupy viac používané ako digitálne, ale to sa môže zmeniť(ploché obrazovky s DVI alebo HDMI). Video DAC je však začlenený do akejkéhokoľvek digitálneho prehrávača s analógovým výstupom. DAC je zvyčajne integrovaný s niektorými pamätami(RAM), ktorá obsahuje prevodné tabuľky pre gamma korekcie, kontrast a jas, zariadenie sa nazýva RAMDAC.

DAC výkon

DAC sú veľmi dôležité pre výkon systému. Najdôležitejšie vlastnosti sú tieto:

Rozlíšenie: Jedná sa o počet možných úrovní výstupu, DAC je určený na reprodukciu. Toto je zvyčajne uvádzané ako počet bitov, ktoré používa. Napríklad 1 bit DAC je určený k reprodukcii 2 (2+1), úrovne, zatiaľ čo 8 bit DAC je určený pre 256 (28) úrovne. Rozlíšenie sa vzťahuje na efektívny počet, čo je skutočné rozlíšenie dosiahnutelné DAC.

Maximálna vzorkovacia frekvencia: Jedná sa o meranie maximálnej rýchlosti, pri ktorej obvod DAC môže pracovať a stále produkovať správny výstup. Zo signálu musia byť odobraté vzorky na viac ako dvojnásobok frekvencie požadovaného signálu. Napríklad, reprodukovať signály vo všetkých zvukových spektrách, ktoré zahŕňa frekvencie až 20 kHz, je nutné použiť DAC, ktoré fungujú na viac ako 40 kHz. CD štandard vzorky zvuku na 44,1 kHz, teda DAC tejto frekvencie sú často používané. Spoločné frekvencie v lacných počítačových zvukových kartách sú 48 kHz -.

THD+N: Jedná sa o meranie skreslenia a šumu. Je vyjadrený ako percento celkového výkonu nežiaduceho harmonického skreslania a šumu, ktoré prevádzajú požadovaný signál. Je to veľmi dôležitá vlastnosť pre dynamické DAC a malé DAC aplikácie. Dynamický rozsah: Jedná sa o meranie rozdielu medzi najväčšími a najmenšími signálmi DAC, možno reprodukovať vyjadrením v decibeloch Ostatné merania, ako je fáza skreslenia a čas odberu vzoriek, nestabilita, môže byť veľmi dôležité pre niektoré aplikácie.

D/A Prevodník R^n

D/A Prevodník R^n

D/A Prevodník R-2R

D/A Prevodník R-2R

Chyby prevodníkov

Chyby prevodníkov

DAC prevodníky na palube PSoC

6-Bit Voltage Output DAC (6-bitový napäťový DAC prevodník)

Resources	Bloky PSoC®			Pamäť API [B]		Počet pinov
	Digitálne	Analógové CT	Analógové SC	Flash	RAM
CY8C29/27/24/23/22xxx, CY8CLED04/08/16, CY8CLED03D/04D, CY8CNP102, CY8CTST120, CY8CTMG120, CY8CTMA120, CY8C28x45, CY8CPLC20, CY8CLED16P01, CY8C28x43, CY8C28x52
	0	0	1	61	0	1
CY8C26/25xxx	0	0	1	61	0	1

Funkcie a prehľad

• 6-bitové rozlíšenie
• Napäťový výstup
• druhý doplnok, binárny offset, znak / rozsah vstupných formátov dát
• vzorkovanie a riadenie pre analógové zbernice a externé výstupy
• Aktualizácia 250 KSPS

DAC6 Užívateľský Modul prevedie digitálne kódy na výstupné napätie. DAC6 prekladá digitálne kódy na výstupné napätie na update až do výškyž 250K vzoriek za sekundu. Application Programming Interface (API), podporuje offset-binárne, druhý doplnok dátových formátov pre maximálnu flexibilitu. Offset kompenzuje chyby.

DAC6 Bloková schéma

Popis funkcie

DAC6 Užívateľský Modul prevádza digitálne kódy na analógové výstupné napätie. Digitálne kódy sú reprezentované ako čísla 2's complement form alebo sign-and-magnitude form v rozmedzí -31 až +31. Alternatívne môžu byť vstupné kódy zastúpené v offset-binárnej podobe ako číslo v rozsahu 0-62. V sign-and-magnitude form, 'vstupný kód "-0 je preložený do" +0' užívateľom modulu API. Sú možné viaceré rozsahy výstupného napätia, v závislosti na hodnote zvolenej pre systém na úrovni parametrov, REFMux.

