Как в основном поле обозначается цап

Цифро-аналоговые преобразователи.

Ц ифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых кодовых сигналов в квантовую аналоговую величину. Любой ЦАП (рис. 2.12) имеет n входов (по числу разрядов входного кода) и один аналоговый выход. Входной код ЦАП может быть двоичным, двоично-десятичным и др. Логика работы ЦАП: если входной код максимален – (11…1)₂, то и U_вых=max=E₀, гдеЕ₀ – напряжение источника питания; если выходной код минимален (00…0)₂, то U_вых=0; чем больше входной код, тем больше U_вых.

Рис. 2.12. Цифрово-аналоговый преобразователь:

а) обозначение на функциональной схеме;

б) упрощенная принципиальная схема;

в) эквивалентная схема.

В состав ЦАП входят эталонный источник питания Е₀, дискретные делители напряжения R₁…R_n и электрически управляемые (разрядами входного кода) ключи SA. Легко видеть, что принципиальная схема ЦАП (см. рис.2.12, в), где приняты следующие обозначения: g_АВ – суммарная проводимость резисторов, подключенных ключами SA к шине В; g_АС – суммарная проводимость резисторов, подключенных ключами SA к шине С. В результате напряжение эталонного источника питания Е₀=const делится в зависимости от значения g_АВ:

где — суммарная проводимость всех резисторов ЦАП; k_i – коэффициент, равный единице или нулю в зависимости от того, подключен резистор R_i к шине В или нет.

Значения сопротивлений резисторов R_i выбирают согласно принятому входному коду. Для двоичного входного кода часто применяется резистивная матрица R-2R. Переключение весовых резисторов осуществляется с помощью электромеханических (контактных) или электронных (бесконтактных ) ключей (полевые транзисторы), управляемые сигналами в зависимости от входного кода. Широко применяются ЦАП в интегральном исполнении (гибридные и твердотельные), например, интегральная микросхема 572ПА1.

Аналого-цифровые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования входного аналогового напряжения в цифровой код. Любой АЦП (рис. 2.13) имеет один аналоговый вход и n выходов (по числу разрядов выходного кода), а также управляющие вход (Старт) и выход (Стоп). Логика работы АЦП: чем больше U_вх, тем больше выходной код. Существуют различные методы аналого-цифрового преобразования, которые могут задействовать или не задействовать ЦАП. Ниже рассмотрены три модификации АЦП с использованием ЦАП.

Развертывающий АЦП (рис. 2.14) начинает свою работу с приходом импульса Старт, который обнуляет счетчик импульсов С₄ и взводит триггер Т. Логическая “1” на выходе триггера Т “замыкает” логический ключ Кл, и импульсы с генератора Г начинают поступать на счетный вход счетчика Сч. Двоичный код на выходе Сч монотонно возрастает. С оответственно увеличивается напряжение U_ЦАП. Как только U_ЦАП достигает уровня U_вх, схема сравнения аналоговых сигналов СС формирует короткий импульс, который записывает текущий код с выхода Сч в регистр памяти РП (этот код эквивалентен величине U_вх и является выходным) и сбрасывает триггер Т в состояние логического “0”. Тем самым ключ Кл “размыкается”, завершая цикл преобразования.

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для дешифрации числовых последовательностей, т. е. создания аналогового напряжения (тока), значения которых пропорциональны входным кодам в моменты их поступления. Область применения ЦАП в электронных системах обработки информации не ограничивается устройствами сопряжения цифровых блоков с аналоговыми преобразователями. Используя свойства ЦАП, на их основе строят устройства перемножения цифрового кода на аналоговый сигнал, поданный на вход опорного напряжения. Управление с помощью цифрового кода сопротивлениями резисторов, входящих в состав преобразователя, позволяет построить на базе ЦАП делитель напряжения, коэффициент передачи которого можно изменять программным способом. Таким способом реализованы усилители с программируемыми коэффициентами передачи, перестраиваемые аналоговые фильтры и многие другие устройства с регулируемыми параметрами. В цифровых генераторах форма вырабатываемого напряжения задается программно в виде выходного сигнала ЦАП и может практически реализовать любую функцию.

Возможность получения с помощью ЦАП регулируемого стабильного уровня напряжения, пропорционального входному числовому коду, предопределило их широкое использование в структурах АЦП для преобразования аналогового напряжения в цифровой эквивалент.

Применение ЦАП в различных областях техники обусловило весьма широкой спектр требований к их параметрам и привело к созданию многочисленных разновидностей. Разработано и производится более сотни типов ЦАП, выпускаемых как в виде завершенных микросхем, так и встроенных в электронные приборы и устройства. Можно выделить несколько типичных структур ЦАП, каждая из которых служит основой для построения многих разновидностей преобразователей, отличающихся основными параметрами (разрядностью, временем преобразования, потреблением).

ЦАП классифицируют по различным признакам: назначению и составу, выполняемым функциям, электрическим характеристикам, конструктивно-технологическим и эксплуатационным свойствам. Базовые группы ЦАП определяют в соответствии с принципом действия, структурой и типу основных блоков (рис. 13.9).

Рис.13.9. Основные группы ЦАП

Основы функционирования ЦАП, способы их построения и основные свойства взаимосвязаны. Существенное влияние на структуру оказывает возможность ее реализации в виде ИМС с использованием конкретных технологических приемов.

