Что такое цап и ацп
Перейти к содержимому

Что такое цап и ацп

  • автор:

Что такое цап и ацп

3.3.4 Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Раздел: Аналогово-цифровая и цифро-аналоговая схемотехника

1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал – суммирование токов и напряжений. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для связи цифровых ЭВМ с аналоговыми элементами и системами.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.

ЦАП преобразует цифровой двоичный код Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 в аналоговую величину, обычно напряжение U вых. . Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

U вых =e*(Q 1 1+Q 2 *2+Q 3 *4+Q 4 *8+…), (1)

где e — напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Q i — значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует

U вых =у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e, а числу 1100

На рисунке 3.3.4.1 приведена схема цифро — аналогового преобразователя.

Рисунок 3.3.4.1 — Схема цифро-аналогового преобразователя

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рис1. В схеме i – й ключ замкнут при Q i =1, при Q i =0 – разомкнут. Регистры подобраны таким образом, что R>>Rн.

Эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель напряжения, тогда

Uвых = E Rн / Rэк + Rн » E*Rн / Rэк (2)

Проводимость двухполюсника 1 / Rэк равна сумме проводимостей ветвей (при Q i =1 i – ветвь включена, при Q i =0 – отключена):

1 / Rэк = Q1 / 8R + Q2 / 4R + Q3 / 2R + Q4 / R (3)

Подставив (3) в (2), получаем выражение, идентичное (1)

Uвых = (8Е Rн / R)*( Q 1 *1 + Q 2 *2 + Q 3 *4 + Q 4 *8 )

Очевидно, что е = 8Е Rн / R. Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

2. Аналогово-цифровые преобразователи . В информационных и управляющих системах часть (или вся) информация от датчиков бывает представлена в аналоговой форме. Для ее ввода в цифровые ЭВМ и цифровое управляющее устройство широко применяются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). В большинстве случаев АЦП выполняют преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код.

Существуют различные типы АЦП. Мы остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.

Рисунок 3.3.4.2 — Схема АЦП последовательного приближения

2.1. АЦП последовательного приближения (АЦППП). Структурная схема АЦППП приведена на рисунке 3.3.4.2. Схема работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал Uвх перед началом преобразования запоминается схемой выборки – хранения ВХ, что необходимо, так как в процессе преобразования необходимо изменение аналогового сигнала. Далее по команде “Пуск” с помощью сдвигового регистра последовательно во времени каждый триггер Ti, начиная со старшего разряда, переводит в положение 1 соответствующий разряд ЦАП. Напряжение U1 (или ток) с выхода ЦАП сравнивается с входным аналоговым сигналом с помощью компаратора КП. Если U0 > U1, на выходе компаратора сохраняется низкий уровень и в триггере сохраняется единица, при U0 < U1 срабатывает компаратор и переводит триггер в положение 0. После окончания цикла на выходах триггеров получается двоичный код, соответствующий (при идеальных элементах) U0 с точностью до половины младшего разряда.

Погрешность АЦППП определяется неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и смещением нуля компаратора, а также погрешностью схемы выборки – хранения.

Поскольку в такой схеме ошибка в каком – либо разряде в дальнейшем не корректируется, необходимо, чтобы время на “взвешивание” каждого разряда было достаточно для затухания переходного процесса до уровня, соответствующего половине младшего разряда, и чтобы при разбалансе U1 – U0 на это значение компаратора успел сработать. Общее время преобразования

t пр =t вх +n(t з,к +t у +t ц )+t cб ,

где tвх – время, необходимое для фиксации Uвх схемой ВХ; n – число разрядов; tз,к – время задержки, вносимое компаратором; tу – время установления U1 на входе ЦАП; tц – время задержки цифровых элементов в схеме управления и срабатывания триггера; tсб – время, необходимое для сброса ЦАП в исходное состояние, включая время, необходимое для синхронизации с началом такта.

