Hvordan digital-til-analog-konvertere (DAC'er) transformerer lyd:En teknisk vejledning

Sådan fungerer digital-til-analog-konvertere (DAC'er)

Digitale lydenheder – såsom MP3-afspillere, cd-drev og lydkort – er afhængige af DAC'er til at omdanne de binære data, der er gemt på en disk eller streamet over internettet, til de spændings- eller strømvariationer, som en højttaler kan gengive.

En DAC modtager en strøm af binære prøver og producerer en tilsvarende analog bølgeform. Internt genererer enheden først et "trappe-trin"-signal:hver digital prøve afbildes til et diskret spændingsniveau. For at gøre det til en jævn, kontinuerlig lydbølge anvender DAC'en interpolation – estimerer spændingen mellem på hinanden følgende trin – så outputtet ligner det originale akustiske signal.

ADC- og DAC-vejledning

Mens en DAC konverterer en binær lydstrøm til en analog spænding, udfører en ADC den omvendte operation og forvandler en fysisk lydbølge til en digital repræsentation. Tilsammen udgør ADC'er og DAC'er rygraden i moderne lydoptagelse, afspilning og telekommunikation.

I et typisk telefonopkald bliver din stemme fanget af en mikrofon, konverteret til et analogt elektrisk signal, digitaliseret af en ADC, transmitteret som datapakker og til sidst konverteret tilbage til et analogt signal af en modtagers DAC.

Nøgleydelsesparametre for disse konvertere er samplinghastigheden og opløsningen. Samplingshastigheden - målt i prøver pr. sekund - bestemmer, hvor nøjagtigt bølgeformen kan fanges. Opløsningen – udtrykt i bits – bestemmer antallet af tilgængelige diskrete niveauer; en 8-bit konverter tilbyder 256 trin, mens en 24-bit konverter tilbyder 16 777 216 niveauer.

Digital-til-analog-konverteringsformel

I mange DAC-designs beregnes udgangsspændingen som følger:

V_out =(V4*G4 + V3*G3 + V2*G2 + V1*G1) / (G4 + G3 + G2 + G1)

hvor V1…V4 er indgangsspændingerne og G1…G4 er konduktanserne for de enkelte dæmpertrin. Ved at bruge Thevenins teorem er netværkets ækvivalente modstand R_t =1/(G4 + G3 + G2 + G1). Ohms lov (V =I*R) kan derefter anvendes til at bestemme udgangsstrømmen.

ADC-arkitekturer

Almindelige ADC-topologier inkluderer:

• Successive Approximation Register (SAR) – Udfører en binær søgning på indgangsspændingen, hvilket giver lavt strømforbrug og høj nøjagtighed.
• Delta-Sigma (ΔΣ) – Oversampler inputtet og bruger støjformning for at opnå meget høj opløsning med beskeden båndbredde.
• Rørledning – Kombinerer flere trin af SAR- og flash-ADC'er og leverer høj gennemstrømning på bekostning af øget strøm.

Typiske DAC-implementeringer

To udbredte DAC-arkitekturer er R-2R ladder-netværket og den binært-vægtede modstand array. R-2R-stigen bruger to modstandsværdier, den ene to gange den anden, for at forenkle skalering. Binært-vægtede designs tildeler modstandsværdier proportionalt med to-effekter, hvilket giver ligetil digital kontrol over den analoge udgang.

Praktiske applikationer

Digital-til-analog-konvertere er integreret i cd-afspillere, digitale musikafspillere, computerlydkort, spillekonsoller og netværkslydstreams. De muliggør analoge signaler på linjeniveau, der kan forstærkes eller sendes direkte til USB-højttalere. Mens mange forbruger-DAC'er fungerer med en fast referencespænding, kan industrielle enheder understøtte variable referencer for at rumme forskellige strømforsyninger.