Представленная в предыдущем разделе структура ЦАП прямого преобразования с параллельной подачей кода одновременно на все переключатели имеет ряд ограничений и недостатков. Одним из основных является формирование взвешенных эталонных токов с использованием прецизионных резисторов, сопротивления которых значительно отличаются. Например, в восьмиразрядном ЦАП номиналы задающих сопротивлений различаются в 128 раз. Если выбрать минимальное значение R_min = R = 5 кОм, то требуется R_max = 640 кОм. При этом резисторы всех номиналов должны иметь одинаковый допуск и стабильность характеристик. В полупроводниковой интегральной технологии изготовление таких элементов сопряжено со значительными трудностями.

На начальном этапе развития указанные ЦАП производились в виде гибридных изделий. Матрица сопротивлений, источник опорного напряжения и операционный усилитель изготавливались по пленочной технологии. Весьма жесткие требования предъявляются в таких схемах и к полупроводниковым переключателям, которые должны иметь высокую стабильность параметров и обладать малыми сопротивлениями в замкнутом состоянии. Наличие суммирующего ОУ и выходного формирователя не позволяют обеспечить достаточно высокое быстродействие.

Направления совершенствования ЦАП прямого преобразования связаны с разработкой структур, имеющих различные диапазоны точностных и эксплуатационных параметров, а также улучшающих технологичность их производства.

Для получения взвешенных эталонных токов была разработана схема последовательного деления напряжения опорного источника, требующия для своей реализации резисторы всего двух номиналов R и 2R (рис.13.10).

Рис.13.10. ЦАП с резистивной матрицей R — 2R

При таких сопротивлениях продольных и поперечных резисторов потенциалы узлов 1, 2, 3 убывают пропорционально 2 – j , т. е. образуется последовательность U_оп, U_оп /2, U_оп /4. Токи в поперечных ветвях также образуют убывающий ряд с коэффициентом 2 – j . В зависимости от положения ключей, управляемых разрядами двоичных чисел, токи поперечных ветвей направляются в суммирующий узел ОУ (при α_q = 1) или замыкаются на корпус (при α_p = 0).

Тип применяемых ключей и технология изготовления оказывает влияние на схемотехнические особенности и определяет параметры преобразователя. Обычно переключатели выполняются с использованием МДП технологии. При этом ключи в каждом разряде образованы парой n-МДП транзисторов. Если α_j = 1, то открыт правый транзистор и разрядный ток идет к точке суммирования, и при α_j = 0 открывается левый транзистор, замыкающий ток на корпус. Реализация ЦАП полностью в n-МДП технологии сталкивается с трудностями создания стабильного ИОН и получения резисторов с достаточно большими сопротивлениями. Типичные значения удельного сопротивления резисторов, формируемых в технологическом МДП процессе, составляют примерно 300 Ом/□ для поликремниевых и 10…100 Ом/□ для диффузионных областей полупроводника. Резисторы с большими номиналами сопротивлений занимают значительные площади. При небольших значениях сопротивлений резистивной матрицы на погрешность начинают существенно влиять соизмеримые с ними нестабильные сопротивления каналов переключательных транзисторов. Источник стабильного опорного напряжения (ИОН) и операционный усилитель часто выполняются по КМОП технологии.

В источниках тока, изготовленных по МДП технологии, в качестве элементов, задающих взвешенные значения токов, применяются сопротивления каналов нагрузочных МДП транзисторов. При этом с увеличением значения сопротивления необходимо пропорционально увеличивать площадь, занимаемую транзистором, что сопряжено с трудностями при реализации ЦАП большой разрядности.

Для повышения быстродействия и точности ЦАП с резистивной матрицей типа R — 2R выполняются по биполярной технологии. При этом используются источники тока на эмиттерных повторителях и переключатели, выполненные по схеме каскада с эмиттерной связью биполярных транзисторов, работающих в ненасыщенном режиме переключения токов. Такие приборы, как правило, изготавливаются без схемы преобразователя ток — напряжение на ОУ, т. е. имеют токовый выход, что обеспечивает высокое быстродействие преобразователя.

Широкое распространение получили ЦАП на основе коммутируемых конденсаторов, изготавливаемых по МДП технологии. Основой таких преобразователей служит матрица конденсаторов, емкости которых удовлетворяют соотношению С_j = 2 j (рис.13.11).

Рис.13.11. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах

Принцип действия преобразователя основан на перераспределении зарядов в системе соединенных конденсаторов. Цикл преобразования состоит из двух фаз. Вначале все переключатели установлены в левую позицию и ключ К_сб замкнут, что приводит к разряду всех конденсаторов. Во второй фазе ключ К_сб размыкается и на ключи подается код α преобразуемого числа. При этом ключи К₃ … К₀ устанавливаются в соответствии со значениями разрядов кода числа. Если значение α_q = 1, то ключ К_j переключается в правое положения, вызывая заряд соответствующего конденсатора от источника опорного напряжения U_оп. При значении α_q = 0 переключатель останется в левом положении, обеспечивая нулевой заряд конденсатора. Суммарный заряд конденсаторов матрицы составит

q =α U_оп С = (2 3 α₃ +2 2 α₂ +2 1 α₁ +2 0 α₀ ) U_опС.

Такой же заряд получает конденсатор С₀, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя. Схема на ОУ выполняет функцию преобразования заряда в напряжение, которое имеет вид

.

Выходное напряжение определяется кодом числа и зависит от отношения емкостей конденсаторов на входе и в обратной связи ОУ. Это является несомненным достоинством ЦАП с коммутируемыми конденсаторами, т. к. отношение емкостей конденсаторов, изготовленных в едином технологическом цикле получается точным и стабильным. К недостаткам преобразователя следует отнести ограниченное время хранения информации вследствие разряда конденсаторов, а также сравнительно большую площадь, занимаемую на кристалле матрицей конденсаторов.

