Existen varias arquitecturas DAC ; La idoneidad de un DAC para una aplicación particular está determinada por cifras de mérito que incluyen: resolución , frecuencia máxima de muestreo y otras. La conversión de digital a analógico puede degradar una señal, por lo que se debe especificar un DAC que tenga errores insignificantes en términos de aplicación.
Los DAC se utilizan comúnmente en reproductores de música para convertir flujos de datos digitales en señales de audio analógicas . También se utilizan en televisores y teléfonos móviles para convertir datos de vídeo digital en señales de vídeo analógicas . Estas dos aplicaciones utilizan DAC en extremos opuestos del equilibrio frecuencia/resolución. El DAC de audio es del tipo de baja frecuencia y alta resolución, mientras que el DAC de video es del tipo de alta frecuencia y resolución baja a media.
Los DAC discretos (circuitos construidos a partir de múltiples componentes electrónicos discretos en lugar de un IC empaquetado) normalmente serían del tipo extremadamente rápido, de baja resolución y que consumen mucha energía, como los que se utilizan en los sistemas de radar militares . Los equipos de prueba de muy alta velocidad, especialmente los osciloscopios de muestreo , también pueden utilizar DAC discretos.
Siempre que el ancho de banda de una señal cumpla con los requisitos del teorema de muestreo de Nyquist-Shannon (es decir, una señal de banda base con un ancho de banda menor que la frecuencia de Nyquist ) y se muestreó con resolución infinita, la señal original puede teóricamente reconstruirse a partir de los datos muestreados. Sin embargo, el filtrado de un ADC no puede eliminar por completo todas las frecuencias por encima de la frecuencia de Nyquist, lo que creará un alias en el rango de frecuencia de banda base. Y el proceso de muestreo digital del ADC introduce algún error de cuantificación (error de redondeo), que se manifiesta como ruido de bajo nivel. Estos errores se pueden mantener dentro de los requisitos de la aplicación de destino (por ejemplo, bajo el rango dinámico limitado del oído humano para aplicaciones de audio).
Aplicaciones
Un diagrama funcional simplificado de un DAC de 8 bits
Los DAC y ADC son parte de una tecnología habilitadora que ha contribuido en gran medida a la revolución digital . A modo de ejemplo, consideremos una típica llamada telefónica de larga distancia. La voz de la persona que llama se convierte en una señal eléctrica analógica mediante un micrófono , luego la señal analógica se convierte en una transmisión digital mediante un ADC. Luego, el flujo digital se divide en paquetes de red donde se puede enviar junto con otros datos digitales , no necesariamente audio. Luego, los paquetes se reciben en el destino, pero cada paquete puede tomar una ruta completamente diferente y es posible que ni siquiera llegue al destino en el orden de tiempo correcto. Luego, los datos de voz digital se extraen de los paquetes y se ensamblan en un flujo de datos digitales. Un DAC vuelve a convertir esto en una señal eléctrica analógica, que activa un amplificador de audio , que a su vez activa un altavoz , que finalmente produce sonido.
Audio
Reproductor de CD de carga superior (arriba) y conversor externo de digital a analógico (abajo) de la misma empresa.Un DAC externo (década de 1990) de Audio Alchemy como complemento para reproductores de CD, con sólo unos 12 cm de ancho, destinado a mejorar el sonido de reproductores más antiguos o menos costosos.
La mayoría de las señales de audio modernas se almacenan en formato digital (por ejemplo, MP3 y CD ) y, para poder escucharse a través de los altavoces, deben convertirse en una señal analógica. Por tanto, los DAC se encuentran en reproductores de CD , reproductores de música digital y tarjetas de sonido de PC .
Los DAC independientes especializados también se pueden encontrar en sistemas de alta fidelidad de alta gama . Normalmente toman la salida digital de un reproductor de CD compatible o un transporte dedicado (que es básicamente un reproductor de CD sin DAC interno) y convierten la señal en una salida analógica de nivel de línea que luego puede alimentarse a un amplificador para controlar los parlantes.
En aplicaciones de voz sobre IP , primero se debe digitalizar la fuente para la transmisión, por lo que se convierte a través de un ADC y luego se reconstruye a analógico usando un DAC en el extremo del receptor.
