En électronique, le circuit DAC est une sorte de système. C'est elle qui convertit le signal numérique en analogique.
Il existe plusieurs circuits DAC. L'adéquation à une application particulière est déterminée par des mesures de qualité, notamment la résolution, la fréquence d'échantillonnage maximale et autres.
La conversion numérique-analogique peut dégrader l'envoi du signal, il est donc nécessaire de trouver un instrument qui présente des erreurs mineures en termes d'application.
Applications
Les DAC sont généralement utilisés dans les lecteurs de musique pour convertir des flux d'informations numériques en signaux audio analogiques. Ils sont également utilisés dans les téléviseurs et les téléphones portables pour convertir les données vidéo en signaux vidéo, respectivement, qui sont connectés aux pilotes d'écran pour afficher des images monochromes ou multicolores.
Ce sont ces deux applications qui utilisent des circuits DAC aux extrémités opposées du compromis entre densité et nombre de pixels. L'audio est un type basse fréquence avec une haute résolution et la vidéo est une variante haute fréquence avec une image basse à moyenne.
En raison de la complexité et de la nécessité de composants soigneusement adaptés, tous les CNA, sauf les plus spécialisés, sont implémentés sous forme de circuits intégrés (CI). Les liaisons discrètes sont généralement des types extrêmement rapides, à faible résolution et à économie d'énergie qui sont utilisés dans les systèmes radar militaires. Les équipements de test à très haute vitesse, en particulier les oscilloscopes à échantillonnage, peuvent également utiliser des CNA discrets.
Vue d'ensemble
La sortie semi-constante d'un DAC non filtré conventionnel est intégrée à presque tous les appareils, et l'image initiale ou la bande passante finale de la conception lisse la réponse de hauteur en une courbe continue.
Répondant à la question: "Qu'est-ce qu'un DAC ?", il convient de noter que ce composant convertit un nombre abstrait de précision finie (généralement un chiffre à virgule fixe binaire) en une valeur physique (par exemple, tension ou pression). En particulier, la conversion N/A est souvent utilisée pour transformer les données de séries chronologiques en un signal physique changeant en permanence.
Le DAC idéal convertit les chiffres abstraits en un train conceptuel d'impulsions, qui sont ensuite traitées par un filtre de reconstruction, en utilisant une forme d'interpolation pour remplir les données entre les impulsions. Ordinaireun convertisseur numérique-analogique pratique transforme les nombres en une fonction constante par morceaux composée d'une séquence de motifs rectangulaires créés en tenant l'ordre zéro. Aussi, en répondant à la question "Qu'est-ce qu'un DAC?" il convient de noter d'autres méthodes (par exemple, basées sur la modulation delta-sigma). Ils créent une sortie modulée en densité d'impulsions qui peut être filtrée de la même manière pour produire un signal variant en douceur.
Selon le théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon, le DAC peut reconstruire la vibration d'origine à partir des données échantillonnées, à condition que sa zone de pénétration réponde à certaines exigences (par exemple, une impulsion en bande de base avec une densité de raie inférieure). L'échantillon numérique représente l'erreur de quantification, qui apparaît sous forme de bruit de faible niveau dans le signal reconstruit.
Schéma fonctionnel simplifié d'un outil 8 bits
Il convient de noter tout de suite que le modèle le plus populaire est le convertisseur numérique-analogique Real Cable NANO-DAC. Le DAC fait partie d'une technologie de pointe qui a largement contribué à la révolution numérique. Pour illustrer, considérons les appels téléphoniques interurbains typiques.
La voix de l'appelant est convertie en un signal électrique analogique à l'aide d'un microphone, puis cette impulsion est transformée en un flux numérique avec le DAC. Après cela, ce dernier est divisé en paquets réseau, où il peut être envoyé avec d'autres données numériques. Et ce n'est pas nécessairement audio.
Alors les forfaitssont acceptés à destination, mais chacun d'eux peut emprunter un itinéraire complètement différent et même ne pas atteindre la destination dans le bon ordre et au bon moment. Les données vocales numériques sont ensuite extraites des paquets et assemblées en un flux de données commun. Le DAC reconvertit cela en un signal électrique analogique qui pilote un amplificateur audio (tel que le convertisseur numérique-analogique Real Cable NANO-DAC). Et lui, à son tour, active le haut-parleur, qui produit enfin le son nécessaire.
