En electrónica, el circuito DAC es un tipo de sistema. Es ella quien convierte la señal digital en analógica.
Hay varios circuitos DAC. La idoneidad para una aplicación en particular está determinada por métricas de calidad que incluyen resolución, frecuencia de muestreo máxima y otras.
La conversión de digital a analógico puede degradar el envío de la señal, por lo que es necesario encontrar un instrumento que tenga errores menores en términos de aplicación.
Aplicaciones
Los DAC se utilizan normalmente en reproductores de música para convertir flujos numéricos de información en señales de audio analógicas. También se utilizan en televisores y teléfonos móviles para convertir datos de video en señales de video, respectivamente, que se conectan a controladores de pantalla para mostrar imágenes monocromáticas o multicolores.
Son estas dos aplicaciones las que usan circuitos DAC en extremos opuestos del compromiso entre la densidad y el número de píxeles. El audio es un tipo de baja frecuencia con alta resolución y el video es una variante de alta frecuencia con una imagen de baja a media.
Debido a la complejidad y la necesidad de componentes cuidadosamente combinados, todos los DAC, excepto los más especializados, se implementan como circuitos integrados (IC). Los enlaces discretos suelen ser tipos extremadamente rápidos, de baja resolución y de ahorro de energía que se utilizan en los sistemas de radar militar. Los equipos de prueba de muy alta velocidad, especialmente los osciloscopios de muestreo, también pueden usar DAC discretos.
Resumen
La salida semiconstante de un DAC convencional sin filtrar está integrada en casi cualquier dispositivo, y la imagen inicial o el ancho de banda final del diseño suaviza la respuesta de tono en una curva continua.
Respondiendo a la pregunta: "¿Qué es un DAC?", vale la pena señalar que este componente convierte un número abstracto de precisión finita (generalmente un dígito binario de punto fijo) en un valor físico (por ejemplo, voltaje o presión). En particular, la conversión D/A se usa a menudo para convertir datos de series temporales en una señal física que cambia continuamente.
El DAC ideal convierte dígitos abstractos en un tren conceptual de pulsos, que luego son procesados por un filtro de reconstrucción, utilizando alguna forma de interpolación para completar los datos entre pulsos. Comúnun práctico convertidor de digital a analógico cambia los números en una función constante por partes compuesta por una secuencia de patrones rectangulares que se crean manteniendo el orden cero. Además, respondiendo a la pregunta "¿Qué es un DAC?" vale la pena señalar otros métodos (por ejemplo, basado en la modulación delta-sigma). Crean una salida modulada por densidad de pulso que se puede filtrar de manera similar para producir una señal que varía suavemente.
Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, el DAC puede reconstruir la vibración original a partir de los datos muestreados, siempre que su zona de penetración cumpla ciertos requisitos (por ejemplo, un pulso de banda base con una densidad de línea más baja). La muestra digital representa el error de cuantificación, que aparece como ruido de bajo nivel en la señal reconstruida.
Diagrama de funciones simplificado de una herramienta de 8 bits
Vale la pena señalar de inmediato que el modelo más popular es el convertidor de digital a analógico NANO-DAC de Real Cable. El DAC es parte de una tecnología avanzada que ha hecho una contribución significativa a la revolución digital. Para ilustrar, considere las típicas llamadas telefónicas de larga distancia.
La voz de la persona que llama se convierte en una señal eléctrica analógica usando un micrófono, y luego este pulso se convierte en una transmisión digital junto con el DAC. Después de eso, este último se divide en paquetes de red, donde se puede enviar junto con otros datos digitales. Y puede que no sea necesariamente audio.
Luego paquetesson aceptados en el destino, pero cada uno de ellos puede tomar una ruta completamente diferente y ni siquiera llegar al destino en el orden correcto y en el momento correcto. Luego, los datos de voz digital se extraen de los paquetes y se ensamblan en un flujo de datos común. El DAC vuelve a convertir esto en una señal eléctrica analógica que impulsa un amplificador de audio (como el convertidor de digital a analógico NANO-DAC de Real Cable). Y él, a su vez, activa el altavoz, que finalmente produce el sonido necesario.