Video
El muestreo de vídeo tiende a funcionar en una escala completamente diferente gracias a la respuesta altamente no lineal tanto de los tubos de rayos catódicos (para los que se centró la gran mayoría del trabajo de la fundación de vídeo digital) como del ojo humano, utilizando una "curva gamma" para proporcionar una 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 lo suficientemente profunda como para hacer que la ingeniería de un valor codificado en el DAC para cada nivel de salida de cada canal sea poco práctico (por ejemplo, un Atari ST o Sega Genesis requeriría 24 de esos valores; una tarjeta de video de 24 bits necesitaría 768...). Dada esta distorsión inherente, no es inusual que un televisor o un proyector de video afirme sinceramente una relación de contraste lineal (diferencia entre los niveles de salida más oscuros y más brillantes) de 1000:1 o mayor, equivalente a 10 bits de precisión de audio, aunque solo pueda acepta señales con precisión de 8 bits y utiliza un panel LCD que solo representa 6 o 7 bits por canal.
Las señales de vídeo de una fuente digital, como una computadora, deben convertirse a formato analógico si se van a mostrar en un monitor analógico. A partir de 2007, las entradas analógicas se utilizaban más comúnmente que las digitales, pero esto cambió a medida que las pantallas planas con conexiones DVI y/o HDMI se generalizaron. [ cita necesaria ] Sin embargo, un DAC de video está incorporado en cualquier reproductor de video digital con salidas analógicas. El DAC suele estar integrado con algo de memoria ( RAM ), que contiene tablas de conversión para corrección gamma , contraste y brillo, para crear un dispositivo llamado RAMDAC .
potenciómetro digital
Un dispositivo que está lejanamente relacionado con el DAC es el potenciómetro controlado digitalmente , utilizado para controlar una señal analógica de forma digital.
Mecánico
La máquina de escribir IBM Selectric utiliza un convertidor mecánico de digital a analógico para controlar su bola de escribir.
Un actuador mecánico de un bit asume dos posiciones: una cuando está encendido y otra cuando está apagado. El movimiento de varios actuadores de un bit se puede combinar y ponderar con un mecanismo de árbol para producir pasos más finos. La máquina de escribir IBM Selectric utiliza dicho sistema. [1]
Comunicaciones
Los DAC se utilizan ampliamente en los sistemas de comunicación modernos que permiten la generación de señales de transmisión definidas digitalmente. Los DAC de alta velocidad se utilizan para comunicaciones móviles y los DAC de velocidad ultraalta se emplean en sistemas de comunicaciones ópticas .
Tipos
Los tipos más comunes de DAC electrónicos son: [2]
Los DAC de sobremuestreo o los DAC de interpolación, como los que emplean modulación delta-sigma , utilizan una técnica de conversión de densidad de pulso con sobremuestreo . Los DAC de audio delta-sigma se venden con una frecuencia de muestreo de 384 kHz y una resolución de 24 bits, aunque la calidad es menor debido al ruido inherente (consulte § Cifras de mérito). Algunos productos electrónicos de consumo utilizan un tipo de DAC de sobremuestreo denominado DAC de 1 bit .
El DAC ponderado binario, que contiene componentes eléctricos individuales para cada bit del DAC conectado a un punto sumador, generalmente un amplificador operacional . Cada entrada en la suma tiene ponderación de potencias de dos con la mayor corriente o voltaje en el bit más significativo . Este es uno de los métodos de conversión más rápidos, pero adolece de poca precisión debido a la alta precisión requerida para cada voltaje o corriente individual. [3]
El DAC de resistencia conmutada contiene una red de resistencias en paralelo. Las resistencias individuales se habilitan o anulan en la red según la entrada digital.
Fuente de corriente conmutada DAC, desde la cual se seleccionan diferentes fuentes de corriente en función de la entrada digital.
El DAC de condensador conmutado contiene una red de condensadores en paralelo. Los condensadores individuales se conectan o desconectan con interruptores según la entrada.
El DAC de escalera R-2R , que es un DAC ponderado binario que utiliza una estructura en cascada repetida de valores de resistencia R y 2R. Esto mejora la precisión debido a la relativa facilidad de producir resistencias de igual valor.
