Conversor digital para analógico - Digital-to-analog converter

Conversor digital para analógico Cirrus Logic CS4382 de 8 canais usado em uma placa de som .

Na eletrônica , um conversor digital para analógico ( DAC , D / A , D2A ou D-para-A ) é um sistema que converte um sinal digital em um sinal analógico . Um conversor analógico-digital (ADC) executa a função reversa.

Existem várias arquiteturas DAC ; a adequação de um DAC para uma aplicação particular é determinada por figuras de mérito, incluindo: resolução , frequência máxima de amostragem e outros. A conversão digital para analógico pode degradar um sinal, portanto, um DAC deve ser especificado com erros insignificantes em termos de aplicação.

Os DACs são comumente usados ​​em reprodutores de música para converter fluxos de dados digitais em sinais de áudio analógico . Eles também são usados ​​em televisores e telefones celulares para converter dados de vídeo digital em sinais de vídeo analógicos . Esses dois aplicativos usam DACs em extremidades opostas da troca de frequência / resolução. O DAC de áudio é um tipo de baixa frequência e alta resolução, enquanto o DAC de vídeo é um tipo de baixa a média resolução de alta frequência.

Devido à complexidade e à necessidade de componentes precisamente combinados , todos, exceto os DACs mais especializados, são implementados como circuitos integrados (ICs). Normalmente, eles assumem a forma de chips de circuito integrado de sinal misto semicondutor de óxido de metal (MOS) que integram circuitos analógicos e digitais .

Os DACs discretos (circuitos construídos a partir de vários componentes eletrônicos discretos em vez de um IC empacotado) normalmente seriam do tipo com consumo de energia de baixa resolução e velocidade extremamente alta, como usados ​​em sistemas de radar militares . Equipamentos de teste de altíssima velocidade, especialmente osciloscópios de amostragem , também podem usar DACs discretos.

Visão geral

Sinal amostrado.

Um DAC converte um número abstrato de precisão finita (geralmente um número binário de ponto fixo ) em uma quantidade física (por exemplo, uma tensão ou uma pressão ). Em particular, os DACs são frequentemente usados ​​para converter dados de série temporal de precisão finita em um sinal físico que varia continuamente .

De acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon , um DAC pode reconstruir o sinal original a partir dos dados amostrados, desde que sua largura de banda atenda a certos requisitos (por exemplo, um sinal de banda base com largura de banda menor que a frequência de Nyquist ). A amostragem digital introduz erro de quantização ( erro de arredondamento) que se manifesta como ruído de baixo nível no sinal reconstruído.

Formulários

Um diagrama funcional simplificado de um DAC de 8 bits

DACs e ADCs são parte de uma tecnologia capacitadora que contribuiu muito para a revolução digital . Para ilustrar, considere uma típica chamada telefônica de longa distância. A voz do chamador é convertida em um sinal elétrico analógico por um microfone e , em seguida, o sinal analógico é convertido em um fluxo digital por um ADC. O fluxo digital é então dividido em pacotes de rede onde pode ser enviado junto com outros dados digitais , não necessariamente áudio. Os pacotes são então recebidos no destino, mas cada pacote pode seguir uma rota completamente diferente e pode nem mesmo chegar ao destino na ordem de tempo correta. Os dados de voz digital são então extraídos dos pacotes e montados em um fluxo de dados digital. Um DAC converte isso de volta em um sinal elétrico analógico, que aciona um amplificador de áudio , que por sua vez aciona um alto - falante , que finalmente produz o som.

Áudio

Leitor de CD de carregamento superior e conversor digital para analógico externo.

A maioria dos sinais de áudio modernos são armazenados em formato digital (por exemplo, MP3s e CDs ) e, para serem ouvidos pelos alto-falantes, devem ser convertidos em um sinal analógico. Os DACs são, portanto, encontrados em CD players , players de música digital e placas de som de PC .

DACs autônomos especializados também podem ser encontrados em sistemas de alta fidelidade de ponta. Eles normalmente pegam a saída digital de um CD player compatível ou transporte dedicado (que é basicamente um CD player sem DAC interno) e convertem o sinal em uma saída analógica de nível de linha que pode ser alimentada em um amplificador para acionar os alto-falantes.

Conversores digitais para analógicos semelhantes podem ser encontrados em alto-falantes digitais , como alto-falantes USB , e em placas de som .

Em aplicações de voz sobre IP , a fonte deve primeiro ser digitalizada para transmissão, então ela passa por conversão por meio de um ADC e é reconstruída em analógica usando um DAC na extremidade do receptor.

