Введение

Устройство, преобразующее цифровой сигнал в аналоговый. Конвертация цифровых сигналов в аналоговые.

В электронике преобразователь цифрового в аналоговый (DAC, D/A, D2A или D to A) – это система, преобразующая цифровой сигнал в аналоговый сигнал. Аналого-цифровой преобразователь (ADC) выполняет обратную функцию. Существует несколько архитектур DAC; пригодность DAC для конкретного применения определяется характеристиками, включая: разрешение, максимальную частоту дискретизации и другие. Преобразование цифрового сигнала в аналоговый может приводить к ухудшению качества сигнала, поэтому необходимо выбирать DAC с незначительными погрешностями, соответствующими требованиям применения. DAC широко используются в музыкальных проигрывателях для преобразования цифровых потоков данных в аналоговые аудиосигналы. Они также применяются в телевизорах и мобильных телефонах для преобразования цифровых видеоданных в аналоговые видеосигналы. В этих двух областях применения DAC используются с противоположными соотношениями частоты и разрешения. Аудио-DAC представляет собой устройство с низкой частотой и высоким разрешением, в то время как видео-DAC – устройство с высокой частотой и низким или средним разрешением. Ввиду сложности и необходимости в точно подобранных компонентах, большинство DAC, за исключением самых специализированных, реализуются в виде интегральных схем (ИС). Как правило, это микросхемы с смешанными сигналами на основе металл-оксид-полупроводников (MOS), объединяющие аналоговые и цифровые схемы. Дискретные DAC (схемы, собранные из отдельных электронных компонентов, а не из готовой ИС) обычно представляют собой высокоскоростные, низкоразрешающие и энергоемкие устройства, применяемые, например, в военных радиолокационных системах. Сверхбыстрое испытательное оборудование, особенно осциллографы выборки, также может использовать дискретные DAC.

Обзор

ЦАП преобразует абстрактное число с конечной точностью (обычно двоичное число с фиксированной точкой) в физическую величину (например, напряжение или давление). В частности, ЦАП часто используются для преобразования данных временных рядов с конечной точностью в непрерывно изменяющийся физический сигнал. При условии, что полоса пропускания сигнала соответствует требованиям теоремы Котельникова — Шеннона (то есть, для сигнала базовой полосы с полосой пропускания, меньшей частоты Найквиста) и он был дискретизирован с бесконечным разрешением, исходный сигнал теоретически может быть восстановлен из дискретизированных данных. Однако фильтрация АЦП не может полностью исключить все частоты выше частоты Найквиста, которые приведут к наложению спектров в диапазоне базовой полосы. Кроме того, процесс цифровой дискретизации АЦП вносит некоторую ошибку квантования (ошибку округления), которая проявляется в виде низкоуровневого шума. Эти ошибки могут быть удержаны в пределах требований целевого применения (например, в пределах ограниченного динамического диапазона человеческого слуха для аудиоприложений).

Приложения

ЦАП и АЦП являются частью ключевой технологии, которая внесла значительный вклад в цифровую революцию. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим типичный междугородний телефонный звонок. Голос звонящего преобразуется в аналоговый электрический сигнал микрофоном, затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой поток с помощью АЦП. Этот цифровой поток затем разделяется на сетевые пакеты, которые могут быть отправлены вместе с другими цифровыми данными, не обязательно аудио. Пакеты принимаются в пункте назначения, однако каждый пакет может пройти совершенно разным маршрутом и даже прибыть не в правильном порядке по времени. Затем цифровые голосовые данные извлекаются из пакетов и собираются в цифровой поток данных. ЦАП преобразует его обратно в аналоговый электрический сигнал, который подается на звуковой усилитель, который, в свою очередь, приводит в действие динамик, который, наконец, воспроизводит звук.

Аудио

Большинство современных аудиосигналов хранятся в цифровой форме (например, MP3 и CD), и для воспроизведения через динамики их необходимо преобразовать в аналоговый сигнал. Поэтому ЦАП (DAC) можно найти в CD-плеерах, цифровых музыкальных плеерах и звуковых картах для ПК. Специализированные внешние ЦАП также используются в высококачественных Hi-Fi системах. Обычно они принимают цифровой выход совместимого CD-плеера или выделенного транспорта (по сути, CD-плеера без встроенного ЦАП) и преобразуют сигнал в аналоговый выход линейного уровня, который затем подается на усилитель для управления динамиками. Аналогичные цифро-аналоговые преобразователи можно найти в цифровых динамиках, таких как USB-динамики, и в звуковых картах. В приложениях VoIP источник необходимо сначала оцифровать для передачи, поэтому он преобразуется с помощью АЦП (ADC), а затем восстанавливается в аналоговый сигнал с помощью ЦАП на стороне принимающего абонента.

Видео

Видеосемплинг работает по совершенно иному масштабу благодаря высоконелинейной характеристике как электронно-лучевых трубок (для которых была нацелена подавляющая часть фундаментальных работ в области цифрового видео), так и человеческого глаза, использующего "гамма-кривую" для создания иллюзии равномерно распределенных ступеней яркости во всем динамическом диапазоне дисплея. Отсюда и необходимость использования RAMDAC в компьютерных видеоприложениях с достаточной глубиной цвета, чтобы сделать нецелесообразным аппаратное кодирование фиксированного значения в ЦАП для каждого уровня выхода каждого канала (например, Atari ST или Sega Genesis потребуют 24 таких значений; 24-битная видеокарта – 768). Учитывая это неотъемлемое искажение, вполне нормально, что телевизор или видеопроектор может честно заявить о линейном коэффициенте контрастности (разнице между самым темным и самым ярким уровнями вывода) 1000:1 или выше, что эквивалентно 10 битам точности, даже если он принимает сигналы только с 8-битной точностью и использует ЖК-панель, отображающую всего 6 или 7 бит на канал. Видеосигналы от цифрового источника, такого как компьютер, должны быть преобразованы в аналоговый формат для отображения на аналоговом мониторе. По состоянию на 2007 год аналоговые входы использовались чаще, чем цифровые, но ситуация изменилась с распространением плоскопанельных дисплеев с разъемами DVI и/или HDMI. Видео ЦАП, тем не менее, встроен в любой цифровой видеопроигрыватель с аналоговыми выходами. ЦАП обычно интегрирован с памятью (RAM), содержащей таблицы преобразования для гамма-коррекции, контраста и яркости, образуя устройство, называемое RAMDAC.

Цифровой потенциометр

Устройство, имеющее отдалённое родство с ЦАП, — цифровой потенциометр, предназначенный для цифрового управления аналоговым сигналом.

Механические

Однобитный механический исполнительный механизм принимает два положения: одно – включенное, другое – выключенное. Движение нескольких однобитных исполнительных механизмов можно комбинировать и взвешивать с помощью рычажного механизма для получения более мелких шагов. Пишущая машинка IBM Selectric использует подобную систему.

Сообщения

ЦАП широко используются в современных системах связи, обеспечивая генерацию передаваемых сигналов, определяемых в цифровом виде. Высокоскоростные ЦАП применяются в системах мобильной связи, а сверхвысокоскоростные ЦАП – в системах оптической связи.