Interne sa táto operácia zakladá na sign-and-magnitude form. Päť určujúcich bitov nastavuje hodnotu ACap, usporiadanie binárne vážených kondenzátorov je v zjednodušenej schéme nižšie. ACAP preberá hodnoty od 0 do 31 jednotiek. Referenčné napätie, ktoré môže byť prevrátené na bit ASign, je zmenšený na výstupe pomerom ACAP na spätnú väzbu kondenzátora, FCap, s nominálnou kapacitou 32 jednotiek.

Zjednodušená Schéma DAC6

Umiestnenie DAC6 v schéme zapojenia v PSoC Designer

8-Bit Voltage Output DAC (8-bitový napäťový DAC prevodník)

Resources	Bloky PSoC®			Pamäť API [B]		Počet pinov
	Digitálne	Analógové CT	Analógové SC	Flash	RAM
CY8C29/27/24/22xxx, CY8C23x33, CY8CLED04/08/16, CY8CLED03D/04D, CY8CNP102, CY8CTST120, CY8CTMG120, CY8CTMA120, CY8C28x45, CY8C28x45, CY8CPLC20, CY8CLED16P01, CY8C28x43, CY8C28x52
	0	0	2	175	0	1
CY8C26/25xxx	0	0	2	175	0	1

Funkcie a prehľad

• 8-bitové rozlíšenie
• Napäťový výstup
• Druhý doplnok, binárny offset, znak / rozsah vstupných formátov dát
• Vzorkovanie a riadenie pre analógové zbernice a externé výstupy
• Aktualizácia 125 KSPS

DAC8 Užívateľský Modul prevedie digitálne kódy na výstupné napätie. DAC8 prekladá digitálnye kódy na výstupné napätie na update až do výšky 125 k vzoriek za sekundu. Application Programming Interface (API), podporuje offset-binárne, druhý doplnok register-image dátových formátov. Offset kompenzuje chyby.

DAC8 Bloková schéma

Popis funkcie

Digitálne kódy sú reprezentované ako čísla 2's complement form, v rozmedzí -127 až +127. Alternatívne môžu byť vstupné kódy zastúpené v offset-binary forme, ako číslo v rozsahu 0-254. Sú možné viaceré rozsahy výstupného napätia, v závislosti na hodnote zvolenej pre systém na úrovni parametrov, RefMux.

DAC8 užívateľský modul mapy zapnutý na akýchkoľvek dvoch priľahlých kondenzátoroch analógového PSOC bloku. Tieto bloky sú označené LSB a MSB. Blok LSB je pripojený na blok MSB prostredníctvom tohto bloku "BCap" kondenzátor, C₄. Interne je táto operácia zakladá na sign-and-magnitude format. Päť určujúcich bitov nastavuje hodnotu C₃, usporiadanie binárne vážených kondenzátorov je v zjednodušenej schéme nižšie. Tieto dva najmenej významné bity nastavujú hodnotu C₁. C₃ preberá hodnoty od nuly do 31 jednotiek a C₁ predpokladá hodnoty z množiny (0, 8, 16, 24) v jednotkách kapacity. Referenčné napätie, ktoré môžé byť prevrátený na bit ASign, je zmenšené v každej fáze pomerom veľkosti kondenzátorov, C₁ a C₃, aby spätná väzba kondenzátorov, C₂ a C₅, v tomto poradí. Každý z nich má nominálnu kapacitu 32 jednotiek. Výstup bloku LSB je ďalej zmenšený pomerom veľkosti kondenzátora, C₄, na kondenzátore C₅ na spätnú väzbu.

Zjednodušené Schéma DAC8

Umiestnenie DAC8 v schéme zapojenia v PSoC Designer

9-Bit Voltage Output DAC (9-bitový napäťový DAC prevodník)

Resources	Bloky PSoC®			Pamäť API [B]		Počet pinov
	Digitálne	Analógové CT	Analógové SC	Flash	RAM
CY8C29/27/24/22xxx, CY8C23x33, CY8CLED04/08/16, CY8CLED03D/04D, CY8CNP102, CY8CTST120, CY8CTMG120, CY8CTMA120, CY8C28x45, CY8CPLC20, CY8CLED16P01, CY8C28x43, CY8C28x52
	0	0	2	151	0	1
CY8C26/25xxx	0	0	2	151	0	1

Funkcie a prehľad

• 9-bitové rozlíšenie
• Napäťový výstup
• Druhý doplnok, binárny offset, znak / rozsah vstupných formátov dát
• Vzorkovanie a riadenie pre analógové zbernice a externé výstupy
• Aktualizácia 125 KSPS

DAC9 Užívateľský Modul prevedie digitálne kódy na výstupné napätie. Prekladá digitálne kódy na výstupné napätie pri update až do výšky 125 k vzoriek za sekundu. Application Programming Interface (API), podporuje offset binárne, druhý doplnok, a register-image (sign-and-magnitude), formáty dát pre maximálnu flexibilitu. Offset kompenzácia je zamestnaná, aby minimalizovala chyby konverzie.