Vídeo

A amostragem de vídeo tende a funcionar em uma escala completamente diferente graças à resposta altamente não linear tanto dos tubos de raios catódicos (para os quais a grande maioria do trabalho de base de vídeo digital foi direcionada) e do olho humano, usando uma "curva gama" para fornecer uma aparência de etapas de brilho uniformemente distribuídas em toda a faixa dinâmica da tela - daí a necessidade de usar RAMDACs em aplicativos de vídeo de computador com resolução de cor profunda o suficiente para tornar impraticável a engenharia de um valor codificado no DAC para cada nível de saída de cada canal (por exemplo, um Atari ST ou o Sega Genesis exigiria 24 desses valores; uma placa de vídeo de 24 bits precisaria de 768 ...). Dada esta distorção inerente, não é incomum que uma televisão ou projetor de vídeo afirme com verdade uma relação de contraste linear (diferença entre os níveis de saída mais escuro e mais claro) de 1000: 1 ou superior, equivalente a 10 bits de precisão de áudio, embora possa apenas aceite sinais com precisão de 8 bits e use um painel LCD que represente apenas 6 ou 7 bits por canal.

Os sinais de vídeo de uma fonte digital, como um computador, devem ser convertidos para a forma analógica se forem exibidos em um monitor analógico. A partir de 2007, as entradas analógicas eram mais comumente usadas do que as digitais, mas isso mudou à medida que as telas planas com conexões DVI e / ou HDMI se tornaram mais difundidas. Um DAC de vídeo é, no entanto, incorporado em qualquer reprodutor de vídeo digital com saídas analógicas. O DAC é normalmente integrado com alguma memória ( RAM ), que contém tabelas de conversão para correção de gama , contraste e brilho, para fazer um dispositivo chamado RAMDAC .

Um dispositivo que está distantemente relacionado ao DAC é o potenciômetro controlado digitalmente , usado para controlar um sinal analógico digitalmente.

Mecânico

A máquina de escrever IBM Selectric usa um conversor mecânico de digital para analógico para controlar sua bola de digitação.

Um atuador mecânico de um bit assume duas posições: uma quando ligado, outra quando desligado. O movimento de vários atuadores de um bit pode ser combinado e ponderado com um mecanismo whiffletree para produzir etapas mais finas. A máquina de escrever IBM Selectric usa esse sistema.

Comunicações

Os DACs são amplamente usados ​​em sistemas de comunicação modernos, permitindo a geração de sinais de transmissão definidos digitalmente. DACs de alta velocidade são usados ​​para comunicações móveis e DACs de ultra-alta velocidade são usados ​​em sistemas de comunicações ópticas .

Tipos

Os tipos mais comuns de DACs eletrônicos são:

  • O modulador de largura de pulso onde uma corrente ou tensão estável é comutada em um filtro analógico passa-baixa com uma duração determinada pelo código de entrada digital. Esta técnica é freqüentemente usada para controle de velocidade de motor elétrico e dimerização de lâmpadas LED .
  • Superamostragem de DACs ou DACs de interpolação, como aqueles que empregam modulação delta-sigma , usam uma técnica de conversão de densidade de pulso com superamostragem . Velocidades superiores a 100 mil amostras por segundo (por exemplo, 192 kHz) e resoluções de 24 bits são atingíveis com DACs delta-sigma.
  • O DAC de peso binário, que contém componentes elétricos individuais para cada bit do DAC conectado a um ponto de soma, normalmente um amplificador operacional . Cada entrada na soma tem valores de potências de dois com a maior parte da corrente ou tensão no bit mais significativo . Essas tensões ou correntes precisas somam o valor de saída correto. Este é um dos métodos de conversão mais rápidos, mas sofre de baixa precisão devido à alta precisão necessária para cada tensão ou corrente individual. Este tipo de conversor é geralmente limitado a uma resolução de 8 bits ou menos.
    • O resistor comutado DAC contém uma rede de resistores em paralelo. Resistores individuais são habilitados ou contornados na rede com base na entrada digital.
    • Fonte de corrente comutada DAC, a partir da qual diferentes fontes de corrente são selecionadas com base na entrada digital.
    • O capacitor DAC comutado contém uma rede de capacitores paralela. Capacitores individuais são conectados ou desconectados com interruptores com base na entrada.
    • O R-2R ladder DAC que é um DAC de peso binário que usa uma estrutura em cascata de repetição de valores de resistor R e 2R. Isso melhora a precisão devido à relativa facilidade de produção de resistores com valores correspondentes iguais.
  • A aproximação sucessiva ou DAC cíclico, que constrói sucessivamente a saída durante cada ciclo. Bits individuais da entrada digital são processados ​​a cada ciclo até que toda a entrada seja contabilizada.
  • O DAC codificado por termômetro , que contém um resistor igual ou segmento de fonte de corrente para cada valor possível de saída do DAC. Um termômetro DAC de 8 bits teria 255 segmentos e um termômetro DAC de 16 bits teria 65.535 segmentos. Esta é uma arquitetura DAC rápida e da mais alta precisão, mas às custas da necessidade de muitos componentes que, para implementações práticas, a fabricação requer processos de IC de alta densidade .
  • DACs híbridos, que usam uma combinação das técnicas acima em um único conversor. A maioria dos circuitos integrados DAC são desse tipo devido à dificuldade de obter baixo custo, alta velocidade e alta precisão em um dispositivo.
    • O DAC segmentado, que combina o princípio codificado por termômetro para os bits mais significativos e o princípio de ponderação binária para os bits menos significativos. Desta forma, um compromisso é obtido entre a precisão (pelo uso do princípio codificado por termômetro) e o número de resistores ou fontes de corrente (pelo uso do princípio de ponderação binária). O design de peso binário completo significa segmentação de 0%, o design codificado por termômetro completo significa segmentação de 100%.
  • A maioria dos DACs mostrados nesta lista dependem de uma tensão ou corrente de referência constante para criar seu valor de saída. Alternativamente, um DAC de multiplicação usa uma tensão ou corrente de entrada variável como referência de conversão. Isso impõe restrições de design adicionais à largura de banda do circuito de conversão.
  • Os DACs modernos de alta velocidade têm uma arquitetura intercalada, na qual vários núcleos DAC são usados ​​em paralelo. Seus sinais de saída são combinados no domínio analógico para aprimorar o desempenho do DAC combinado. A combinação dos sinais pode ser realizada no domínio do tempo ou no domínio da frequência.

