Existen varias arquitecturas de DAC ; la idoneidad de un DAC para una aplicación particular se determina mediante factores de mérito que incluyen: resolución , frecuencia máxima de muestreo y otros. 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 la aplicación.
Los DAC se utilizan habitualmente 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 digitales en señales de vídeo analógicas . Estas dos aplicaciones utilizan DAC en extremos opuestos de la relación frecuencia/resolución. El DAC de audio es un tipo de baja frecuencia y alta resolución, mientras que el DAC de vídeo es un tipo de alta frecuencia y baja a media resolución.
Los DAC discretos (circuitos construidos a partir de múltiples componentes electrónicos discretos en lugar de un circuito integrado encapsulado) normalmente serían tipos de gran consumo de energía, de baja resolución y velocidad extremadamente alta, como los utilizados 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 haya muestreado con una resolución infinita, la señal original se puede reconstruir teóricamente 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, que se solaparán con 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, dentro del rango dinámico limitado de la audición humana para aplicaciones de audio).
Aplicaciones
Diagrama funcional simplificado de un DAC de 8 bits
Los DAC y los ADC forman parte de una tecnología que ha contribuido en gran medida a la revolución digital . Para ilustrarlo, considere una llamada telefónica de larga distancia típica. La voz de la persona que llama se convierte en una señal eléctrica analógica mediante un micrófono , luego la señal analógica se convierte en un flujo 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 digitales se extraen de los paquetes y se ensamblan en un flujo de datos digitales. Un DAC los convierte nuevamente 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 convertidor digital a analógico externo (abajo) de la misma empresa.Un DAC externo de los años 90 de Audio Alchemy como complemento para reproductores de CD, con solo 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 escucharlas a través de altavoces, deben convertirse en una señal analógica. Por ello, los DAC se encuentran en reproductores de CD , reproductores de música digitales y tarjetas de sonido para PC .
En las aplicaciones de voz sobre IP , la fuente primero debe digitalizarse para su transmisión, por lo que se somete a una conversión a través de un ADC y luego se reconstruye en analógico utilizando un DAC en el extremo 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 dirigió la gran mayoría del trabajo de base del vídeo digital) como del ojo humano, que utiliza 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 utilizar RAMDAC en aplicaciones de vídeo de ordenador con una resolución de color lo suficientemente profunda como para que la ingeniería de un valor codificado en el DAC para cada nivel de salida de cada canal sea poco práctica (por ejemplo, un Atari ST o Sega Genesis requeriría 24 de esos valores; una tarjeta de vídeo de 24 bits necesitaría 768...). Dada esta distorsión inherente, no es raro que un televisor o un proyector de vídeo afirmen con veracidad una relación de contraste lineal (diferencia entre los niveles de salida más oscuros y más brillantes) de 1000:1 o superior, equivalente a 10 bits de precisión de audio, aunque sólo acepte señales con una precisión de 8 bits y utilice un panel LCD que sólo 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 usaban con más frecuencia que las digitales, pero esto cambió a medida que las pantallas planas con conexiones DVI y/o HDMI se generalizaron. [ cita requerida ] Sin embargo, un DAC de vídeo se incorpora en cualquier reproductor de vídeo digital con salidas analógicas. El DAC suele estar integrado con algo de memoria ( RAM ), que contiene tablas de conversión para corrección de gamma , contraste y brillo, para formar un dispositivo llamado RAMDAC .
Potenciómetro digital
Un dispositivo distantemente relacionado con el DAC es el potenciómetro controlado digitalmente , utilizado para controlar una señal analógica digitalmente.
Mecánico
La máquina de escribir IBM Selectric utiliza un convertidor mecánico digital a analógico para controlar su mecanismo de escritura.
Un actuador mecánico de un bit adopta 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 de whiffle para producir pasos más finos. La máquina de escribir IBM Selectric utiliza un sistema de este tipo. [1]
Comunicaciones
Los DAC se utilizan ampliamente en los sistemas de comunicación modernos y permiten la generación de señales de transmisión definidas digitalmente. Los DAC de alta velocidad se utilizan para comunicaciones móviles y los DAC de ultraalta velocidad 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 pulsos con sobremuestreo . Los DAC delta-sigma de audio se venden con una frecuencia de muestreo de 384 kHz y una resolución de 24 bits, aunque la calidad es inferior 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 con ponderación binaria, que contiene componentes eléctricos individuales para cada bit del DAC conectado a un punto de suma, normalmente un amplificador operacional . Cada entrada en la suma tiene ponderación de potencias de dos con la corriente o voltaje más alto en el bit más significativo . Este es uno de los métodos de conversión más rápidos, pero sufre 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 se omiten en la red según la entrada digital.
DAC de fuente de corriente conmutada , desde el cual se seleccionan diferentes fuentes de corriente en función de la entrada digital.Convertidor DAC de dirección actual: DAC1138KX
El DAC de condensador conmutado contiene una red de condensadores en paralelo. Los condensadores individuales se conectan o desconectan mediante interruptores según la entrada.
El DAC de escalera R-2R es un DAC con ponderación binaria que utiliza una estructura repetitiva en cascada 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 que se tiene en cuenta toda la entrada.