Audio
La plupart des signaux acoustiques modernes sont stockés numériquement (par exemple MP3 et CD). Pour être entendus par les haut-parleurs, ils doivent être convertis en une impulsion similaire. Vous pouvez donc trouver un convertisseur numérique-analogique pour téléviseur, lecteur CD, systèmes de musique numérique et cartes son PC.
Des DAC autonomes dédiés peuvent également être trouvés dans les systèmes Hi-Fi de haute qualité. Ils prennent généralement la sortie numérique d'un lecteur de CD compatible ou d'un véhicule dédié et convertissent le signal en une sortie analogique de niveau ligne qui peut ensuite être introduite dans un amplificateur pour piloter des haut-parleurs.
Des convertisseurs N/A similaires peuvent être trouvés dans les colonnes numériques telles que les haut-parleurs USB et les cartes son.
Dans les applications Voix sur IP, la source doit d'abord être numérisée pour la transmission, elle est donc convertie via un ADC puis convertie en analogique à l'aide d'un DAC surla partie réceptrice. Par exemple, cette méthode est utilisée pour certains convertisseurs numérique-analogique (TV).
Image
L'échantillonnage a tendance à fonctionner à une échelle complètement différente dans l'ensemble, en raison de la réponse hautement non linéaire des tubes à rayons cathodiques (auxquels la grande majorité de la production vidéo numérique est destinée) et de l'œil humain, en utilisant un courbe gamma pour donner l'apparence d'étapes de luminosité uniformément réparties sur toute la plage dynamique de l'affichage. D'où la nécessité d'utiliser RAMDAC dans les applications vidéo informatiques avec une résolution de couleur assez profonde, de sorte qu'il n'est pas pratique de créer une valeur codée en dur dans le DAC pour chaque niveau de sortie de chaque canal (par exemple, un Atari ST ou Sega Genesis serait besoin de 24 de ces valeurs; une carte vidéo 24 bits en aurait besoin de 768).
Compte tenu de cette distorsion inhérente, il n'est pas rare qu'un téléviseur ou un vidéoprojecteur soit honnêtement déclaré avoir un rapport de contraste linéaire (la différence entre les niveaux de sortie les plus sombres et les plus lumineux) de 1 000: 1 ou plus. Cela équivaut à 10 bits de fidélité sonore, même s'il ne peut recevoir que des signaux avec une fidélité de 8 bits et utiliser un panneau LCD qui n'affiche que six ou sept bits par canal. Les avis du CAD sont publiés sur cette base.
Les signaux vidéo provenant d'une source numérique telle qu'un ordinateur doivent être convertis au format analogique s'ils doivent être affichés sur un moniteur. Similaire depuis 2007les entrées étaient utilisées plus fréquemment que les numériques, mais cela a changé car les écrans plats avec connexions DVI ou HDMI sont devenus plus courants. Cependant, un DAC vidéo est intégré à n'importe quel lecteur vidéo numérique avec les mêmes sorties. Un convertisseur audio numérique-analogique est généralement intégré à une sorte de mémoire (RAM) qui contient des tables de réorganisation pour la correction gamma, le contraste et la luminosité pour créer un appareil appelé RAMDAC.
L'appareil connecté à distance au DAC est un potentiomètre à commande numérique utilisé pour capter le signal.
Conception mécanique
Par exemple, la machine à écrire IBM Selectric utilise déjà un DAC non manuel pour piloter la balle.
Le circuit convertisseur numérique-analogique ressemble à ceci.
Le lecteur mécanique à un bit prend deux positions: une lorsqu'il est allumé, l'autre lorsqu'il est éteint. Le mouvement de plusieurs actionneurs à bit unique peut être combiné et pondéré par l'appareil sans hésitation pour obtenir des étapes plus précises.
C'est la machine à écrire IBM Selectric qui utilise un tel système.
Principaux types de convertisseurs numérique-analogique
- Modulateur de largeur d'impulsion où un courant ou une tension stable est commuté dans un filtre analogique passe-bas avec une durée déterminée par un code d'entrée numérique. Cette méthode est souvent utilisée pour contrôler la vitesse du moteur et atténuer les lumières LED.
- Convertisseur audio numérique vers analogique avecles CNA à suréchantillonnage ou à interpolation, tels que ceux utilisant la modulation delta-sigma, utilisent la méthode de variation de la densité d'impulsions. Des vitesses supérieures à 100 kéchantillons par seconde (par exemple, 180 kHz) et une résolution de 28 bits sont réalisables avec un appareil delta-sigma.
