Digital til analog-omformar

I elektronikken er ein digital til analog-omformar (DAC eller DA-omformar) ei innretning som gjer digital kode om til eit analogt signal (straum, spenning eller elektrisk ladning). Digital til analog-omformarar er grensesnittet mellom den abstrakte digitale verda og den analoge verkelege verda.

Ein analog til digital-omformar (ADC) gjer den motsette operasjonen.

Grunnleggjande ideell funksjon

Ideelt punktprøvd signal.

Den fundamentale funksjonen til ein DAC er å gjere verdiar med endeleg presisjon (vanlegvis binære tal) om til ein fysisk kvantitet (straum, spenning eller ladning). Det vanlege er at den fysiske kvantiteten er ein lineær funksjon av inngangsverdien. Vanlegvis vert desse verdiane oppdatert ved faste intervall, og dei kan bli sett på som verdiar henta frå ein punktprøvingsprosess. Desse verdiane vert sende til DACen og lagra i til dømes eit register. Saman med datasignalet er det vanleg å sende eit klokkesignal som gjer at inngangsverdiane vert omforma ved faste intervall. Den analoge verdien på utgangen vert oppdatert straks klokkesignalet kjem.

Resultatet av denne funksjonen er at verdien på utgangen på DACen blir halde mellom kvar oppdatering av verdien og ein får ein stykkevis konstant utgang. Dette er det same som ein nulte ordens hald operasjon og har ein særeigen effekt på frekvensresponsen til det rekonstruerte signalet.

Stykkevis konstant signal. Typisk frå utgangen av ein DAC.

Det faktum at DACar i praksis ikkje lagar ein sekvens av dirac impulsar (som, ved ideell låg-pass filtrering, resulterer i det originale signalet før punktprøving), men i staden lagar ein sekvens med stykkevis konstante verdiar eller rektangulære verdiar, gjer at det er ein implesitt effekt som stammar frå nulte ordens hald operasjonen på frekvensresponsen til utgangen. Effekten er at det er ein lett avrunding av forsterkinga ved høgare frekvensar (eit 3.9224 dB tap ved Nyquistfrekvensen). Denne nulte ordens hald-effekten er ein konsekvens av hald funksjonaliteten til DACen og ikkje på grunn av punktprøvinga som kan vere i forkant med ein vanleg analog-til-digital omformar slik som det ofte er misforstått.

Applikasjonar

Audio

Topplasta CD-spelar med ekstern digital-til-analog omformar.

Dei fleste moderne lydsignal er lagra på eit digitalt format (til dømes MP3 eller CD). For at signala skal kunne høyrast i ein høgtalar må dei gjerast om til eit fysisk analogt signal. DA-omformarar finn ein difor i CD-spelarar, digitale musikkavspelarar, og lydkort i datamaskiner.

Spesialiserte sjølvstendige DA-omformarar kan også finnast i høgytelses hi-fi system. Desse tar vanlegvis imot den digitale utgangen frå ein CD-spelar og gjer om signalet til eit analogt lydsignal som blir sendt til førforsterkartrinnet. Nokre av desse kan også koplast med datamaskiner ved hjelp av eit USB-grensesnitt.

Video

Videosignal frå ei digital kjelde, slik som ei datamaskin, må gjerast om til analoge signal viss dei skal visast på ein analog skjerm. Slik ståa er i 2007 er analoge inngangar meir vanleg å bruke enn digitale, men dette kan fort endrast ettersom flatskjermar med DVI og/eller HDMI-tilkoplingar blir meir vanleg. Ein video DAC er uansett bygd inn i alle digitale videoavspelarar med analoge utgangar. DA-omformaren er vanlegvis integrert med noko minne (RAM), som inneheld omgjeringstabellar for gamma korreksjon, kontrast og lysstyrke. Dette lagar ei innretning som vert kalla RAMDAC.

Trådlaus kommunikasjon

For å sende digitale signal over eteren (i til dømes WLAN) ved hjelp av radiokommunikasjon, trengst det DA-omformarar for at signalet skal kunne sendast. Tradisjonelt har DA-omformaren vore i kombinasjon med ein modulator som modulerer det fysiske signalet i same operasjon som omforminga frå digital til analog. Då vil typisk radioen motta eit digitalt signal som så blir modulert til ulike analoge symbol. Ettersom teknologien for integrerte DA/AD-omformarar er blitt betre er det no mogeleg å flytte modulatoren over i det digitale domenet, og DA-omformaren gjer om eit ferdig modulert signal som radioen kan bruke. Dette fører til at radioen kan lagast mykje enklare.