Audio
La mayoría de las señales acústicas modernas se almacenan digitalmente (por ejemplo, MP3 y CD). Para que se escuchen a través de los parlantes, deben convertirse en un impulso similar. Así que puede encontrar un convertidor de digital a analógico para TV, reproductor de CD, sistemas de música digital y tarjetas de sonido para PC.
Los DAC independientes dedicados también se pueden encontrar en sistemas Hi-Fi de alta calidad. Por lo general, toman la salida digital de un reproductor de CD compatible o un vehículo dedicado y convierten la señal en una salida analógica de nivel de línea que luego se puede alimentar a un amplificador para controlar los altavoces.
Se pueden encontrar convertidores D/A similares en columnas digitales como altavoces USB y tarjetas de sonido.
En las aplicaciones de Voz sobre IP, primero se debe digitalizar la fuente para la transmisión, por lo que se convierte mediante un ADC y luego se convierte a analógica mediante un DAC enla parte receptora. Por ejemplo, este método se utiliza para algunos convertidores de digital a analógico (TV).
Imagen
El muestreo tiende a operar en una escala completamente diferente en general, debido a la respuesta altamente no lineal de los tubos de rayos catódicos (a los que se destina la gran mayoría de la producción de video digital) y el ojo humano, usando un curva gamma para proporcionar la apariencia de pasos de brillo distribuidos uniformemente en todo el rango dinámico de la pantalla. De ahí la necesidad de usar RAMDAC en aplicaciones de video de computadora con una resolución de color bastante profunda, por lo que no es práctico crear un valor codificado en el DAC para cada nivel de salida de cada canal (por ejemplo, un Atari ST o Sega Genesis necesita 24 de estos valores; una tarjeta de video de 24 bits necesitaría 768).
Dada esta distorsión inherente, no es raro que un televisor o proyector de video tenga una relación de contraste lineal (la diferencia entre los niveles de salida más oscuros y más brillantes) de 1,000:1 o más. Esto equivale a 10 bits de fidelidad de sonido, incluso si solo puede recibir señales con una fidelidad de 8 bits y usa un panel LCD que solo muestra seis o siete bits por canal. Las reseñas del DAC se publican sobre esta base.
Las señales de video de una fuente digital, como una computadora, deben convertirse a formato analógico si se van a mostrar en un monitor. similares desde 2007Las entradas se usaban con más frecuencia que las digitales, pero esto ha cambiado a medida que las pantallas planas con conexiones DVI o HDMI se han vuelto más comunes. Sin embargo, un DAC de video está integrado en cualquier reproductor de video digital con las mismas salidas. Un convertidor de audio digital a analógico generalmente se integra con algún tipo de memoria (RAM) que contiene tablas de reorganización para la corrección gamma, el contraste y el brillo para crear un accesorio llamado RAMDAC.
El dispositivo que está conectado de forma remota al DAC es un potenciómetro controlado digitalmente que se utiliza para captar la señal.
Diseño mecánico
Por ejemplo, la máquina de escribir IBM Selectric ya utiliza un DAC no manual para impulsar la bola.
El circuito convertidor de digital a analógico tiene este aspecto.
El accionamiento mecánico de un solo bit adopta dos posiciones: una cuando se enciende y la otra cuando se apaga. El dispositivo puede combinar y ponderar el movimiento de múltiples actuadores de un solo bit sin dudarlo para obtener pasos más precisos.
Es la máquina de escribir IBM Selectric la que utiliza dicho sistema.
Principales tipos de convertidores de digital a analógico
- Modulador de ancho de pulso donde una corriente o voltaje estable se cambia a un filtro analógico de paso bajo con una duración determinada por un código de entrada digital. Este método se usa a menudo para controlar la velocidad del motor y atenuar las luces LED.
- Conversor de audio digital a analógico conLos DAC de sobremuestreo o interpolación, como los que usan modulación delta-sigma, usan el método de variación de densidad de pulso. Se pueden lograr velocidades de más de 100 kmuestras por segundo (por ejemplo, 180 kHz) y una resolución de 28 bits con un dispositivo delta-sigma.