El DAC con codificación por termómetro , que contiene un segmento de resistencia o fuente de corriente igual para cada valor posible de salida del DAC. Un DAC con termómetro de 8 bits tendría 255 segmentos, y un DAC con termómetro de 16 bits tendría 65.535 segmentos. Se trata de una arquitectura de DAC rápida y de máxima precisión, pero a costa de requerir muchos componentes que, para su fabricación práctica, requieren procesos de circuitos integrados de alta densidad . [5]
DAC híbridos, que utilizan una combinación de las técnicas anteriores en un único conversor. 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 de codificación por termómetro para los bits más significativos y el principio de ponderación binaria para los bits menos significativos. De esta manera, se obtiene un compromiso entre precisión (mediante el uso del principio de codificación por termómetro) y número de resistencias o fuentes de corriente (mediante el uso del principio de ponderación binaria). El diseño de ponderación binaria completa significa una segmentación del 0%, el diseño de codificación por termómetro completa significa una segmentación del 100%.
La mayoría de los DAC que se muestran en esta lista dependen de una corriente o un voltaje de referencia constante para crear su valor de salida. Como alternativa, un DAC multiplicador [6] toma una corriente o un voltaje de entrada variable como referencia de conversión. Esto impone restricciones de diseño adicionales al ancho de banda del circuito de conversión.
Los DAC de alta velocidad modernos tienen una arquitectura intercalada, en la que se utilizan múltiples 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 en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia.
Actuación
Las características más importantes de un DAC son: [ cita requerida ]
Resolución
El número de niveles de salida posibles que el DAC está diseñado para reproducir. Esto suele expresarse 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 reproducir 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 de color en aplicaciones de vídeo y la profundidad de bits de audio en aplicaciones de audio.
La velocidad máxima a la que pueden funcionar los circuitos del DAC y aun así producir 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 confirmar la salida correcta). Esta característica es muy importante para los DAC utilizados como fuente de señal de baja frecuencia o como un elemento de ajuste programable digitalmente. [ cita requerida ]
Medición de la distorsión y el ruido introducidos en la señal por el DAC. Se expresa como un porcentaje de la potencia total de la distorsión armónica no deseada y el ruido que acompaña a la señal deseada.
Medida de la diferencia entre las señales más grandes y más pequeñas que puede reproducir el DAC, expresada en decibeles . Generalmente, está relacionada con la resolución y el nivel de ruido .
Otras mediciones, como la distorsión de fase y el jitter , también pueden ser muy importantes para algunas aplicaciones, algunas de las cuales (por ejemplo, transmisión inalámbrica de datos, video compuesto) pueden incluso depender de la 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 compensa una mayor distorsión de cuantificación de las señales fuertes a cambio de un mejor rendimiento de las señales silenciosas.
Cifras de mérito
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; la INL muestra cuánto difiere el voltaje real en un valor de código dado de esa línea, en LSB (pasos de 1 LSB). [8]
Error de ganancia [8]
Error de desplazamiento [8]
El ruido está limitado en última instancia 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 frecuencia
El rango dinámico libre de espurios (SFDR) indica en dB la relación entre las potencias de la señal principal convertida y el mayor espurio no deseado. [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 los armónicos generados [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 menor que 1 LSB, se garantiza que el convertidor D/A será monótono. Sin embargo, muchos convertidores monótonos pueden tener un DNL máximo mayor que 1 LSB. [8]
Rendimiento en el dominio del tiempo:
Área de impulso de falla (energía de falla) [8]
Véase también
I²S : un protocolo de comunicación en serie para audio digital de dos canales
Referencias
^ Brian Brumfield (2 de septiembre de 2014). "Reparación de Selectric, entrada 10-3A: teclado". Archivado desde el original el 29 de diciembre de 2015, vía YouTube.
^ "Arquitecturas de convertidores de datos" (PDF) . Conversión analógica-digital . Analog Devices . Archivado (PDF) desde el original el 2017-08-30 . Consultado el 2017-08-30 .
^ "Convertidor D/A de resistencia ponderada binaria". Tutorial de electrónica . Consultado el 25 de septiembre de 2018 .
^ "Arquitecturas de convertidores de datos", pág. 3.29.
^ Walt Kester, Arquitecturas básicas de DAC I: DAC de cadena y DAC de termómetro (completamente decodificados) (PDF) , Analog Devices , archivado (PDF) desde el original el 2015-05-03
^ "Multiplicación de DAC: bloques de construcción flexibles" (PDF) . Analog Devices . 2010. Archivado (PDF) desde el original el 2011-05-16 . Consultado el 2012-03-29 .
^ 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 de ADC y DAC". Maxim. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2007.
Lectura adicional
Kester, Walt (2005), Manual de conversión de datos, Newnes, 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 circuitos de condensadores conmutados . ISBN 0-7506-7907-7 .
Ndjountche Tertulien, "Circuitos integrados analógicos CMOS: diseño de alta velocidad y eficiencia energética". ISBN 978-1-4398-5491-4 .
Enlaces externos
"Glosario de ADC y DAC". Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2009.
Los DAC multiplicadores de alta resolución manejan señales de CA
Explicación del DAC de escalera R-2R con diagramas de circuitos.
Evaluación dinámica de convertidores D/A de alta velocidad y alta resolución Describe las mediciones HD, IMD y NPR, también incluye una derivación del ruido de cuantificación