Наибольшую долю в tпр обычно вносит tу, наибольшая величина которого может быть оценена следующим образом:

где Tэ – эквивалентная постоянная времени на входе ЦАП. Если на его выходе включен ОУ, который полезен для уменьшения выходного сопротивления и ускорения тем самым переходного процесса, то Tэ» 1/2p fср (fср – частота среза ОУ по контуру обратной свази).

При 12 – разрядном АЦП и использовании быстродействующего ЦАП с tу=100 нс время tпр близко к 1,5 мкс. В большинстве случаев tпр такого преобразователя достигает 10 – 100 мкс.

2.2. АЦП параллельного типа (АЦПП). Существенное уменьшение tпр удается получить в АЦП параллельного типа. Его структурная схема приведена на рис3. Здесь входная аналоговая величина U 0 с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2 n+1 – 1 компараторов с 2(2 n -1) эталонными уровнями, образованными делителями из резисторов равного сопротивления. При этом срабатывают m младших компараторов, образующих на выходах схем И-НЕ нормальный единичный код, затем который с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется в двоичный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. На рисунке 3.3.4.3 приведена структурная схема АЦП параллельного типа.

Рисунок 3.3.4.3 — Схема АЦП параллельного типа.

Время преобразования складывается из следующих составляющих:

t пр = t вх + t з,к + a t л,сi ,

где t л,сi – Время задержки логичесих схем; k – число последовательно включенных логических схем.

При использовании компаратров со стробированием АЦПП может быть без схемы ВХ. При этом он обеспечивает наибольшее быстродействие по сравнению с любыми другими АЦП.

Рисунок 3.3.4.4 — АЦП и ЦАП.

На рисунке 3.3.4.4, показана схема для преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровой код и обратное проебразование цифрового кода в аналоговую величину. Процесс работы схемы показан на временной диаграмме. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу АЦП и ЦАП, приведена на рисунке 3.3.4.5.

Рисунок 3.3.4.5 — Диаграмма работы АЦП и ЦАП.

  1. Используя пакет Electronics Workbench спроектировать схему представленную на рисунке 3.3.4.4, и провести анализ изменения напряжения, меняя частоту и амплитуду, изменить время замыкания и размыкания каждого из ключей.
  2. Составить отчет о выполнении лабораторной работы в MS Word в который включить
    — Схемы ЦАП и АЦП;
    — Временные диаграммы работы ЦАП и АЦП .

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи в категории Оборудования для домашней звукозаписи и звукозаписывающих студий

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь (DAC, Digital to analog converter) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь (ADC, Analog to digital converter) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).
АЦП незаменим при оцифровке старых аналоговых записей (на грампластинках, аудио и видеокассетах), также при записи в цифровом виде живого звука с микрофона.

Конвертеры высокого класса, а именно класса А, позволяют преобразовать входящий аналоговый сигнал в цифровой с минимальными потерями. И преобразовать цифровой в аналоговый так же точно, то есть максимально качественно (с высоким битрэйтом и сэмплрэйтом). Чем выше будут параметры bitrate и samplerate, тем лучше будет ваша запись в плане качества и приближенности к оригиналу.

Что такое АЦП и чем оно отличается от ЦАП

Разбираемся с АЦП и ЦАП, какие задачи они решают, в чем их достоинства и недостатки.

p, blockquote 1,0,0,0,0 —>

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.

p, blockquote 2,0,0,0,0 —>

АЦП

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

Как устроен АЦП

В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Устройство выборки и хранения

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?

p, blockquote 6,0,0,0,0 —>

Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.

p, blockquote 7,0,0,0,0 —>

Компаратор в АЦП

p, blockquote 8,0,0,0,0 —>

Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.

p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.

p, blockquote 10,0,1,0,0 —>

АЦП прямого преобразования

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

Характеристики АЦП

Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.

p, blockquote 12,0,0,0,0 —>

Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.

p, blockquote 13,0,0,0,0 —>

Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.

p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.

p, blockquote 16,0,0,0,0 —>

Передаточная характеристика

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.

p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.

p, blockquote 19,0,0,0,0 —>

Нелинейность АЦП

Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.

p, blockquote 20,1,0,0,0 —>

Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

линейная и нелинейная система ацп

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.