La aproximación sucesiva o DAC cíclico, [4] que construye sucesivamente la salida durante cada ciclo. Los bits individuales de la entrada digital se procesan en cada ciclo hasta tener en cuenta toda la entrada.
El DAC codificado por termómetro , que contiene una resistencia igual o un segmento de fuente de corriente para cada valor posible de salida del DAC. Un DAC de termómetro de 8 bits tendría 255 segmentos y un DAC de termómetro de 16 bits tendría 65.535 segmentos. Se trata de una arquitectura DAC rápida y de máxima precisión, pero a costa de requerir muchos componentes que, para implementaciones prácticas, la fabricación requiere procesos de circuitos integrados de alta densidad . [5]
DAC híbridos, que utilizan una combinación de las técnicas anteriores en un solo convertidor. La mayoría de los circuitos integrados DAC son de este tipo debido a la dificultad de conseguir bajo coste, alta velocidad y alta precisión en un solo dispositivo.
El DAC segmentado, que combina el principio codificado por termómetro para los bits más significativos y el principio ponderado binario para los bits menos significativos. De esta manera, se obtiene un compromiso entre la precisión (mediante el uso del principio de codificación del termómetro) y el número de resistencias o fuentes de corriente (mediante el uso del principio de ponderación binaria). El diseño completamente ponderado binario significa 0 % de segmentación, el diseño completo con codificación de termómetro significa 100 % de segmentación.
La mayoría de los DAC que se muestran en esta lista dependen de un voltaje o corriente de referencia constante para crear su valor de salida. Alternativamente, un DAC multiplicador [6] toma un voltaje o corriente de entrada variable como referencia de conversión. Esto impone restricciones de diseño adicionales al ancho de banda del circuito de conversión.
Los DAC modernos de alta velocidad tienen una arquitectura entrelazada, en la que se utilizan varios núcleos DAC en paralelo. Sus señales de salida se combinan en el dominio analógico para mejorar el rendimiento del DAC combinado. [7] La combinación de las señales se puede realizar ya sea en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia.
Actuación
Las características más importantes de un DAC son: [ cita necesaria ]
Resolución
El número de niveles de salida posibles que el DAC está diseñado para reproducir. Generalmente se expresa como el número de bits que utiliza, que es el logaritmo binario del número de niveles. Por ejemplo, un DAC de 1 bit está diseñado para reproducir 2 (2 1 ) niveles, mientras que un DAC de 8 bits está diseñado para 256 (2 8 ) niveles. La resolución está relacionada con el número efectivo de bits , que es una medida de la resolución real alcanzada por el DAC. La resolución determina la profundidad del color en aplicaciones de video y la profundidad de bits de audio en aplicaciones de audio.
La velocidad máxima a la que los circuitos del DAC pueden funcionar y seguir produciendo una salida correcta. El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon define una relación entre esto y el ancho de banda de la señal muestreada.
La capacidad de la salida analógica de un DAC de moverse solo en la dirección en que se mueve la entrada digital (es decir, si la entrada aumenta, la salida no cae antes de afirmar la salida correcta). Esta característica es muy importante para los DAC utilizados como salida baja. -Fuente de señal de frecuencia o como elemento de ajuste programable digitalmente. [ cita necesaria ]
Una medida de la distorsión y el ruido introducidos en la señal por el DAC. Se expresa como un porcentaje de la potencia total de distorsión armónica no deseada y ruido que acompaña a la señal deseada.
Una medida de la diferencia entre las señales más grandes y más pequeñas que el DAC puede reproducir expresada en decibeles . Esto suele estar relacionado con la resolución y el ruido de fondo .
Otras mediciones, como la distorsión de fase y la fluctuación de fase, también pueden ser muy importantes para algunas aplicaciones, algunas de las cuales (por ejemplo, transmisión inalámbrica de datos, vídeo compuesto) pueden incluso depender de una producción precisa de señales ajustadas en fase.
Las codificaciones PCM no lineales (ley A/ley μ, ADPCM, NICAM) intentan mejorar sus rangos dinámicos efectivos mediante el uso de tamaños de paso logarítmicos entre las intensidades de la señal de salida representadas por cada bit de datos. Esto intercambia una mayor distorsión de cuantificación de señales fuertes por un mejor rendimiento de señales silenciosas.