- Un elemento ponderado binario que contiene componentes eléctricos separados para cada bit DAC conectado al punto de suma. Es ella quien puede sumar el amplificador operacional. La intensidad de corriente de la fuente es proporcional al peso del bit al que corresponde. Por lo tanto, todos los bits distintos de cero del código se agregan al peso. Esto se debe a que tienen la misma fuente de voltaje a su disposición. Este es uno de los métodos de conversión más rápidos, pero no es perfecto. Ya que hay un problema: baja fidelidad debido a la gran cantidad de datos requeridos para cada voltaje o corriente individual. Estos componentes de alta precisión son caros, por lo que este tipo de modelo suele estar limitado a una resolución de 8 bits o incluso menos. La resistencia conmutada tiene el propósito de convertidores de digital a analógico en fuentes de red paralelas. Las instancias individuales se conectan a la electricidad en función de una entrada digital. El principio de funcionamiento de este tipo de conversores de digital a analógico radica en la fuente de corriente conmutada del DAC, de la que se seleccionan diferentes teclas en función de una entrada numérica. Incluye una línea de condensadores síncronos. Estos elementos individuales se conectan o desconectan mediante un mecanismo especial (pie) que se encuentra cerca de todos los enchufes.
- Convertidores de escalera de digital a analógicotype, que es un elemento ponderado binario. Este, a su vez, utiliza una estructura repetitiva de los valores de resistencia en cascada R y 2R. Esto mejora la precisión debido a la relativa facilidad de fabricación del mismo mecanismo nominal (o fuentes de corriente).
- Avance secuencial o DAC cíclico que construye la salida una por una durante cada paso. Todos los conectores procesan los bits individuales de una entrada digital hasta que se contabiliza todo el objeto.
- El termómetro es un DAC codificado que contiene una resistencia igual o un segmento de fuente de corriente para cada valor posible de la salida del DAC. Un DAC de termómetro de 8 bits tendrá 255 elementos, y un DAC de termómetro de 16 bits tendrá 65.535 partes. Esta es quizás la arquitectura DAC más rápida y precisa, pero a expensas de un alto costo. Con este tipo de DAC, se han logrado tasas de conversión de más de mil millones de muestras por segundo.
- DAC híbridos que utilizan una combinación de los métodos anteriores en un solo convertidor. La mayoría de los circuitos integrados DAC son de este tipo debido a la dificultad de obtener bajo costo, alta velocidad y precisión, todo en un solo dispositivo.
- DAC segmentado que combina el principio de codificación de termómetro para dígitos más altos y ponderación binaria para componentes más bajos. De esta forma, se llega a un compromiso entre la precisión (utilizando el principio de codificación del termómetro) y el número de resistencias o fuentes de corriente (utilizando la ponderación binaria). Dispositivo profundo con dobleacción significa que la segmentación es 0 % y el diseño con codificación termométrica completa tiene 100 %.
La mayoría de los DACS en esta lista se basan en una referencia de voltaje constante para crear su valor de salida. Alternativamente, el DAC multiplicador acepta voltaje de entrada de CA para convertirlos. Esto impone restricciones de diseño adicionales sobre el ancho de banda del esquema de reorganización. Ahora está claro por qué se necesitan convertidores de digital a analógico de varios tipos.
Rendimiento
Los DAC son muy importantes para el rendimiento del sistema. La característica más significativa de estos dispositivos es la resolución que se crea para el uso de un convertidor de digital a analógico.
La cantidad de niveles de salida posibles que un DAC está diseñado para reproducir generalmente se establece como la cantidad de bits que usa, que es el logaritmo de base dos de la cantidad de niveles. Por ejemplo, un DAC de 1 bit está diseñado para reproducir dos circuitos, mientras que un DAC de 8 bits está diseñado para reproducir 256 circuitos. El relleno está relacionado con el número efectivo de bits, que es una medida de la resolución real lograda por el DAC. La resolución determina la profundidad del color en las aplicaciones de video y la tasa de bits de audio en los dispositivos de audio.
Frecuencia máxima
La medición de la velocidad más rápida a la que puede operar un circuito DAC y aun así producir la salida correcta determina la relación entre esta y el ancho de banda de la señal muestreada. Como se dijo anteriormente, el teoremaLas muestras de Nyquist-Shannon relacionan señales continuas y discretas y afirman que cualquier señal puede reconstruirse con cierta precisión a partir de sus registros discretos.
