En electrónica , un convertidor de digital a analógico ( DAC , D / A , D2A o D-to-A ) es un sistema que convierte una señal digital en una señal analógica . Un convertidor de analógico a digital (ADC) realiza la función inversa.
Hay varias arquitecturas DAC ; la idoneidad de un DAC para una aplicación particular está determinada por cifras 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 comúnmente 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 video digital en señales de video analógicas . Estas dos aplicaciones utilizan DAC en extremos opuestos del compromiso de frecuencia / resolución. El DAC de audio es del tipo de baja frecuencia y alta resolución, mientras que el DAC de video es del tipo de resolución baja a media de alta frecuencia.
Debido a la complejidad y la necesidad de componentes que coincidan con precisión , todos los DAC, excepto los más especializados, se implementan como circuitos integrados (IC). Por lo general, adoptan la forma de chips de circuitos integrados de señal mixta de semiconductores de óxido de metal (MOS) que integran circuitos analógicos y digitales .
Los DAC discretos (circuitos construidos a partir de múltiples componentes electrónicos discretos en lugar de un IC empaquetado) suelen ser tipos de alta velocidad y baja resolución que consumen mucha energía, como se usa en los sistemas de radar militares . Los equipos de prueba de muy alta velocidad, especialmente los osciloscopios de muestreo , también pueden usar DAC discretos.
Descripción general
Un DAC convierte un número abstracto de precisión finita (generalmente un número binario de punto fijo ) en una cantidad física (por ejemplo, un voltaje o una presión ). En particular, los DAC se utilizan a menudo para convertir datos de series de tiempo de precisión finita en una señal física que varía continuamente .
Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon , un DAC puede reconstruir la señal original a partir de los datos muestreados siempre que su ancho de banda cumpla con ciertos requisitos (por ejemplo, una señal de banda base con un ancho de banda menor que la frecuencia de Nyquist ). El muestreo digital introduce un error de cuantificación ("error de redondeo") que se manifiesta como ruido de bajo nivel en la señal reconstruida.
Aplicaciones
Los DAC y ADC son parte de una tecnología habilitadora que ha contribuido en gran medida a la revolución digital . Para ilustrarlo, considere una llamada telefónica típica de larga distancia. 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 digital se extraen de los paquetes y se ensamblan en un flujo de datos digitales. Un DAC vuelve a convertir esto en una señal eléctrica analógica, que impulsa un amplificador de audio , que a su vez impulsa un altavoz , que finalmente produce sonido.
Audio
La mayoría de las señales de audio modernas se almacenan en formato digital (por ejemplo, MP3 y CD ) y, para que se escuchen a través de los altavoces, deben convertirse en una señal analógica. Por lo tanto, los DAC se encuentran en reproductores de CD , reproductores de música digital y tarjetas de sonido para PC .
Los DAC independientes especializados también se pueden encontrar en sistemas de alta fidelidad de gama alta . Estos normalmente toman la salida digital de un reproductor de CD compatible o transporte dedicado (que es básicamente un reproductor de CD sin DAC interno) y convierten la señal en una salida de nivel de línea analógica que luego se puede alimentar a un amplificador para controlar los altavoces.
Se pueden encontrar convertidores de digital a analógico similares en altavoces digitales , como altavoces USB , y en tarjetas de sonido .
En las aplicaciones de voz sobre IP , la fuente debe primero digitalizarse para la transmisión, por lo que se somete a conversión a través de un ADC y luego se reconstruye en analógico utilizando un DAC en el extremo de la parte receptora.
