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数模转换器

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电子产品中,数模转换器(DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号系统。一模数转换器(ADC)执行相反的功能

有几种数模转换器架构 ; 数模转换器是否适合特定应用取决于品质因数,包括:分辨率、xxx采样频率等。数模转换可能会使信号降级,因此应指定在应用方面误差不大的DAC。

数模转换器通常用于音乐播放器中,以将数字数据流转换为模拟音频信号。它们还用于电视和移动电话中,以将数字视频数据转换为模拟视频信号,然后将其连接到屏幕驱动器以显示单色或彩色图像。这两个应用在频率/分辨率折衷的相对两端使用DAC。音频DAC是低频高分辨率类型,而视频DAC是高频低分辨率至中等分辨率类型。

数模转换器

由于复杂性和需要精确匹配的组件的需要,除最专业的DAC以外的所有DAC均实现为集成电路(IC)。这些通常采用金属氧化物半导体(MOS)混合信号集成电路芯片的形式,该芯片集成了模拟和数字电路

分立的DAC(由多个分立的电子组件代替封装的IC构成的电路)通常是超高速,低分辨率,耗电的类型,如军事雷达系统中所用。高速测试设备,尤其是采样示波器,也可能使用分立数模转换器。

概述

数模转换器将抽象的有限精度数(通常是定点 二进制数)转换为物理量(例如,电压或压力)。特别是,DAC通常用于将有限精度时间序列数据转换为连续变化的物理信号。

一个理想的数模转换器的抽象的数字转换成的概念序列脉冲,然后由经处理的重构滤波器使用某种形式的内插以填充脉冲之间的数据。传统的实用 DAC将数字转换为由一系列以零阶保持建模的矩形函数组成的分段常数函数。其他DAC方法(例如基于delta-sigma调制的方法)会产生脉冲密度调制的输出,可以对其进行类似的滤波以产生平滑变化的信号。

根据Nyquist–Shannon采样定理,只要DAC的带宽满足某些要求(例如,带宽小于Nyquist频率的基带信号),DAC就可以从采样数据中重建原始信号。数字采样引入量化误差,该误差表现为重构信号中的低电平噪声。

应用

数模转换器和ADC是促成技术的一部分,促成了数字xxx。为了说明,考虑一个典型的长途电话。呼叫者的语音通过麦克风转换为模拟电信号,然后通过ADC转换为数字流。然后将数字流分为网络数据包,在其中可以将其与其他数字数据一起发送,不一定是音频。然后,在目的地接收分组,但是每个分组可能采用完全不同的路由,甚至可能没有以正确的时间顺序到达目的地。然后,从分组中提取数字语音数据,并将其组合为数字数据流。DAC将其转换回模拟电信号,从而驱动音频放大器,音频放大器又驱动扬声器,扬声器最终产生声音。

音频

大多数现代音频信号都以数字形式存储(例如MP3和CD),并且为了通过扬声器收听,必须将它们转换为模拟信号。因此,可以在CD播放器,数字音乐播放器和PC 声卡中找到DAC 。

在高端高保真音响系统中也可以找到专业的独立DAC 。这些通常采用兼容CD播放器或专用传输器(基本上是没有内部DAC的CD播放器)的数字输出,并将信号转换为模拟 线路电平输出,然后将其输入到放大器中以驱动扬声器。

在数字扬声器(例如USB扬声器)和声卡中可以找到类似的数模转换器。

在IP语音应用中,必须首先将源数字化以进行传输,因此必须通过ADC对其进行转换,然后在接收端使用DAC将其重构为模拟信号。

视频

由于阴极射线管(针对绝大多数数字视频基础工作目标)和人眼使用“伽玛曲线”提供了一个高非线性响应,因此视频采样趋于完全在完全不同的规模上进行工作。整个显示器整个动态范围内亮度分布均匀分布的外观-因此需要使用RAMDAC在具有足够深的色彩分辨率的计算机视频应用中,使对每个通道的每个输出电平进行硬编码的值设计到DAC中都是不切实际的。鉴于这种固有的失真,电视或视频投影仪如实声称线性对比度(最暗和最亮输出电平之间的差)为1000:1或更大,相当于10比特的音频精度并不罕见,即使它只能接受8位精度的信号,并使用每个通道仅代表6或7位的LCD面板。

如果要将数字源的视频信号显示在模拟监视器上,则必须将其转换为模拟形式。截至2007年,模拟输入比数字输入更常用,但是随着带有DVI和/或HDMI连接的平板显示器的普及,这种情况发生了变化。然而,在任何数字视频播放器的模拟输出包含于此。DAC通常与一些内存(RAM)集成在一起,其中包含用于伽马校正,对比度和亮度的转换表,以制造称为RAMDAC的设备。