p, blockquote 24,0,0,0,0 —>

формы передаточных характеристик

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

Шум квантования

В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.

p, blockquote 26,0,0,0,0 —>

источник шума квантования

p, blockquote 27,0,0,0,0 —>

Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.

p, blockquote 28,0,0,0,0 —>

Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.

p, blockquote 29,0,0,0,0 —>

квантование непрерывного сигнала

p, blockquote 30,0,0,1,0 —>

Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.

p, blockquote 31,0,0,0,0 —>

Джиттер

Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.

p, blockquote 32,0,0,0,0 —>

фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора

p, blockquote 33,0,0,0,0 —>

Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.

p, blockquote 34,0,0,0,0 —>

Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.

p, blockquote 35,0,0,0,0 —>

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство преобразующее входной цифровой сигнал в аналоговый.

p, blockquote 36,0,0,0,0 —>

Работа ЦАП

p, blockquote 37,0,0,0,0 —>

На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.

p, blockquote 38,0,0,0,0 —>

Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.

p, blockquote 39,0,0,0,0 —> p, blockquote 40,0,0,0,1 —>

Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.

Как выбрать ЦАП

Как выбрать ЦАП

Ежедневно мы используем хотя бы один цифровой преобразователь, даже не задумываясь об этом.

Устройства, которые способны преобразовать цифровой аудиосигнал в аналоговый и передать его в аудиосистему или на наушники, содержат в своей конструкции ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь. Звуковые карты, цифровые проигрыватели, компьютеры, смартфоны, студийное оборудование — во всех случаях в схеме присутствует тот или иной ЦАП. Рассмотрим подробнее, что это.

Что такое ЦАП и как он работает

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство, конвертирует цифровой сигнал в виде двоичного кода в аналоговый, в виде тока, напряжения или заряда.

В смартфонах, компьютерах и плеерах преобразователь — это микросхема со стереовыходом на разъеме ⅛” или RCA.

Более сложные преобразователи — это уже автономные устройства с возможностью подключения к компьютерам или аудиосистемам, большим количеством каналов и разъемов. Преобразователи отличаются друг от друга качеством и точностью передачи сигнала.

Любой ЦАП работает с двоичным кодом. Устройство преобразует код в электрический сигнал: единица соответствует наличию напряжения, при нуле напряжения нет. После этого электрический сигнал поступает на акустическую систему, где и превращается в звуковые колебания.

Характеристики

Как выбрать ЦАП

ЦАП во многом определяет параметры всей аудиосистемы и непосредственно влияет на качество получаемого аудиосигнала.

Основные параметры уровня качества записи в цифровом формате: частота дискретизации (измеряется в Гц), разрядность (измеряется в бит) и битрейт (измеряется в кбит/с). Эти характеристики будут главными в выборе ЦАП.

Частота дискретизации

Частота дискретизации определяет, как цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал. Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования будет ближе к исходному сигналу.

Для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была в два раза выше, чем максимальная частота в спектре сигнала.

Подкованные в технических науках могут найти обоснование явлению в теореме Котельникова.

Это означает, что для воспроизведения слышимого человеком звукового диапазона частот 20-20 000 Гц необходимая частота дискретизации будет составлять до 40 000 Гц.

Соответственно, частота дискретизации Audio CD составляет 44.1 кГц, а mp3-файлов — 48 кГц.

ЦАП, проигрывающий такие файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться. При обработке некомпрессированных форматов частота дискретизации должна быть еще выше. Она может доходить до 96 кГц, 192 кГц, и более. Основные используемые значения: 44,1 кГц, 48 кГц, 88,2 кГц, 96 кГц, 192 кГц.

Разрядность

Указывает, какое количество бит или значений двоичного кода содержится в одном семпле. Для 16 бит это будет 216 = 65 536 значений. Чем выше разрядность, тем точнее будет воспроизведен аналоговый сигнал. Основные используемые значения: 16 бит, 24 бит и 32 бит.