Video
El muestreo de video tiende a funcionar en una escala completamente diferente gracias a la respuesta altamente no lineal tanto de los tubos de rayos catódicos (para los cuales se apuntó a la gran mayoría del trabajo de base de video digital) como del ojo humano, utilizando 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 usar RAMDAC en aplicaciones de video por computadora con una resolución de color lo suficientemente profunda para hacer que la ingeniería un valor codificado en el DAC para cada nivel de salida de cada canal sea impráctico o Sega Genesis requeriría 24 de esos valores; una tarjeta de video de 24 bits necesitaría 768 ...). Dada esta distorsión inherente, no es inusual que un televisor o proyector de video reclame con sinceridad una relación de contraste lineal (diferencia entre los niveles de salida más oscuro y más brillante) de 1000: 1 o mayor, equivalente a 10 bits de precisión de audio, aunque solo sea posible. Acepte señales con precisión de 8 bits y utilice un panel LCD que solo represente 6 o 7 bits por canal.
Las señales de video 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, se incorpora un DAC de video en cualquier reproductor de video digital con salidas analógicas. El DAC generalmente está integrado con algo de memoria ( RAM ), que contiene tablas de conversión para corrección de gamma , contraste y brillo, para hacer un dispositivo llamado RAMDAC .
Un dispositivo que está relacionado lejanamente con el DAC es el potenciómetro controlado digitalmente , usado para controlar una señal analógica digitalmente.
Mecánico
Un actuador mecánico de un bit asume 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 flujo libre 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 que permiten la generación de señales de transmisión definidas digitalmente. Los DAC de alta velocidad se utilizan para comunicaciones móviles y los DAC de ultra alta velocidad se emplean en sistemas de comunicaciones ópticas .
Tipos
Los tipos más comunes de DAC electrónicos son: [2]
- El modulador de ancho de pulso donde una corriente o voltaje estable se cambia a un filtro analógico de paso bajo con una duración determinada por el código de entrada digital. Esta técnica se utiliza a menudo para controlar la velocidad de los motores eléctricos y atenuar las lámparas LED .
- Los DAC de sobremuestreo o los DAC de interpolación, como los que emplean modulación delta-sigma , utilizan una técnica de conversión de densidad de pulso con sobremuestreo . Se pueden alcanzar velocidades de más de 100 mil muestras por segundo (por ejemplo, 192 kHz) y resoluciones de 24 bits con los DAC delta-sigma.
- El DAC con ponderación binaria, que contiene componentes eléctricos individuales para cada bit del DAC conectado a un punto de suma, generalmente un amplificador operacional . Cada entrada en la suma tiene valores de potencias de dos con la mayor parte de la corriente o voltaje en el bit más significativo . Estos voltajes o corrientes precisos se suman al valor de salida correcto. Este es uno de los métodos de conversión más rápidos, pero adolece de poca precisión debido a la alta precisión requerida para cada voltaje o corriente individual. [3] Este tipo de convertidor suele estar limitado a una resolución de 8 bits o menos. [ cita requerida ]
- El DAC de resistencia conmutada contiene una red de resistencia en paralelo. Las resistencias individuales se habilitan o anulan en la red según la entrada digital.
- Fuente de corriente conmutada DAC, de la cual se seleccionan diferentes fuentes de corriente en función de la entrada digital.
- El DAC de condensador conmutado contiene una red de condensadores en paralelo. Los condensadores individuales se conectan o desconectan con interruptores basados en la entrada.
- El DAC de escalera R-2R, que es un DAC de ponderación binaria que utiliza una estructura repetida en cascada de valores de resistencia R y 2R. Esto mejora la precisión debido a la relativa facilidad de producir resistencias de igual valor.
- 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 codificado por termómetro , que contiene una resistencia igual o un segmento de fuente de corriente para cada valor posible de salida del DAC. Un termómetro DAC de 8 bits tendría 255 segmentos, y un termómetro DAC de 16 bits tendría 65,535 segmentos. Esta es una arquitectura DAC rápida y de la más alta precisión, pero a costa de requerir muchos componentes que, para implementaciones prácticas, la fabricación requiere procesos de CI de alta densidad . [5]
- DAC híbridos, que utilizan una combinación de las técnicas anteriores en un solo convertidor. La mayoría de los circuitos integrados DAC son de este tipo debido a la dificultad de conseguir bajo costo, alta velocidad y alta precisión en un solo dispositivo.