На коммутируемых конденсаторах можно достаточно просто и эффективно реализуется ЦАП с последовательным поразрядным введением кода. Схема ЦАП содержит конденсаторы С₁ и С₂, источник опорного напряжения и коммутаторы, управляемые последовательностью внешних импульсов (рис.13.12).

Рис.13.12. Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах (а) и диаграмма работы (б)

Циклу преобразования предшествует процедура сброса, т. е. разряда конденсаторов при замкнутом ключе К₀. Каждый такт преобразования одного разряда длительностью Т содержит две фазы: в течение первой фазы происходит запись значения очередного разряда числа в виде заряда конденсатора С₁ при разомкнутом ключе К₃, вторая фаза посвящена передаче полученных данных конденсатору С₂ при замкнутом ключе К₃ (ключи К₁ и К₂ при этом разомкнуты). Конденсаторы обычно изготавливают одинаковой емкости С₁ = С₂ = С и при их соединении имеющийся суммарный заряд делится поровну и напряжения выравниваются

.

Входной код поступает последовательно, начиная с младшего разряда через интервалы времени Т и управляет ключами К₁ и К₂ (при α_q = 1 ключ К₁ замкнут и К₂ разомкнут, а при α_p = 0 – положение ключей противоположно). Рассмотрим процесс формирования выходного напряжения, заданного кодом α₃ α₂ α₁ α₀ (например, 1101), по интервалам:

1. при 0 < t/T< 1/2 имеем U₁ = α₀U_оп = U_оп и U₂ = 0,

для 1/2 < t/T< 1 получим U_вых = α₀U_оп/2 = U_оп/2;

1. при 1 < t/T< 3/2 имеем U₁ = α₁U_оп = 0 и U₂ = α₀U_оп/2 = U_оп/2,

для 3/2 < t/T< 2 получим U_вых = U_оп (α₁/2+ α₀/4) = U_оп/4;

1. при 2 < t/T< 5/2 имеем U₁ = α₂U_оп = U_оп и U₂ = (α₁/2+ α₀/4)U_оп = U_оп/4,

для 5/2 < t/T< 3 получим U_вых = U_оп(α₂/2+α₁/4+ α₀/8) = 5U_оп/8; 4) при 3 < t/T< 7/2 имеем U₁ = α₃U_оп = U_оп и U₂ = (α₁/2+ α₀/4)U_оп = 5U_оп/8, для 5/2 < t/T< 3 получим U_вых = U_оп(α₃/2+α₂/4+α₁/8+ α₀/16) = 13U_оп/16. На этом процесс формирования выходного напряжения завершен. В общем виде выходной сигнал можно представить в форме . Разрядность преобразователя не зависит от структуры, а определяется чувствительностью последующего усилителя. Достоинствами ЦАП являются компактность и простота схемы, обеспечивающей монотонность характеристики. В качестве недостатков можно отметить некоторую сложность схемы управления. Следует отметить, что быстродействие последовательных ЦАП значительно ниже, чем параллельных. Преимуществом ЦАП с коммутируемыми конденсаторами является их производство полностью по интегральной МДП технологии. Высокоскоростные компактные ЦАП производятся полностью с использованием интегральной биполярной технологии. Безматричные ЦАП, не содержащие компонентов (резисторов, конденсаторов), базируются на делителях тока, реализованных на паре согласованных транзисторов. Стабильный ток опорного источника I₀ задает эмиттерные токи рабочего и нагрузочного транзисторов, базы которых находятся под одинаковым потенциалом. В силу идентичности транзисторов их коллекторные токи равны половине тока эмиттера. Коллекторный ток рабочего транзистора принимается за эталонный ток старшего разряда. Коллекторный ток нагрузочного транзистора подается в эмиттеры каскада следующего разряда, осуществляющего последовательное деление тока. Сформированный набор взвешенных токов, отличающихся сомножителем 2 j , поступает на выход через коммутатор, которым управляет входной кодовый сигнал α. Для обеспечения высокого быстродействия преобразователя коммутатор реализуется по схеме балансного каскада на биполярных транзисторных, которые работают в ненасыщенном режиме. Цифро-аналоговое преобразование можно осуществить, преобразовав кодовую последовательность в сигнал с широтной модуляцией импульсов и выделив из нее квазипостоянную составляющую с помощью фильтра нижних частот (рис.13.13). Рис.13.13. ЦАП с преобразованием кода в сигнал с ШИМ Схема широтно-импульсного преобразователя реализована на регистре памяти RG, двоичном счетчике СТ, цифровой схеме сравнения К, триггере ТТ и генераторе импульсов ГИ стабильной частоты f. ШИП может работать с числами, представленными как в параллельном, так и в последовательном двоичных кодах. Входной сигнал в виде параллельного кода поступает на вход α регистра и сохраняется в форме выходного параллельного кода Q на время интервала преобразования. Выходные коды счетчика, ведущего подсчет импульсов ГИ, подвергаются поразрядному сравнению цифровым компаратором с кодом, хранящемся в регистре. При совпадении кодов компаратор вырабатывает импульс, сбрасывающий триггер в нулевое состояние. В результате на выходе формируется импульс, длительность которого определяется кодом входного числа t_и = α/f. Обратный переход триггера в единичное состояние происходит при полном заполнении счетчика емкостью N в момент T = N/f . В этот момент производится смена входного кода и процесс преобразования повторяется. Полученная последовательность модулированных по длительности t_и импульсов с периодом повторения T, содержащая спектр модулирующего сигнала, поступает на ФНЧ, полоса пропускания которого выбрана с учетом спектра получаемого аналогового напряжения u₂. Скорость преобразования определяется постоянной времени ФНЧ. Преобразователь может быть использован при подаче последовательного кода числа на вход D регистра. При этом преобразование осуществляется в два этапа. Первый содержит занесение последовательного кода в регистр, т. е. преобразование последовательного кода в параллельный. Затем повторяется описанная выше процедура преобразования параллельного кода в аналоговое напряжение. Приведенная схема преобразователя обычно применяется в микропроцессорных системах с встроенной функцией преобразования выходного кода в ширину импульса. Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП подключены непосредственно к выходам цифровых устройств. Если ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных. В соответствии с типичными значениями основных параметров ЦАП подразделяют на несколько групп: быстродействующие, имеющие время преобразования от долей до десятков наносекунд с преимущественно токовым выходом; микромощные, потребляющие в нормальном режиме десятые доли милливатт, а в экономичном потребление может снижаться более чем на порядок; прецизионные, обладающие повышенной разрядностью (до 24 разрядов) при высокой линейности проходной характеристики. Высокие значения одних параметров, как правило, сопровождаются некоторым ухудшением других характеристик: быстродействующие преобразователи имеют большое потребление, время преобразования микромощных ЦАП достаточно велико и составляет от единиц до десятков микросекунд, при этом те и другие имеют не более 8 …12 разрядов.

1.1. Основные параметры цап

Точность преобразования и качество работы ЦАП характеризуют следующие параметры: относительная разрешающая способность, абсолютная разрешающая способность, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность, скорость преобразования (время одного преобразования) и максимальная частота преобразования.

1. Относительная разрешающая способность

.

Здесь n– количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход АЦП (числоnсоответствует числу разрядных входов ЦАП). Относительная разрешающая способность – это обратная величина от максимального числа уровней квантования.

2. Абсолютная разрешающая способность

,

где – напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному напряжению;– количество ступеней квантования.

Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования

3. Абсолютная погрешность преобразования

показывает максимальное отклонение выходного напряженияв точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы (рис.2). Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах отили же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

4. Нелинейность преобразования ЦАП

определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной (рис. 2) и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

Рис. 2. Пояснения к определению погрешностей преобразования ЦАП

5. Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП

числено равна максимальной разности двух соседних приращений (шагов квантования)

Дифференциальная нелинейность оценивается в младших значащих разрядах и обычно не превышает нескольких единиц младшего разряда.

Младший значащий разряд численно определяет минимальное значение выходного напряжения, т. е. квант напряжения. Для оценки дифференциальной нелинейности в процентах можно воспользоваться выражением

.

6. Время установления выходного напряжения или тока

– интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы. Максимальная частота преобразования– наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.

1.2. Виды цифро-аналоговых преобразователей

Виды ЦАП можно разделить на две группы: с резистивными матрицами и безматричные ЦАП. В ЦАП с резистивными матрицами выходное напряжение получается суммированием токов на прецизионной резисторной матрице. В безматричных ЦАП выходное напряжение получается после прохождения переменного напряжения через фильтр низких частот.

ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (полевые транзисторы), резисторные матрицы и т. д.

Аналоговые элементы, входящие в состав ЦАП, практически полностью определяют его качественные и эксплуатационные параметры, основную роль при этом играют точность подбора номиналов резисторов резисторной матрицы и параметров операционного усилителя (ОУ).

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент усиления по напряжению более тысячи. Он имеет дифференциальный входной каскад, т. е. имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.

Благодаря большому коэффициенту усиления (современные ОУ имеют коэффициент усиления К = 10 5 . 10 6 ) и малым входным токам, усилители, построенные на базе ОУ, обладают уникальными свойствами. В частности, параметры многих устройств определяются только внешними цепями – цепями обратной связи, соединяющими выход ОУ с его входом. Например, коэффициент усиления усилителя, схема которого показана на рис. 3, а, определяется с высокой точностью отношением сопротивлений двух резисторов.

Рис. 3. Схемы усилителей на ОУ:

а) инвертирующий; б) суммирующий усилитель

Если на инвертирующий вход усилителя на ОУ подать сигнал от нескольких источников (рис. 3, б), то выходной сигнал определяется как произведение суммы входных токов на величину сопротивления резистора обратной связи

.

Входной ток от каждого источника определяется как отношение

,

где – сопротивление резистора в цепиi-того входа.

Свойство ОУ суммировать входные токи с последующим преобразованием в напряжение широко используется при построении ЦАП и АЦП. На базе ОУ можно построить компараторы напряжения (сравнивающие устройства). При использовании ОУ в качестве компаратора напряжения на один его вход подается опорное напряжение на второй – напряжение обрабатываемого (преобразуемого) сигнала При соответствующих условиях на выходе компаратора формируется сигнал логической «1», если, и логического «0», если(рис. 4). Шаг квантования обычно выбирается в пределах 510 мВ. Значение опорного напряжения и время установки компаратора зависят от конкретного типа используемой интегральной микросхемы и условий его эксплуатации.

Рис. 4. Схемное обозначение: а) диаграммы напряжений; б) компаратора напряжения

При построении ЦАП и АЦП применяются аналоговые ключи, коммутирующие цепи аналоговых сигналов под воздействием управляющих цифровых сигналов. Токи, коммутируемые электронными аналоговыми ключами, не превышают 10 50 мА. В качестве ключей применяются полевые транзисторы с изолированным затвором. Их основные достоинства заключаются в малом сопротивлении (от единиц до десятков Ом) в открытом состоянии и в том, что вход управления изолирован от коммутируемого сигнала, благодаря чему управление оказывается изолировано от резистивной матрицы.

Рис. 5. Схема простейшего ЦАП

При реализации ЦАП в интегральном исполнении большие трудности вызывает подгонка высокоточных резисторов с сопротивлениями, отличающимися по номиналам друг от друга на несколько порядков. Поэтому, в интегральном исполнении применяются исключи­тель­но резистивная матрицаR – 2R. В прецизионных ЦАП используется лазерная подгонка номиналов резисторов.

В качестве примера работы ЦАП рассмотрим четырехразрядный ЦАП, использующий схему сумми­рования токов на ОУ (рис. 5).

Относительная разрешающая способность рассматриваемого ЦАП:

.

Абсолютная разрешающая способность определяется при известном значении опорного напряжения Наиболее удобными значениямиявляются напряжения, кратные степени двойки, т. е. 10,24 В, 5,12 В, 2,56 В и т. д.

Если принять значение опорного напряжения равным 10,24 В, то абсолютная разрешающая способность () определяется как

Сопротивление резистора в цепи ключа, управляемого старшим разрядом двоичного кода, должно быть в два раза больше сопротивления резистора обратной связи Сопротивление каждого последующего младшего разряда в два раза больше, чем сопротивление соседнего старшего разряда. Отсюда следует, что с увеличением количества разрядов цифровых входов ЦАП резко увеличивается соотношение сопротивлений резисторов нулевого и самого старшего разрядов ():

Если n = 8, то это отношение составляет 256. УвеличениеТможет привести к чрезмерному увеличению сопротивления резистора младшего разряда или же к сильному уменьшению номинала резистора самого старшего разряда. Поэтому ЦАП с резистивной матрицейприменяется при небольшом количестве разрядов (приn < 8). При больших Т затруднительным становится также изготовление резистивных матриц в интегральном исполнении. Известно, что номиналы резисторов в интегральном исполнении не должны превышать50. 100кОм. Поэтому, в ЦАП, выполненных по интегральной технологии, в основном применяются резистивные матрицыR  2R. Функциональная схема ЦАП с матрицейR  2Rпоказана на рис. 6.

Рис 6. Схема ЦАП с резистивной матрицей R  2R

Напряжение на выходе ЦАП (рис. 6) определяется как

Чтобы выполнить условие формирования выходного напряжения в соответствии с двоичным кодом входного числа, необходимо получить равенствотогда

где – коэффициенты равные 0 или 1 в зависимости от состояния ключей (рис. 6)

Дробные члены суммы играют роль весовых коэффициентов, а шаг квантования определяется отношением . На рис. 6 символы «0» и «1» перед электронными ключами показывают на состояние ключа при подаче на цифровые входы ЦАП логического «0» или «1», соответственно. Достоинством данной схемы является то, что источник опорного напряжения всегда включен на одну и ту же нагрузкуR, не зависящую от набранного кода.

ЦАП выпускаются в виде интегральных микросхемы и содержат в своем составе резистивную матрицу R  2R, электронные ключи и резистор обрат­ной связи Для подключения токосуммирующего операционного усили­теля имеются специальные выводы.

1 – выход для подключения инвертирующего выхода ОУ;

2 – вывод для подключения не инвертирующего входа ОУ;

4, …, 13 – цифровые выводы (4 СЗР, 13 МЗР);

14 – вывод для подачи напряжения питания;

15 – вывод для подачи опорного напряжения;

16 – вывод для замыкания отрицательной обратной связи.

Рис. 7. Схема ЦАП на микросхеме КР572ПА1

Схема десятиразрядного ЦАП, построенного на базе ИМС К572ПА1 используемой в работе, показана на рис. 7. ЦАП типа К572ПА1 может управляться кодом, полученным с выходов дискретных интегральных схем типов КМОП и ТТЛ. В последнем случае выходные уровни, соответствующие сигналам уровня логической «1», должны быть повышены путем соединения выходов ТТЛ инверторов с источником питания 5 В через резисторы сопротивлением 2  10 кОм. Непосредственное согласование входных управляющих уровней ЦАП с параметрами сигналов ТТЛ-схем можно достичь путем уменьшения напряжения питания ЦАП до 5 В. Однако при этом возрастает погрешность ЦАП.

Безматричные ЦАП встречаются двух основных типов: преобразователи частота-напряжение и ЦАП с широтно-импульсной модуляцией.

В преобразователе частота-напряжение импульс входного сигнала запускает одновибратор с фиксированным временем импульса. Частота следования импульсов одновибратора получается равной входной частоте. Далее эти импульсы поступают на интегратор с временем интегрирования много больше периода следования импульсов. На выходе интегратора получается усредненное напряжение, которое будет прямо пропорционально входной частоте (рис. 8)

Рис. 8. Функциональная схема преобразователя частота напряжение

В ЦАП с широтно-импульсной модуляцией из цифрового кода формируется широтно-импульсный (ШИМ) сигнал; скважность (отношение времени Т₁к периоду сигналаТ₂) зависит от входного кода. Далее полученный сигнал поступает на интегратор с временем интегрирования много больше периодаТ₂(рис. 9). На выходе интегратора получается усредненное напряжение пропорциональное скважности. ЦАП данного типа отличает малое количество дополнительных элементов. ШИМ сигнал очень удобно формировать при применении микроконтроллеров. Недостатком его является большое время установления выходного напряжения. В силу этого такие ЦАП широко применяются в управляющей аппаратуре когда возникает необходимость получить медленный аналоговый опорный сигнал.