Битрейт

Битрейт показывает, какое количество цифровой информации проходит за единицу времени. Чем он выше, тем качественнее будет сигнал. Максимальное значение для mp3 составляет 320 кбит/с. Для Audio CD (16-бит, 44.1 кГц) уже будет составлять 1411,2 кбит/с. Значение для некомпрессированного формата FLAC будет составлять около 36,864 кбит/с.

Количество каналов

Бытовые устройства обычно оснащены двумя каналами, что позволяет передавать стерео- и моносигналы. Для профессиональных систем может потребоваться большее количество каналов, например, четыре, шесть или восемь.

Соотношение сигнал/шум

Это соотношение чистого сигнала и собственного уровня шума преобразователя. Чем выше значение этого показателя, тем более чистый звук и больший динамический диапазон будет воспроизводить устройство. Для обычного прослушивания музыки желательно не менее 75 дБ, для высококачественных систем и звукозаписи — от 90 дБ.

Как выбрать преобразователь

Как выбрать ЦАП

Сначала нужно определиться с задачами и ценой. Если задача — слушать просто музыку, подойдут портативные или настольные модели. Для студии их уже не хватит, но с бытовыми задачами они справятся.

Компактные модели имеют возможность подключения и питания по USB напрямую или через кабель. Размер может быть сопоставим с USB-накопителем или небольшим внешним блоком. Интерфейс линейного аудиовыхода чаще всего — в виде разъема 1/8” (стерео) или RCA.

Настольные модели оснащены различными видами цифровых входов, USB для подключения к компьютеру и отдельным источником питания. Аналоговые выходы могут быть представлены в нескольких вариантах, балансных и небалансных. Может присутствовать отдельный усилитель для наушников.

Для профессиональной студийной работы используют модели с возможностью как цифро-аналогового преобразования, так и аналогово-цифрового. Такие модели больше размером, ставятся в рэковую стойку, оборудованы большим количеством разъемов и чипами очень высокого качества.

  • RME ADI-8 QS
  • Antelope Audio Orion 32 HD | Gen 3
  • Ferrofish A32 AD/DA Converter
  • Antelope Audio Pure2

Бюджет

Он будет напрямую зависеть от качества компонентов, наличия определенных интерфейсов, входов, выходов и других дополнительных возможностей. Цена самых простых моделей с цифровым входом и линейным стереовыходом может начинаться от нескольких тысяч. Модели с возможностью подключения по USB будут стоить дороже, так как имеют схема в этом случае усложняется.

Качество звука

ЦАП нужен не только чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, но и сделать максимально приближенным к цифровому оригиналу.

Компьютеры обычно оснащены преобразователями низкого качества. Внешний ЦАП в этом случае берет на себя эту задачу и делает выходной сигнал намного качественнее. Характер звучания преобразователей при этом должен оставаться максимально чистым и нейтральным.

Возможности для подключения

Как выбрать ЦАП

Цифро-аналоговый преобразователь должен иметь хотя бы один цифровой вход, например S/PDIF, или возможность подключения к компьютеру по USB/Thunderbolt/Firewire. S/PDIF может быть Coaxial (коаксиальным) или Optical (оптическим). Цифровых разъемов может быть несколько.

Аналоговые выходы компактных моделей, как правило, оснащены разъемами ⅛” и RCA. Настольные модели оборудуются балансным стереовыходом XLR или 1/4”, и дополнительными небалансными RCA. Студийные устройства могут быть оснащены большим количеством аналоговых выходов.

Учитывайте при выборе конвертера, что его характеристики должны соответствовать или быть выше параметров аудио, с которым девайс будет работать. Иначе могут возникнуть искажения или ЦАП в принципе свои функции выполнять не будет.

Но помните и о субъективном восприятии. Попробуйте отслушать несколько ЦАП, и обратите внимание на то, какой из них субъективно будет звучать привлекательнее. Подходящие технические параметры и субъективно приятное звучание — сочетание, которое укажет на нужную покупку.

С профессиональными устройствами несколько сложнее: помните, что главное в профессиональной технике — нейтральность и чистота в передаче аудио.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *