Prevodníky DAC

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

http://kiwiki.fmtnuni.sk/mediawiki/index.php/D/A_Prevodn%C3%ADk_R%5En

D/A Prevodník R-2R

http://kiwiki.fmtnuni.sk/mediawiki/index.php/D/A_Prevodn%C3%ADk_R-2R

Chyby prevodníkov

http://kiwiki.fmtnuni.sk/mediawiki/index.php/Chyby_prevodn%C3%ADkov

DAC prevodníky na palube PSoC

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

Zdroje	PSoC bloky			API pamäte (Bytes)		Piny
	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 druhý doplnok 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 sú 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

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

Zdroje	PSoC bloky			API pamäte (Bytes)		Piny
	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

---

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...)