Рис. 9. Функциональная схема ЦАП ШИМ и вид ШИМ сигнала

ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь от «А» до «Я»

Цифровая стереосистема не может обойтись без цифро-аналогового преобразователя (ЦАП’а, DAC’а) – компонента, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал. На сегодня именно digital-направление в Hi-Fi/High End развивается быстрее всего – надеемся, что данная мини-энциклопедия ЦАП’ов послужит надежным подспорьем при выборе техники себе домой.

Что такое ЦАП?

Цифровая музыка записывается хранится в файлах, существует как поток цифровых данных, либо размещается на физических носителях (CD, SACD) — в виде двоичного набора данных. Скажем, компакт-диск записан с измерениями 44 100 раз в секунду (44,1 кГц), каждое из которых сохраняется с точностью 16 бит. Hi-Res треки щеголяют уже разрядностью 24-32 бит, частотой дискретизации 192-768 кГц. Сигнал же, который поступает на предварительные, интегральные или усилители мощности, должен быть аналоговым – то есть, состоящим из тока, напряжения, заряда. Цифро-аналоговый преобразователь – это мостик между «прерывистым» (дискретным) потоком данных в цифре и непрерывными аналоговыми сигналами.

Как работает цифро-аналоговый преобразователь

Большинство ЦАП’ов получают на вход сигнал в импульсно-кодовой модуляции (PCM, что расшифровывается, как pulse-code modulation) или плотностно-импульсной модуляцией (PDM, Pulse Density Modulation), используемой в однобитном потоке данных формата DSD (Direct Stream Digital). Также устройство может принимать сжатые сигналы (скажем, MP3) или пакетные системы данных (например, MQA). Задачей цифро-аналогового преобразователя, все равно, в итоге является перевод «нулей и единиц» в непрерывную аналоговую форму.

Характеристики ЦАП’а

Помимо сугубо профессиональных или нормативных ТТХ, таких, как напряжение питания, статическая характеристика преобразования, статическая нелинейность, смещение нуля и монотонность, в бытовой технике принято обращать внимание на следующие важные характеристики устройства:
— разрядность – то есть, количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
— частота дисктеризации – максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе;
— соотношение «сигнал/шум» или SNR — отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных;
— типы поддерживаемых форматов данных.

Форматы цифровых данных

Как уже упоминалось, цифровые данные (в виде файла или потока трансляции) могут быть различных форматов. Главным тут является тип этих данных по отношению к возможным потерям – таким образом, можно сформировать три основные группы digital-представлений:
— форматы без сжатия данных или «сырые» — сюда относятся WAV, AIFF, RAW, DSD, DXD;
— форматы со сжатием без потерь (APE, FLAC, MQA, WavPack, Monkey’s Audio и другие);
— форматы со сжатием с потерями (MP3, AAC, Vorbis и прочие).

Наилучшими, конечно, являются «сырые» данные. Сжатие без потерь теоретически приближено к ним, но такой подход забирает часть мощностей системы на декодирования – из-за этого в Ultra High End системах принято оперировать именно форматами без сжатия.

Что мы слышим?

Человек номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но предел в 20 000 Гц достаточно условен, с возрастом слух немного снижается – так, большинство взрослых людей распознают звуки только до 16 000 Гц. Тем не менее, частоты в 20 000 Гц, 25 000 Гц и даже выше могут ощущаться через органы осязания. По сути, прослушивая музыку, мы получаем комплексное воздействие на почти все наши органы чувств – отсюда и критически важная значимость в точности передачи всех параметров исходного материала. И реальная работа по улучшению саунда у супертвитеров колонок, которые расширяют полосу воспроизведения.

Виды цифро-аналоговых преобразователей

ЦАП’ы делятся на две большие группы по типу преобразования. Первая из них – последовательные цифро-аналоговые преобразователи, в них входящий сигнал преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно, а для всех разрядов используется одна и та же схема. Такой подход гарантирует компактность, но требует повышения разрядности – так как скорость преобразования обратно пропорциональна ей. В сегменте последовательных ЦАП’ов могут использоваться:
— широтно-импульсные модуляторы: источник тока или напряжения включается на время, а полученная импульсная последовательность фильтруется;
— циклические ЦАП’ы;
— конвейерные ЦАП’ы;
— и, наконец, столь хорошо знакомые всем аудиофилам цифро-аналоговые преобразователи передискретизации – например, дельта-сигма ЦАП’ы.

Передискретизация оказалась настоящим спасением для подобных схем, так как она позволила использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности (ничего себе парадокс). Импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, формируемый отрицательной обратной связью (которая также является фильтром ВЧ, отсекающим шумы квантования), в дельта-сигма ЦАП’ах гарантирует исключительную линейность, а сама система обеспечивает необходимую скорость переключения (сотни тысяч раз в секунду). Чем выше частота передискретизации у таких схем, тем ниже требования к фильтрации НЧ и лучше подавление шумов квантования. И, наконец, дельта-сигма ЦАП’ы весьма дешевы – вот и все секреты их массового распространения!

Вторая группа ЦАП’ов – параллельные цифро-аналоговые преобразователи. Их принцип основан на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда (суммируются только токи разрядов, значения которых равны единице).Эти преобразователи дороже, так как основываются на резистивных матрицах – которые сложны в производстве. В параллельных ЦАП’ах применяются схемы с весовыми источниками тока, весовыми резисторами и многозвенные цепные схемы.