Desempenho

As características mais importantes de um DAC são:

Resolução
O número de níveis de saída possíveis que o DAC foi projetado para reproduzir. Isso geralmente é indicado como o número de bits que usa, que é o logaritmo binário do número de níveis. Por exemplo, um DAC de 1 bit é projetado para reproduzir 2 (2 1 ) níveis, enquanto um DAC de 8 bits é projetado para 256 (2 8 ) níveis. A resolução está relacionada ao número efetivo de bits, que é uma medida da resolução real obtida pelo DAC. A resolução determina a profundidade da cor em aplicativos de vídeo e a profundidade de bits de áudio em aplicativos de áudio.
Máxima taxa de amostragem
A velocidade máxima na qual os circuitos DACs podem operar e ainda assim produzir a saída correta. O teorema de amostragem de Nyquist-Shannon define uma relação entre isso e a largura de banda do sinal amostrado.
Monotonicidade
A capacidade da saída analógica de um DAC de se mover apenas na direção em que a entrada digital se move (ou seja, se a entrada aumentar, a saída não cai antes de confirmar a saída correta.) Esta característica é muito importante para DACs usados ​​como um baixo - fonte de sinal de frequência ou como um elemento de ajuste digitalmente programável.
Distorção harmônica total e ruído (THD + N)
Uma medição da distorção e do ruído introduzido no sinal pelo DAC. É expresso como uma porcentagem da potência total de distorção harmônica indesejada e ruído que acompanha o sinal desejado.
Gama dinâmica
Uma medida da diferença entre os sinais maiores e menores que o DAC pode reproduzir expressa em decibéis . Isso geralmente está relacionado à resolução e ao nível de ruído .

Outras medições, como distorção de fase e jitter , também podem ser muito importantes para algumas aplicações, algumas das quais (por exemplo, transmissão de dados sem fio, vídeo composto) podem até mesmo contar com a produção precisa de sinais com ajuste de fase.

Codificações PCM não lineares (lei A / lei μ, ADPCM, NICAM) tentam melhorar suas faixas dinâmicas eficazes usando tamanhos de passo logarítmico entre as intensidades do sinal de saída representadas por cada bit de dados. Isso troca maior distorção de quantização de sinais altos para melhor desempenho de sinais silenciosos.

Figuras de mérito

  • Desempenho estático:
    • A não linearidade diferencial (DNL) mostra o quanto dois valores analógicos de código adjacentes se desviam do passo 1 LSB ideal.
    • A não linearidade integral (INL) mostra o quanto a característica de transferência DAC se desvia de uma ideal. Ou seja, a característica ideal geralmente é uma linha reta; INL mostra o quanto a tensão real em um determinado valor de código difere daquela linha, em LSBs (etapas de 1 LSB).
    • Erro de ganho
    • Erro de compensação
    • O ruído é basicamente limitado pelo ruído térmico gerado por componentes passivos, como resistores. Para aplicações de áudio e em temperatura ambiente, esse ruído é geralmente um pouco menos de 1 μV (microvolt) de ruído branco . Isso limita o desempenho a menos de 20 ~ 21 bits, mesmo em DACs de 24 bits.  
  • Desempenho do domínio de frequência
    • A faixa dinâmica livre de espúrios (SFDR) indica em dB a relação entre as potências do sinal principal convertido e o maior estímulo indesejado.
    • Sinal-ruído e distorção ( SINAD ) indica em dB a relação entre as potências do sinal principal convertido e a soma do ruído e das derivações harmônicas geradas
    • i-ésima distorção harmônica (HDi) indica a potência da i-ésima harmônica do sinal principal convertido
    • Distorção harmônica total (THD) é a soma das potências de todas as harmônicas do sinal de entrada
    • Se o DNL máximo for menor que 1 LSB, o conversor D / A tem garantia de ser monotônico. No entanto, muitos conversores monotônicos podem ter um DNL máximo maior que 1 LSB.
  • Desempenho no domínio do tempo:
    • Área de impulso de falha (energia de falha)

Veja também

  • I²S  - Interface serial para áudio digital

Referências

Leitura adicional

links externos