与DAC密切相关的设备是数控电位器,用于数字控制模拟信号。

机械

一位机械致动器处于两个位置:一个处于打开状态,另一个处于关闭状态。可以将多个一位执行器的运动进行组合,并通过摆锤机构进行加权,以产生更精细的步幅。在IBM Selectric打字机使用这种系统。

通讯

DAC在现代通信系统中得到了广泛使用,能够生成数字定义的传输信号。高速DAC用于移动通信,而超高速DAC用于光通信系统。

类型

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电子DAC最常见的类型是:

  • 脉冲宽度调制器,其中一个稳定的电流或电压被切换到一个低通模拟滤波器具有由数字输入码确定的持续时间。此技术通常用于电动机速度控制和LED调光。
  • 过采样DAC或内插DAC(例如采用delta-sigma调制的 DAC)使用带有过采样的脉冲密度转换技术。使用delta-sigma DAC可获得每秒超过10万个样本的速度(例如192 kHz)和24位分辨率。
  • 二进制加权DAC,它包含与连接到求和点(通常是运算放大器)的DAC的每一位有关的单独的电气组件。求和中的每个输入均具有2的幂,并且最高位的电流或电压最高。这些精确的电压或电流总和为正确的输出值。这是最快的转换方法之一,但是由于每个单独的电压或电流都需要很高的精度,因此精度较差。这种类型的转换器通常限于8位以下分辨率。
    • 开关电阻器 DAC包含一个并联电阻器网络。网络中的各个电阻根据数字输入启用或旁路。
    • 开关电流源 DAC,根据数字输入从中选择不同的电流源。
    • 开关电容器 DAC包含一个并联电容器网络。各个电容器通过基于输入的开关连接或断开。
    • 的R-2R梯形 DAC,其是使用电阻器的和重复的级联结构值R 2R二进制加权DAC。由于生产等值匹配电阻器相对容易,因此提高了精度。
  • 逐次逼近或循环DAC,它在每个周期内依次构建输出。每个周期都会处理数字输入的各个位,直到考虑到整个输入为止。
  • 温度计编码 DAC,它包含DAC输出的每个可能值相等的电阻器或电流源段。一个8位温度计DAC将具有255段,而一个16位温度计DAC将具有65,535段。这是一种快速,最高精度的DAC架构,但以需要许多组件为代价,而对于实际实现而言,制造需要高密度IC工艺。
  • 混合DAC,在单个转换器中结合了上述技术。由于很难在一个设备中获得低成本,高速和高精度,因此大多数DAC集成电路都属于这种类型。
    • 分段DAC结合了温度计编码原理的最高有效位和二进制加权原理的最低有效位。这样,在精度(通过使用温度计编码原理)和电阻器或电流源的数量(通过使用二进制加权原理)之间取得了折衷。完整的二进制加权设计意味着0%的细分,完整的温度计编码设计意味着100%的细分。
  • 此列表中显示的大多数DAC依靠恒定的基准电压或电流来产生其输出值。或者,乘法DAC将可变的输入电压或电流作为转换参考。这对转换电路的带宽施加了额外的设计约束。
  • 现代高速DAC具有交错式架构,其中多个DAC内核并行使用。它们的输出信号在模拟域中合并,以增强合并的DAC的性能。信号的组合可以在时域或频域中执行。

功绩

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  • 静态性能:
    • 差分非线性(DNL)显示两个相邻代码模拟值偏离理想的1 LSB阶跃的程度。
    • 积分非线性(INL)显示DAC的传输特性偏离理想值的程度。也就是说,理想特性通常是一条直线。INL以LSB(1 LSB步进)显示给定代码值下的实际电压与该线有多少不同。
    • 增益误差
    • 偏移误差
    • 噪声最终受到无源元件(例如电阻器)产生的热噪声的限制。对于音频应用和在室温下,此类噪声通常略小于1μV(微伏)的白噪声。即使在24位DAC中,这也将性能限制在20〜21位以下。 
  • 频域性能
    • 无杂散动态范围(SFDR)以dB表示转换后的主信号的功率与xxx不良杂散之间的比率。
    • 信噪比和失真(SINAD)以dB表示转换后的主信号的功率与噪声和所产生的谐波杂散之和之间的比率。
    • 第i次谐波失真(HDi)表示转换后的主信号的第i次谐波的功率
    • 总谐波失真(THD)是输入信号的所有谐波的功率之和
    • 如果xxxDNL小于1 LSB,则保证D / A转换器是单调的。但是,许多单调转换器的xxxDNL可能大于1 LSB。
  • 时域性能:
    • 小故障脉冲区域(小故障能量)

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  1. 数模转换器
  2. 概述
  3. 应用
  4. 音频
  5. 视频
  6. 机械
  7. 通讯
  8. 类型
  9. 功绩

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