Параллельные ЦАП’ы использую следующие архитектуры (способы формирования итогового аналогового сигнала):
— бинарные, в которых соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2, а веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и так далее, система управляется бинарным кодом;
— унитарные — соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно единице, а управление системой ведется унитарным кодом;
— Фибоначчи – в данном случае сигнал формируется в системе счисления Фибоначчи;
— сегментные – в них цифровой код разделяется на группы, которые обрабатываются независимо.

Вне зависимости от архитектуры, параллельные цифро-аналоговые преобразователи используют элементы, взвешивающие аналоговый сигнал – конденсаторы, резисторы или источники тока. Как правило, применяются конденсаторы, резисторы и транзисторов в роли резисторов, а также транзисторы в режиме насыщения (источники тока).

Параллельные цифро-аналоговые преобразователи разделяются на два типа:
— взвешивающие (каждому биту цифрового сигнала соответствует резистор или источник тока) – достаточно быстрые, но менее точные, так как для функционирования требуется набор различных прецизионных источников или резисторов; их разрядность ограничена восемью битами;
— лестничные (R2R-схемы) – в них значения создаются в матрице (токов или напряжений) постоянного импеданса, набранной из резисторов с сопротивлениями R и 2R.
Использование идентичных элементов существенно повышает точность и увеличивает разрядность – она может достигать 22 бит.

Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?

Принятое и однозначно правильно решение – использовать в стереосистеме Hi-Fi/High End отдельный цифро-аналоговый преобразователь. Действительно, во многих современных интегральных или предварительных усилителях уже есть модуль (или он может быть использован опционально, при конфигурировании устройства при покупке) ЦАП’а. Да еще и, как правило, этот ЦАП будет использовать современный чип с отличными параметрами! Однако, главное в преобразователе – питание и независимость всех схем, а не примененная микросхема (об этом мы расскажем ниже). Поэтому, только отдельный цифро-аналоговый преобразователь обеспечит в вашей системе наилучшие параметры.

Если же рассуждать о преобразовании сигнала в целом, то проблему следует разделить на две части:
— отсутствие поддержки форматов данных – недорогие устройства могут «не уметь» работать с современными сигналами, скажем РСМ 32/768 или DSD256, что доставит неудобства в функционировании;
— набора фирменных «родовых болячек» цифрового звука – прежде всего искажений из-за потери синхронизации (эффекта джиттера, дрожания сигнала) – несоблюдения временных интервалов.

Для устранения первого момента многие производители используют современные преобразующие чипы, для нивелирования второго – работают над улучшением тактования сигнала, вводя прецизионные «часы» — задающие тактовые генераторы.

DSD или PCM?

Если говорить сигналах с разрешением выше, чем у CD, то однозначного ответа при выборе Hi-Res контента нет. Все зависит от мастеринга записи и от параметров самого преобразователя. Формат DSD (Direct Stream Digital) был разработан компанией Sony в противовес PCM и изначально использовался в студиях и при записи дисков Super Audio CD (SACD). Его файловые возможности сегодня, по мнению ряда аудиофилов, превышают параметры, которые выдает даже высокобитрейтный РМС (24-32/768) — широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с одноразрядным кодированием на сверхвысоких частотах иногда может выглядеть лучше. Ряд производителей использует в своих ЦАП’ах схемы с автоматическим переводом всех входящих потоков в DSD-формат, другие, напротив, предпочитают только РСМ-сигналы, считая их более «правильными».

Как выбрать ЦАП?

Определитесь с параметрами приема сигналов, которые вам нужны. В принципе, наверное, сейчас нет смысла приобретать устройство с поддержкой только форматов РСМ 16/44 – Hi-Res уже прочно вошел в нашу жизнь.
Тип преобразователя – самый сложный выбор. На рынке бытовало мнение, что только R2R-системы способны обеспечить настоящее High End качество, однако, в последнее время ряд производителей выпустил революционные устройства на базе обычных дельта-сигма микросхем (например, Lampizator Pacific). Так что, тут все зависит от конечной схемы ЦАП’а — именно она определяет звучание.

Далее, если предполагается использовать стриминг с потоковых музыкальных сервисов, следует обратить внимание на поддержку формата MQA, ориентированным как раз на такие трансляции. Если ваша медиатека состоит из большого числа файлов в DSD – конечно же, цифро-аналоговый преобразователь должен поддерживать такой формат.
В целом, нет смысла гнаться далее за параметрами основной преобразующей микросхемы – многие производители используют старые классические чипы и добиваются от них феноменального звучания. Главное в ЦАП’e – система организации питания, часы и вся прочая «обвязка», которая, по сути, и формирует звук.

На какие параметры ЦАП’а еще обратить внимание?

Во-первых, на архитектуру – балансная архитектура теоретически обеспечивает более высокое качество. Во-вторых – на набор разъемов для подключения. Помимо стандартных «оптики» и коаксиала», сейчас вам обязательно потребуется и USB-интерфейс для проигрывания музыки с компьютера. Если же у ЦАП’а есть выстроенный стример с Ethernet-разъемом и модулем для работы в домашней сети UPnP – будет еще лучше. Немаловажным является и сертификация Roon Ready (об это ниже).