- Un élément pondéré binaire qui contient des composants électriques séparés pour chaque bit DAC connecté au point de sommation. C'est elle qui peut additionner l'amplificateur opérationnel. L'intensité du courant de la source est proportionnelle au poids du bit auquel elle correspond. Ainsi, tous les bits non nuls du code sont ajoutés au poids. En effet, ils disposent de la même source de tension. C'est l'une des méthodes de conversion les plus rapides, mais elle n'est pas parfaite. Puisqu'il y a un problème: une faible fidélité en raison des grandes données requises pour chaque tension ou courant individuel. De tels composants de haute précision sont chers, ce type de modèle est donc généralement limité à une résolution de 8 bits ou même moins. La résistance commutée sert de convertisseur numérique-analogique dans des sources de réseau parallèles. Les instances individuelles sont connectées à l'électricité sur la base d'une entrée numérique. Le principe de fonctionnement de ce type de convertisseur numérique-analogique réside dans la source de courant commutée du DAC, à partir de laquelle différentes touches sont sélectionnées en fonction d'une entrée numérique. Il comprend une ligne de condensateur synchrone. Ces éléments simples sont connectés ou déconnectés à l'aide d'un mécanisme spécial (pied) situé à proximité de toutes les prises.
- Convertisseurs d'escalier numérique-analogiquetype, qui est un élément à pondération binaire. Il utilise à son tour une structure répétitive des valeurs de résistance en cascade R et 2R. Cela améliore la précision en raison de la relative facilité de fabrication du même mécanisme nominal (ou des sources de courant).
- Avance séquentielle ou DAC cyclique qui construit la sortie une par une à chaque étape. Les bits individuels d'une entrée numérique sont traités par tous les connecteurs jusqu'à ce que l'objet entier soit pris en compte.
- Le thermomètre est un CNA codé qui contient une résistance égale ou un segment de source de courant pour chaque valeur possible de la sortie du CNA. Un DAC thermomètre 8 bits aura 255 éléments, et un DAC thermomètre 16 bits aura 65 535 pièces. C'est peut-être l'architecture DAC la plus rapide et la plus précise, mais au prix d'un coût élevé. Avec ce type de DAC, des taux de conversion de plus d'un milliard d'échantillons par seconde ont été atteints.
- CNA hybrides qui utilisent une combinaison des méthodes ci-dessus dans un seul convertisseur. La plupart des circuits intégrés DAC sont de ce type en raison de la difficulté d'obtenir un faible coût, une vitesse élevée et une précision dans un seul appareil.
- DAC segmenté qui combine le principe du codage thermomètre pour les chiffres supérieurs et la pondération binaire pour les composants inférieurs. De cette manière, un compromis est atteint entre la précision (en utilisant le principe de codage du thermomètre) et le nombre de résistances ou de sources de courant (en utilisant la pondération binaire). Dispositif profond avec doublesignifie que la segmentation est de 0 % et que la conception avec un codage thermométrique complet est de 100 %.
La plupart des DACS de cette liste reposent sur une référence de tension constante pour créer leur valeur de sortie. Alternativement, le DAC multiplicateur accepte la tension d'entrée CA pour les convertir. Cela impose des contraintes de conception supplémentaires sur la bande passante du schéma de réorganisation. Maintenant, il est clair pourquoi des convertisseurs numériques-analogiques de différents types sont nécessaires.
Performance
Les DAC sont très importants pour les performances du système. La caractéristique la plus importante de ces appareils est la résolution créée pour l'utilisation d'un convertisseur numérique-analogique.
Le nombre de niveaux de sortie possibles qu'un DAC est conçu pour lire est généralement indiqué comme le nombre de bits qu'il utilise, qui est le logarithme de base deux du nombre de niveaux. Par exemple, un DAC 1 bit est conçu pour lire deux circuits, tandis qu'un DAC 8 bits est conçu pour lire 256 circuits. Le remplissage est lié au nombre effectif de bits, qui est une mesure de la résolution réelle obtenue par le DAC. La résolution détermine la profondeur de couleur dans les applications vidéo et le débit binaire audio dans les appareils audio.
Fréquence max
Mesurer la vitesse la plus rapide à laquelle un circuit DAC peut fonctionner tout en produisant la sortie correcte détermine la relation entre celle-ci et la bande passante du signal échantillonné. Comme indiqué ci-dessus, le théorèmeLes échantillons de Nyquist-Shannon relient les signaux continus et discrets et affirment que tout signal peut être reconstruit avec n'importe quelle précision à partir de ses enregistrements discrets.