DAC typar

Dei mest vanlege typane av elektroniske DA-omformarar er:

Den enklaste DA-omformaren er ein pulsbreidde-modulator. Ein stabil straum eller spenning blir skifta mellom to nivå og sendt gjennom eit analogt lågpass-filter. Lengda på pulsane er avhengig av den digitale koden. Denne teknikken blir ofte brukt for å kontrollere farten i elektriske motorar. Han har også vore populær innan høgytingslydsystem.
Oversampla DA-omformarar som Delta Sigma-DAC brukar ein omformingsteknikk som består i å forme pulstettleiken i eit signal. Oversamplingsteknikken gjer at ein internt kan bruke ein DA-omformar med lægre oppløysing. Ein enkel 1-bit DAC blir ofte vald fordi det oversampla resultatet er ibuande lineært. DA-omformaren er driven med eit signal som er modulert etter pulstettleik. Det blir laga ved hjelp av eit lågpassfilter, forteiknsfunksjon (1-bit DACen) og ei negativt tilbakekopla sløyfe i ein teknikk som vert kalla delta sigma-modulasjon. Dette fører til eit effektivt høgpassfilter som opererer på kvantiseringsstøyen, og dermed flyttar støyen ut av dei nedre delane av frekvensbandet som ein brukar og over i dei øvre delane som ein filtrerer vekk. Dette vert kalla støyforming. Kvantiseringsstøyen ved desse høge frekvensane vert fjerna eller kraftig dempa ved hjelp av eit analogt lågpassfilter på utgangen (av og til er ein enkelt RC-krins tilstrekkeleg). Dei fleste DA-omformarar med høg oppløysing (meir enn 16 bit) er av denne typen på grunn av høg linearitet og låg kost. Høgare oversamplingsrate kan anten slakke på krava til lågpassfilteret på utgangen eller føre til endå meir demping av kvantiseringsstøyen. Samplingsrater på over 100 tusen punktprøver per sekund (til dømes 192 kHz) og oppløysing på 24 bit er mogeleg med delta sigma-DAC. Ei kort samanlikning med pulsbreidde-modulator viser at ein enkel 1-bit DAC med ein enkel første ordens integrator må køyre på 3 THz for å oppnå 24 bit effektiv oppløysing, og krev eit høgare ordens lågpassfilter i støyformingsløkka. Ein enkel integrator er eit lågpassfilter med ein frekvensrespons som er invers proporsjonal med frekvensen. Å bruke ein slik integrator i støyformingsløkkja er eit første ordens delta sigma-modulator.
Ein binærvekta DA-omformar inneheld ein motstand eller ei straumkjelde for kvart bit i DA-omformaren. Desse er kopla saman i eit summeringspunkt via brytarar som slår dei inn eller ut. Dette er ein av dei snøggaste formene for DA-omforming, men slit med dårleg nøyaktigheit på grunn av den høge presisjonen som krevst for kvar motstand eller straumkjelde. Motstandar og straumkjelder med så høg presisjon er dyre, så denne type omformar er vanlegvis avgrensa til 8-bit oppløysing eller mindre.
Ein R-2R motstandsstige-DAC er ein binærvekta DAC som brukar ein gjentakande kaskadestruktur av motstandar med verdien R og 2R. Dette aukar presisjonen på grunn av det er relativt enkelt å lage sampassande motstandar (eller straumkjelder) viss dei er like store. Men omformarar med stor oppløysing er trege på grunn av den aukande RC-konstanten for kvart nye R-2R motstandsstigeledd.
Ein Termometerkoda DA-omformar inneheld like store motstandar eller straumkjelder for kvar moglege utgangsverdi for DA-omformaren. Ein 8-bit termometerkoda DAC vil ha 255 segment, medan ein 16-bit termometerkoda DAC vil ha 65.535 segment. Dette er truleg den raskaste og mest presise DAC-arkitekturen, men også den dyraste. Omformingstempo på over 1 millionar punktprøver per sekund (1 GSPS) er oppnådd med denne type omformar.
Ein Segmentert DA-omformar kombinerer prinsippet i termometeromformaren for dei mest signifikante bita, og det binærvekta prinsippet for dei minst signifikante bita. På denne måten så får ein eit kompromiss mellom presisjon (ved bruk av termometerkodeprinsippet) og tal på motstandar eller straumkjelder (ved bruk av det binærvekta prinsippet). Eit fullstendig binærvekta design tyder at det er 0% segmentering. Eit fullstendig termometerkoda design gjev 100% segmentering.
Hybride DA-omformarar brukar ein kombinasjon av desse teknikkane i ein enkelt omformar. Mange av DA-omformarane i integrerte kretsar er av denne typen på grunn av vansken med å få låg kost, høg fart og høg presisjon i ein og same omformar.