Подключение ЦАП’а к компьютеру

Как уже упоминалось, для прямого вывода музыки с компьютера на ЦАП можно использовать USB-интерфейс. Однако, такое решение явно не будет лучшим, так как «персоналка», по сути, крайне шумное и некачественное для воспроизведения музыки устройство. Для «развязки» прибегают к разным ухищрениям – от установки специальных модифицированных операционных систем на РС – до введения «развязывающих» сигнал интерфейсов (которыми славится, например, компания Sonore). При работе на Mac OS X драйверы для ЦАП’а уже будут включены в ОС, при использовании Windows, возможно, придется скачать пакет с сайта производителя. Далее просто меняется устройство вывода звука в настройках системы – и, вауля!

Софт-плееры для цифро-аналоговых преобразователей

На современном рынке существуют сотни программных плееров для воспроизведения музыки. Мы рекомендуем использовать Roon – этот плеер не только обеспечивает выдающееся звучания, но и умеет автоматически каталогизировать всю вашу медиатеку – и делает это с потрясающей точностью распознавания. Получившейся коллекцией управлять исключительно удобно. В Roon можно также подключись ваши аккаунты в Tidal и других потоковых сервисах, а возможности DSD плеера позволяют использовать самые продвинутые алгоритмы апсемплинга. Если ваш ЦАП имеет сертификацию Roon Ready, Roon распознает его и активирует работу по фирменному RAAT-протоколу, что повысит качество.

Стриминг музыкального сигнала, стримеры и музыкальные серверы

В большинстве случаев, на ЦАП подается поток данных с транспорта или со стримера – устройства, которое принимает цифровой сигнал по сети (Интернет или домашней) и выводит его на преобразователь. При использовании домашней сети распространение получили UPnP-серверы, хранилища музыкальных файлов. Сейчас большое распространение получила новая операционная система Roon ROCK – будучи совершенно бесплатной она может быть использована на платформах типа Intel NUC: в этом случае вы получаете идеальный музыкальный сервер, ядро Roon и отличное звучание в «одном флаконе».

Кабели для подключения ЦАП’ов

Если о влиянии оптических и коаксиальных цифровых кабелей никто не спорит, то по вопросу воздействия USB-кабеля на звук сломано много копий. Увы и ах, тут все не так просто, как при копировании файлов на флешку. В USB-интерфейсе используются два протокола: Bulk (или варианты Control, Interrupt) – он гарантирует доставку, но не гарантирует задержку сигнала и его полосу (применяется для передачи файлов на PC. И Isochronous – в данном случае, наоборот, гарантируется задержка сигнала и его полоса – но не гарантируется доставка. В музыкальных приборах обычно применяется последний вариант – а это значит, что влияние USB-кабеля на звук ничуть не будет отличаться от другого кабеля в системе. Но самое большое влияние на ЦАП оказывают не слаботочные, а сильноточные кабели – сетевые. Мы уже писали, что именно организация питания определяет качество цифро-аналогового преобразователя, так вот, электрический кабель, точно так же, определяет звучание ЦАП’а в вашей системе. Не экономьте на нем.

Недостатки современных ЦАП’ов

Увы, но цифровой звук остается цифровым – «прерывистым». Этот характер распознается на всех системах низкой и средней ценовых категорий. Ультра-дорогие цифровые комплексы класса High End «почти» лишены подобного налета – но, лишь почти. Именно поэтому наилучшее качество звучания на сегодня обеспечивает аналоговая мастер-лента – и винил, который следует за ней. И пока даже ЦАП’ы за $100 000 не могут потягаться с этими форматами.

Как купить ЦАП?

После того, как вы определились с бюджетом и требуемыми параметрами, изучите отзывы и рейтинги на модели, которые попадают в избранную ценовую группу. Пообщайтесь с экспертами на форумах. А после – ступайте на личное прослушивание и, если модель понравилась, просите ее под залог к себе домой на несколько дней. Только так можно будет сделать выводы.

На что обратить внимание при эксплуатации цифро-аналогового преобразователя?

ЦАП’ы достаточно долго прогреваются – хорошие параметры эта техника начинает обеспечивать не менее, чем через 30-40 часов работы, а оптимальные – через 200 часов работы. Будьте готовы к этому. В процессе эксплуатации не следует допускать перегрева устройства – располагать технику в проблемных для теплоотведения местах. Для улучшения звучания на верхнюю панель ЦАП’а можно положить утяжеляющий груз. Собственно, на этом хитрости заканчиваются.

Примеры цифро-аналоговых преобразователей в различных ценовых категориях

Parasound Z-dac v2 (53 400 руб.) основан на схемах Texas Instruments TAS1020B (USB Streaming Controller), Analog Devices AD1895 (Sample Rate Converter) и Analog Devices AD1853 (D to A Converter).

Chord Electronics Qutest (135 400 руб.) – в устройстве применена схема Xilinx Artix 7 (XC7A15T) FPGA, аппарат поддерживает РСМ 32/768 и DSD512.

Mytek Brooklyn DAC+ (275 000 руб.) использует чип Sabre 9028 Pro 32/384 и поддерживает DSD до DSD256.

MSB Reference (3 199 999 руб.) – пример высокотехнологичного устройства: 4 гибридных мультибитных модуля c эффективyым разрешением 28,5 бит на канал (384 кГц), цифровой фильтр Shark DSP 80 бит, сверхстабильный тактовый генератор Femto 140 Clock.

Audio Note Fifth Element (12 300 300 руб.) – один из самых дорогих ЦАП’ов в мире, построенный на базе классического R2R-чипа Analog Devices AD1865N, ламп 1 x 5814a, 1 x 6463, 1 x EF800, 1 x 6X5 и полностью серебряных трансформаторов.

Денис Репин

24 мая 2020 года