Monotonicité
Ce concept fait référence à la capacité de la sortie analogique du DAC à se déplacer uniquement dans la direction dans laquelle l'entrée numérique se déplace. Cette caractéristique est très importante pour les DAC utilisés comme source de signal basse fréquence.
Distorsion harmonique totale et bruit (THD + N)
Mesure de la distorsion et des sons étrangers introduits par le DAC dans le signal, exprimée en pourcentage de la quantité totale de distorsion harmonique indésirable et de bruit qui accompagne le signal souhaité. Il s'agit d'une fonctionnalité très importante pour les applications DAC dynamiques et à faible sortie.
Plage
Une mesure de la différence entre les signaux les plus grands et les plus petits qu'un DAC peut reproduire, exprimée en décibels, est généralement liée à la résolution et au niveau de bruit.
D'autres mesures telles que la distorsion de phase et la gigue peuvent également être très importantes pour certaines applications. Certains (par exemple, la transmission de données sans fil, la vidéo composite) peuvent même compter sur la réception précise de signaux à phase ajustée.
L'échantillonnage audio PCM linéaire fonctionne généralement sur une résolution de chaque bit équivalente à six décibels d'amplitude (doublant le volume ou la précision).
Les codages PCM non linéaires (loi A / loi Μ, ADPCM, NICAM) tentent d'améliorer leurs plages dynamiques effectives de différentes manières -tailles de pas logarithmiques entre les niveaux audio de sortie représentés par chaque bit de données.
Classification des convertisseurs numérique-analogique
La classification par non-linéarité les divise en:
- Non-linéarité distinctive, qui montre comment deux valeurs de code voisines s'écartent du pas parfait de 1 LSB.
- La non-linéarité cumulative indique dans quelle mesure la transmission du DAC s'écarte de l'idéal.
Donc, l'élément idéal est généralement une ligne droite. INL montre à quel point la tension réelle à une valeur de code donnée diffère de cette ligne dans les bits les moins significatifs.
Boost
En fin de compte, le bruit est limité par le bourdonnement thermique généré par les composants passifs tels que les résistances. Pour les applications audio et à température ambiante, il s'agit généralement d'un peu moins de 1 µV (microvolt) de signal blanc. Cela limite les performances à moins de 20 bits, même dans les DAC 24 bits.
Performances dans le domaine fréquentiel
La plage dynamique sans parasites (SFDR) indique en dB le rapport des puissances du signal principal converti au plus grand dépassement indésirable.
Noise Distortion Ratio (SNDR) indique en dB la propriété de puissance du son principal converti à sa somme.
La distorsion harmonique totale (THD) est la somme des puissances de tous les HDi.
Si l'erreur DNL maximale est inférieure à 1 LSB, le convertisseur numérique-analogique est garantisera uniforme. Cependant, de nombreux instruments monotones peuvent avoir un DNL maximum supérieur à 1 LSB.
Performances dans le domaine temporel:
- Zone d'impulsion de glitch (énergie de glitch).
- Incertitude de la réponse.
- Temps de non-linéarité (TNL).
Opérations de base du DAC
Un convertisseur analogique-numérique prend un nombre exact (le plus souvent un nombre binaire à virgule fixe) et le convertit en une grandeur physique (telle que la tension ou la pression). Les DAC sont souvent utilisés pour réorganiser les données de séries chronologiques de précision finie en un signal physique en constante évolution.
Le convertisseur N/A idéal prend des nombres abstraits à partir d'un train d'impulsions, qui sont ensuite traités à l'aide d'une forme d'interpolation pour remplir les données entre les signaux. Un convertisseur numérique-analogique conventionnel place les nombres dans une fonction constante par morceaux constituée d'une séquence de valeurs rectangulaires, qui est modélisée avec un maintien d'ordre zéro.
Le convertisseur restaure les signaux d'origine afin que sa bande passante réponde à certaines exigences. L'échantillonnage numérique s'accompagne d'erreurs de quantification qui créent un bruit de faible niveau. C'est lui qui s'ajoute au signal restitué. L'amplitude minimale d'un son analogique qui peut faire changer un son numérique est appelée le bit le moins significatif (LSB). Et l'erreur (arrondi) qui se produit entre les signaux analogiques et numériques,est appelée erreur de quantification.