DAC9 Bloková schéma

Popis funkcie

Digitálne kódy sú reprezentované ako čísla druhej doplnkovej formy, v rozmedzí -255 až +255. Alternatívne môžu byť vstupné kódy zastúpené v -binary forme, ako číslo v rozsahu 0-510. ú možné viaceré rozsahy výstupného napätia, v závislosti na hodnote zvolenej pre systém na úrovni parametrov, RefMux.

DAC9 Užívateľský Module mapy na akékoľvek dva analógové bloky PSoC. Tieto bloky sú označené LSB a MSB. Blok LSB je pripojený na blok MSB prostredníctvom tohto bloku "BCap" kondenzátor, C₄. Interne je táto operácia zakladá na sign-and-magnitude format. Päť určujúcich bitov nastavuje hodnotu C₃, usporiadanie binárne vážených kondenzátorov je v zjednodušenej schéme nižšie. Tieto dva najmenej významné bity nastavujú veľkosť hodnoty C₁. C₃ preberá hodnoty od nuly do 31 jednotiek a C₁ predpokladá hodnoty z množiny (0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28) v jednotkách kapacity. Referenčné napätie, ktoré môže byť prevrátené na bit ASign, je zmenšené v každej fáze pomerom veľkosti kondenzátorov, C₁ a C₃, aby spätná väzba kondenzátorov, C₂ a C₅, v tomto poradí. Každý z nich má nominálnu kapacitu 32 jednotiek. Výstup bloku LSB je ďalej zmenšený pomerom spoja kondenzátor, C₄, na kondenzátore C₅ na spätnú väzbu.

Zjednodušené Schéma DAC9

Umiestnenie DAC9 v schéme zapojenia v PSoC Designer

6-Bit Voltage Output Multiplying DAC (6-bitový DAC prevodník s výstupným napäťovým násobičom)

Resources	Bloky PSoC®			Pamäť API [B]		Počet pinov
	Digitálne	Analógové CT	Analógové SC	Flash	RAM
CY8C29/27/26/25/24/22xxx, CY8C23x33, CY8CLED04/08/16, CY8CLED03D/04D, CY8CNP102, CY8CTST120, CY8CTMG120, CY8CTMA120, CY8C28x45, CY8CPLC20, CY8CLED16P01, CY8C28x43, CY8C28x52
	0	0	1	112	0	1

Funkcie a prehľad

• 6-bitové rozlíšenie
• Napäťový výstup
• Štvor kvadrantové násobenie
• druhý doplnok, offset binárne, a podpísať / veľkosť vstupných formátov dát
• Vzorkovanie a riadenie pre analógové zbernice a externé výstupy
• Aktualizácia až 250 KSPS

MDAC6 Užívateľský Modul je 6-bitový,so štvor-kvadrantovým vynásobením DAC. MDAC6 prekladá digitálne kódoy, ktoré majú výstup napätia pri aktualizácii rýchlosťou až 250K vzoriek za sekundu. Application Programming Interface (API), podporuje offset-binárne, sign-and-magnitude, a druhý je doplnok dátových formátov. Offset kompenzácia minimalizuje chyby konverzie.

MDAC6 Bloková schéma

Popis funkcie

MDAC6 Užívateľský Modul násobí analógové vstupné napätie s digitálnymi kódmi. Digitálne kódy sú reprezentované ako čísla druhého doplnku alebo zsign-and-magnitude form, v rozmedzí -31 až +31. Alternatívne môžu byť vstupné kódy zastúpené v offset-binárnej forme, ako číslo v rozsahu 0-62. V zsign and magnitude form, 'vstupný kód "-0 je preložený do" +0' užívateľom modulu API. Vstupné a výstupné napätie je referenčné na AGND, ktorý je vybraný s hodnotou v systémovej úrovni parametra, RefMux. Vstupné napätie sa násobí buď 1 alebo 2, v závislosti na hodnote zvolenej pre funkciu SetOutputRange API.

