Всем Доброго времени суток. Сегодня по просьбе некоторых моих читателей и подписчиков речь пойдет о цифро-аналоговых преобразователях. Как всегда на простом и доступном для всех языке.
Итак начали.
Самым первым в истории цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) был цифро-аналоговый преобразователь со взвешиванием токов. Самым простейшим ЦАП-ом такого рода является одноразрядный преобразователь. В качестве такого ЦАП может служить простой усилитель-ограничитель, в качестве которого можно применить логический инвертор.
Одноразрядный ЦАП преобразует в аналоговую форму знак числа. Для преобразования цифрового двоичного кода в напряжение можно применить аналоговый сумматор. Токи задаются при помощи резисторов. Если резисторы будут отличаться друг от друга в два раза, то и токи тоже будут подчиняться двоичному закону. Если на выходе регистра будет присутствовать логическая единица, то она будет преобразована в ток, соответствующий двоичному разряду при помощи резистора. В этом случае аналоговый сумматор напряжений будет работать в качестве цифро-аналогового преобразователя.
Для цифро-аналогового преобразования на очень высокой частоте дискретизации, во много раз превышающей частоту Котельникова, такого преобразователя вполне достаточно, однако, в большинстве случаев для качественного цифро-аналогового преобразования требуется большее количество разрядов.
Такие преобразователи просты для понимания принципов работы, однако обладают рядом недостатков.
1 - Это требование к высокой точности изготовления резисторов. Если разброс тока старшего разряда окажется больше значения тока младшего разряда, то ЦАП не будет выполнять свою функцию.
2 - Связан с влиянием паразитных емкостей схемы. При больших разрядностях ЦАП со взвешиванием токов приходится применять высокоомные резисторы. Это приводит к большому времени заряда и разряда паразитной емкости микросхемы, что ограничивает ее быстродействие.
3 - Ну и, наконец, сами резисторы. Высокоомные резисторы занимают огромную площадь на кристалле микросхемы.
Все эти недостатки привели к поиску другого схемотехнического решения цифро-аналогового преобразователя. Таким решением стало применение матрицы R-2R
Цифроаналоговые преобразователи R-2R
В этой матрице применяется всего два номинала резисторов.
В матрице резисторов R-2R формируется ряд напряжений, отличающихся друг от друга ровно в два раза. Рассмотрим этот механизм. В конце резистивной цепочки находятся два резистора с сопротивлением 2R. Эти резисторы одним концом соединены друг с другом, другие концы присоединены к корпусу схемы, то есть резисторы соединены параллельно. В результате их общее сопротивление равно R. При соединении резистора R и параллельного соединения двух резисторов 2R образуется делитель напряжения с коэффициентом деления 2. В результате напряжение на его выходе будет в два раза меньше напряжения на его входе.
Общее сопротивление делителя составляет 2R, так как сопротивления R в нем соединены последовательно. В результате в следующем звене матрицы ситуация повторяется. Снова образуется параллельное соединение двух резисторов 2R и снова образуется делитель напряжения в два раза. Так как напряжения в узлах матрицы R-2R отличаются друг от друга ровно в два раза, то и ток через резисторы 2R будет отличаться ровно в два раза, то есть подчиняться двоичному закону. Если теперь эти токи подавать или не подавать на вход аналогового сумматора в зависимости от входного двоичного числа, то мы получим цифро-аналоговый преобразователь.
Знатоки знают наизусть и ценят такие марки чипов, как Burr-Brown PCM63 или Philips TDA1541. Однако R-2R матрицы оказались дороговатым и не слишком технологичным удовольствием. Требовалась точная лазерная подгонка всех номиналов сопротивлений. В противном случае при работе неточный замер битов приводил к нарушению линейности сигнала.
Преимущества ЦАП-а R-2R:
- Возможность увеличения разрядности
- Неплохая частота дискретизации
- Схемотехническая простота и повторяемость
Недостатки ЦАП-а R-2R:
- Качество ЦАПа сильно зависит от применяемых резисторов
- Сопротивление ключей порта микроконтроллера вносят искажения
- Громоздкость на плате
Поэтому на смену R-2R пришли ЦАП-ы с 1-битовым преобразованием, получившим название "дельта-сигма".
Если мультибитники выдавали напряжение сигнала напрямую, исходя из всех поступивших на матрицу 16-битовых данных, то в дельта-сигме напряжение колебалось в зависимости от того «ноль» пришел на приемник или «единичка». 1 — означала увеличение напряжения аналогового сигнала, а 0 — уменьшение.
Старые аудиофилы помнят музыкальность R-2R чипов, но и деваться некуда. Дельта-сигма оказались и практичнее в настройке, и дешевле в производстве. Да и качество SACD-формата доказало, что 1-битовое преобразование отлично умеет справляться с High-End задачами. Частота дискретизации SACD измеряется уже не кило-, а мегагерцами, поэтому в схеме можно обойтись совсем простыми аналоговыми фильтрами. В классических схемах на базе PCM (Pulse Code Modulation) до сих пор приходится фильтровать помехи квантования цифровым способом — их существует несколько и некоторые модели ЦАП-ов предоставляют возможность выбрать один из них.
Сами же дельта-сигмы прогрессировали в сторону гибридных схем, где поток обрабатывался каскадами, как по 1-битной, так и параллельной схеме. Но самое главное, величина цифрового слова выросла в них сначала до 24, а потом и до 32 бит. Кроме того, перспективным направлением являются ЦАПы на программируемых вентильных матрицах (FPGA), где и вовсе нет традиционных конвертеров.
Для чего такая расширенная разрядность? Для достоверности. В профессиональной индустрии сегодня используются 24-битная запись, обеспечивающая более точное описание оригинального сигнала. Как уже упоминалось, ряд музыкальных изданий уже доступен в формате высокого разрешения (Hi-Res). Можно, конечно, слушать урезанную версию на компакт-диске или МР3, но согласитесь, интереснее встать на одну ступеньку ближе к звукорежиссерам, которые трудились над Вашим любимым альбомом.
На этом пока все.