Monotonicidad
Este concepto se refiere a la capacidad de la salida analógica del DAC para moverse solo en la dirección en que se mueve la entrada digital. Esta característica es muy importante para los DAC utilizados como fuente de señal de baja frecuencia.
Distorsión armónica total y ruido (THD + N)
Medición de la distorsión y los sonidos extraños introducidos por el DAC en la señal, expresados como porcentaje de la cantidad total de distorsión armónica no deseada y ruido que acompaña a la señal deseada. Esta es una característica muy importante para aplicaciones DAC dinámicas y de bajo rendimiento.
Rango
Una medida de la diferencia entre las señales más grandes y más pequeñas que un DAC puede reproducir, expresada en decibeles, generalmente está relacionada con la resolución y el nivel de ruido.
Otras medidas, como la distorsión de fase y la fluctuación de fase, también pueden ser muy importantes para algunas aplicaciones. Hay algunos (p. ej., transmisión inalámbrica de datos, video compuesto) que incluso pueden depender de la recepción precisa de señales ajustadas en fase.
El muestreo de audio PCM lineal generalmente funciona con una resolución de cada bit equivalente a seis decibelios de amplitud (el doble del volumen o la precisión).
Las codificaciones PCM no lineales (ley A/ley Μ, ADPCM, NICAM) intentan mejorar sus rangos dinámicos efectivos de varias maneras:tamaños de paso logarítmicos entre los niveles de audio de salida representados por cada bit de datos.
Clasificación de convertidores de digital a analógico
La clasificación por no linealidad los divide en:
- No linealidad distintiva, que muestra cómo dos valores de código vecinos se desvían del paso perfecto de 1 LSB.
- La no linealidad acumulativa indica cuánto se desvía la transmisión DAC del ideal.
Así que la característica ideal suele ser una línea recta. INL muestra cuánto difiere el voltaje real en un valor de código dado de esta línea en los bits menos significativos.
Impulsar
En última instancia, el ruido está limitado por el zumbido térmico generado por componentes pasivos como las resistencias. Para aplicaciones de audio ya temperatura ambiente, esto suele ser un poco menos de 1 µV (microvoltio) de señal blanca. Esto limita el rendimiento a menos de 20 bits incluso en DAC de 24 bits.
Rendimiento en el dominio de la frecuencia
El rango dinámico libre de espurias (SFDR) indica en dB la relación entre las potencias de la señal principal convertida y el sobreimpulso no deseado más grande.
La relación de distorsión de ruido (SNDR) indica en dB la propiedad de potencia del sonido principal convertido a su suma.
La distorsión armónica total (THD) es la suma de las potencias de todos los HDi.
Si el error DNL máximo es inferior a 1 LSB, el convertidor de digital a analógico está garantizadoserá uniforme. Sin embargo, muchos instrumentos monótonos pueden tener un DNL máximo superior a 1 LSB.
Rendimiento en el dominio del tiempo:
- Zona de impulso de falla (energía de falla).
- Incertidumbre de la respuesta.
- Tiempo de no linealidad (TNL).
Operaciones básicas de DAC
Un convertidor de analógico a digital toma un número exacto (generalmente un número binario de punto fijo) y lo convierte en una cantidad física (como voltaje o presión). Los DAC a menudo se utilizan para reorganizar datos de series temporales de precisión finita en una señal física que cambia continuamente.
El convertidor D/A ideal toma números abstractos de un tren de pulsos, que luego se procesan mediante una forma de interpolación para completar los datos entre las señales. Un convertidor convencional de digital a analógico coloca los números en una función constante por partes que consta de una secuencia de valores rectangulares, que se modela con retención de orden cero.
El convertidor restaura las señales originales para que su ancho de banda cumpla con ciertos requisitos. El muestreo digital va acompañado de errores de cuantificación que crean ruido de bajo nivel. Es él quien se suma a la señal restaurada. La amplitud mínima de un sonido analógico que puede hacer que cambie un sonido digital se denomina bit menos significativo (LSB). Y el error (redondeo) que se produce entre las señales analógicas y digitales,se llama error de cuantización.