Figuras de merito
Rendimiento estático:
La no linealidad diferencial (DNL) muestra cuánto se desvían dos valores analógicos de código adyacentes del paso ideal de 1 LSB. [8]
La no linealidad integral (INL) muestra cuánto se desvía la característica de transferencia del DAC de una ideal. Es decir, la característica ideal suele ser una línea recta; INL muestra cuánto difiere el voltaje real en un valor de código determinado de esa línea, en LSB (pasos de 1 LSB). [8]
Error de ganancia [8]
Error de compensación [8]
En última instancia, el ruido está limitado por el ruido térmico generado por componentes pasivos como las resistencias. Para aplicaciones de audio y a temperatura ambiente, dicho ruido suele ser un poco menos de 1 μV (microvoltio) de ruido blanco . Esto prácticamente limita la resolución a menos de 20~21 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 la mayor estimulación no deseada. [8]
La relación señal-ruido y distorsión ( SINAD ) indica en dB la relación entre las potencias de la señal principal convertida y la suma del ruido y las espuelas armónicas generadas [8]
La distorsión armónica i-ésima (HDi) indica la potencia del armónico i-ésimo de la señal principal convertida
La distorsión armónica total (THD) es la suma de las potencias de todos los armónicos de la señal de entrada [8]
Si el DNL máximo es inferior a 1 LSB, se garantiza que el convertidor D/A será monótono. Sin embargo, muchos convertidores monótonos pueden tener un DNL máximo superior a 1 LSB. [8]
Rendimiento en el dominio del tiempo:
Área de impulso de falla (energía de falla) [8]
Ver también
I²S – Interfaz serie para audio digital
Referencias
^ Brian Brumfield (2 de septiembre de 2014). "Reparación eléctrica Entrada 10-3A: Teclado". Archivado desde el original el 29 de diciembre de 2015, a través de YouTube.
^ "Arquitecturas de convertidor de datos" (PDF) . Conversión Analógico-Digital . Dispositivos analógicos . Archivado (PDF) desde el original el 30 de agosto de 2017 . Consultado el 30 de agosto de 2017 .
^ "DAC de resistencia ponderada binaria". Tutoría de Electrónica . Consultado el 25 de septiembre de 2018 .
^ "Arquitecturas de convertidor de datos", p. 3.29.
^ Walt Kester, Arquitecturas DAC básicas I: DAC de cadena y DAC de termómetro (completamente decodificados) (PDF) , Dispositivos analógicos , archivado (PDF) desde el original el 3 de mayo de 2015
^ "Multiplicación de DAC: componentes básicos flexibles" (PDF) . Dispositivos analógicos . 2010. Archivado (PDF) desde el original el 16 de mayo de 2011 . Consultado el 29 de marzo de 2012 .
^ Schmidt, cristiano (2020). Conceptos de entrelazado para convertidores digitales a analógicos: algoritmos, modelos, simulaciones y experimentos . Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden. doi :10.1007/978-3-658-27264-7. ISBN9783658272630. S2CID 199586286.
^ abcdefghi "Glosario ADC y DAC". Máxima. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2007.
Otras lecturas
Kester, Walt (2005), Manual de conversión de datos, ISBN 0-7506-7841-0
S. Norsworthy, Richard Schreier, Gabor C. Temes, Convertidores de datos Delta-Sigma . ISBN 0-7803-1045-4 .
Mingliang Liu, Desmitificando los circuitos de condensadores conmutados . ISBN 0-7506-7907-7 .
Ndjountche Tertulien, "Circuitos integrados analógicos CMOS: diseño de alta velocidad y consumo eficiente de energía". ISBN 978-1-4398-5491-4 .
enlaces externos
"Glosario ADC y DAC". Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2009.
Los DAC multiplicadores de alta resolución manejan señales de CA
R-2R Ladder DAC explicado con diagramas de circuito.
Evaluación dinámica de convertidores D/A de alta velocidad y alta resolución Describe las mediciones HD, IMD y NPR, y también incluye una derivación del ruido de cuantificación.