Yting for DA-omformarar

DA-omformarar er starten på den analoge signalkjeda, noko som gjer dei svært viktige for systemytelse. Dei viktigaste karakteristikkane for desse einingane er:

Oppløysing: Dette er talet på mogelege utgangsverdiar DA-omformaren er designa for å gjenskape. Dette er som regel oppgjeve med talet på bit han brukar, som er toar logaritmen til talet på nivå. Ein 1 bit DA-omformar til dømes kan gjenskape 2 ( $2^{1}$ ) nivå, medan ein 10 bit DA-omformar kan gjenskape 1024 ( $2^{10}$ ) nivå. Oppløysing har samanheng med effektive tal bit (ENOB) som er eit mål på den faktiske oppløysinga DA-omformaren yter.
Maks punktprøvingsfrekvens: Dette er eit mål på kor raskt DA-omformaren kan operere og framleis lage riktig utgangsverdi. Signalet må vere punktprøvd raskare enn den doble bandbreidda til det ynskte signalet (Nyquist-teoremet). For å reprodusere lydsignal for heile det høyrbare spekteret som er alle frekvensar opp til 20 kHz, så må punktprøvingsfrekvensen vere over 40 kHz. CD-standarden punktprøver lyden med 44,1 kHz, så DA-omformarar med denne frekvensen blir ofte brukt.
Monoton: Dette viser til omformaren si evne til alltid å auke utgangen når inngangsordet aukar og motsett. Denne eigenskapen er svært viktig for omformarar som vert brukt som signalkjelder for låge frekvensar eller som ein digitalt programmerbar nivåjusterar.
SNDR: Total harmonisk distorsjon pluss støy. Dette er eit mål på distorsjonen og støyen som er forårsaka av sjølve omformaren. Det blir ofte oppgjev som forholdet mellom signalenergien og energien til distorsjonen og støyen. Det er vanleg å oppgje det på ein logaritmisk skala ( $SNDR=log(P_{s}ig/P_{T}HD)$ ). Dette er ein svært viktig parameter for dynamiske og småsignalsomformarar.
Dynamisk område: Dette er eit mål på forskjellen mellom det største signalet og det minste signalet omformaren kan lage. Det blir oppgjeve desibel. Det er vanlegvis avhengig av omformaren si oppløysing og støygolv.

Andre målingar som fasedistorsjon og jitter, kan også vere viktig for enkelte applikasjonar.

Måleparameter for DA-omformarar

Statisk ytelsesparameter
- DNL (Differensiell ulinearitet) viser kor mykje to nabonivå avviker frå den ideelle nivåforskjellen(LSB).
- INL (Integrert ulinearitet) viser kor mykje overføringskarakteristikken avviker frå den ideelle. Den ideelle karakteristikken er vanlegvis ei rett linje, og INL viser kor mykje den verkelege spenninga ved ein gitt kode avviker frå den ideelle linja i LSB.
- Gain
- Offsett
Dynamisk ytelsesparameter
- SFDR (Dynamisk område utan spuriøse) viser i dB forholdet mellom energien i det ynskte signalet og den høgaste uynskte frekvenskomponenten.
- SNDR er forholdet mellom signalet og summen av distorsjon og støy i dB
- HDi (i. harmonisk distorsjon) viser til effekten av den i-ande harmoniske i det omforma signalet.
- THD (Total harmonisk distorsjon) er summen av effekten til alle HDi.
- Viss maksimum DNL-feil er mindre enn 1 LSB, så er DA-omformaren garantert til å vere monoton. Men mange monotone omformarar kan ha ein DNL som er høgare enn 1 LSB.