Tento blok je označený MDAC. Interne je táto operácia zakladá na sign-and-magnitude format. Päť určujúcich bitov nastavuje hodnotu ACap, usporiadanie binárne vážených kondenzátorov je v zjednodušenej schéme nižšie. ACap preberá hodnoty od nuly do 31 jednotiek. Vstupného napätie, ktoré môže byť prevrátený na bit ASign, je zmenšene na výstupe pomerom ACap na spätnú väzbu kondenzátora, FCap. FCap predpokladá hodnoty 16 alebo 32 jednotiek (32 prírastok vstupného napätia o 1, 16 o 2).

Zjednodušená Schéma MDAC6

Umiestnenie DACM8 v schéme zapojenia v PSoC Designer

8-Bit Voltage Output Multiplying DAC (8-bitový DAC prevodník s výstupným napäťovým násobičom)

Resources	Bloky PSoC®			Pamäť API [B]		Počet pinov
	Digitálne	Analógové CT	Analógové SC	Flash	RAM
CY8C29/27/26/25/24/22xxx, CY8C23x33, CY8CLED04/08/16, CY8CLED03D/04D, CY8CNP102, CY8CTST120, CY8CTMG120, CY8CTMA120, CY8C28x43, CY8C28x52
	0	0	2	255	0	1

Funkcie a prehľad

• 8-bitové rozlíšení
• Napäťový výstup
• Štvor kvadrantové násobenie
• Druhý doplnok, offset binárne, a podpísať / veľkosť vstupných formátov dát
• Vzorkovanie a riadenie pre analógové zbernice a externé výstupy
• Aktualizácia až 125 KSPS

MDAC8 je 8-bitový, so štvor-kvadrantovým vynásobením DAC. MDAC8 prekladá digitálne kódy, ktoré majú výstupné napätie na update až do výšky 125 k vzoriek za sekundu. Application Programming Interface (API), podporuje offset-binárne, druhý doplnok, a sign-and-magnitude data formats. Offset kompenzácia minimalizuje chyby konverzie.

MDAC8 Bloková schéma

Popis funkcie

MDAC8 Užívateľský Modul násobí analógové vstupné napätie s digitálnymi kódmi. Digitálne kódy sú reprezentované ako čísla druhého doplnku alebo zsign-and-magnitude form, v rozmedzí -127 až 127. Alternatívne môžu byť vstupné kódy zastúpené v offset-binárnej forme, ako číslo v rozsahu 0-254. Vstupné a výstupné napätie je referenčné na AGND, ktorý je vybraný s hodnotou v systémovej úrovni parametra, RefMux. Vstupné napätie sa násobí buď 1 alebo 2, v závislosti na hodnote zvolenej pre funkciu SetOutputRange API.

Tieto bloky sú označené LSB a MSB. Blok LSB je pripojený na blok MSB prostredníctvom "BCap" kondenzátora, C₄. Interne je táto operácia zakladá na sign-and-magnitude format. Päť určujúcich bitov nastavuje hodnotu C₃, usporiadanie binárne vážených kondenzátorov je v zjednodušenej schéme nižšie. Tieto dva najmenej významné bity nastavujú veľkosť hodnoty C₁. C₃ preberá hodnoty od 0 do 31 jednotiek a C₁ predpokladá hodnoty z množiny (0, 8, 16, 24) v jednotkách kapacity. Vstupného napätia, ktoré môže byť prevrátené na bit ASign, je zmenšený v každej fáze pomerom veľkosti kondenzátorov, C₁ a C₃, na spätnú väzbu kondenzátorov, C₂ a C₅, v tomto poradí. Výstup bloku LSB je ďalej zmenšený pomerom C₄ spoja kondenzátora na kondenzátore C₅ na spätnú väzbu. SetOutputRange API funkcie zmení hodnoty oboch C₂ a C₅.

MZjednodušená Schéma MDAC8

Umiestnenie DACM8 v schéme zapojenia v PSoC Designer

---

Odkazy a literatúra

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-to-analog
2. http://sk.wikipedia.org/wiki/Digit%C3%A1lno-anal%C3%B3gov%C3%BD_prevodn%C3%ADk
3. http://hw.cz/teorie-praxe/art1962-audio-dac-prevodnik.html ->DAC audio prevodník (Technické údaje, popis zapojenia, schéma, stavba a oživenie, optický výstup...)
4. Datasheet programu PSoC Designer 5.0