- El DAC segmentado, que combina el principio codificado 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 la precisión (mediante el uso del principio codificado por termómetro) y el número de resistencias o fuentes de corriente (mediante el uso del principio de ponderación binaria). El diseño completo con ponderación binaria significa 0% de segmentación, el diseño completo codificado por termómetro significa 100% de segmentación.
- La mayoría de los DAC que se muestran en esta lista se basan en un voltaje o corriente de referencia constante para crear su valor de salida. Alternativamente, un DAC [6] multiplicador toma un voltaje o corriente de entrada variable como referencia de conversión. Esto impone restricciones de diseño adicionales al ancho de banda del circuito de conversión.
- Los DAC modernos de alta velocidad tienen una arquitectura intercalada, en la que se utilizan varios 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 posibles niveles de salida que el DAC está diseñado para reproducir. Por lo general, se indica 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 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 video y la profundidad de bits de audio en aplicaciones de audio.
- Máxima velocidad de muestreo
- La velocidad máxima a la que los circuitos del DAC pueden funcionar y seguir produciendo una salida correcta. El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon define una relación entre esto y el ancho de banda de la señal muestreada.
- Monotonicidad
- La capacidad de la salida analógica de un DAC para moverse solo en la dirección en la que se mueve la entrada digital (es decir, si la entrada aumenta, la salida no cae antes de afirmar la salida correcta). Esta característica es muy importante para los DAC utilizados como baja -fuente de señal de frecuencia o como elemento de ajuste programable digitalmente. [ cita requerida ]
- Distorsión armónica total y ruido (THD + N)
- Una medida de la distorsión y el ruido introducidos a la señal por el DAC. Se expresa como un porcentaje de la potencia total de distorsión armónica no deseada y ruido que acompaña a la señal deseada.
- Gama dinámica
- Una medida de la diferencia entre las señales más grandes y más pequeñas que el DAC puede reproducir expresada en decibelios . Esto suele estar relacionado con la resolución y el ruido de fondo .
Otras mediciones, como la distorsión de fase y la fluctuación de fase , 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 intercambia una mayor distorsión de cuantificación de señales fuertes por un mejor rendimiento de señales silenciosas.
Figuras de merito
- Rendimiento estático:
- La no linealidad diferencial (DNL) muestra cuánto se desvían dos valores analógicos de código adyacente del paso ideal de 1 LSB. [8]
- La no linealidad integral (INL) muestra cuánto se desvía la característica de transferencia DAC de una ideal. Es decir, la característica ideal suele ser una línea recta; 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 compensación [8]
- En última instancia, el ruido está limitado por el ruido térmico generado por componentes pasivos como resistencias. Para aplicaciones de audio y a temperatura ambiente, dicho ruido suele ser un poco menos de 1 μV (microvoltio) de ruido blanco . Esto limita el rendimiento a menos de 20 ~ 21 bits incluso en DAC de 24 bits.
- Rendimiento en el dominio de la frecuencia
- El rango dinámico libre de espurios (SFDR) indica en dB la relación entre las potencias de la señal principal convertida y el mayor impulso 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 estímulos 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 inferior a 1 LSB, se garantiza que el convertidor D / A será monótono. Sin embargo, muchos convertidores monótonos pueden tener un DNL máximo superior a 1 LSB. [8]
- Rendimiento en el dominio del tiempo:
- Área de impulso de falla (energía de falla) [8]
Ver también
- I²S : interfaz en serie para audio digital
Referencias
- ↑ Brian Brumfield (2 de septiembre de 2014). "Reparación de Selectric Entrada 10-3A: Teclado" - a través de YouTube.
- ^ "Arquitecturas de conversión de datos" (PDF) . Conversión analógico-digital . Dispositivos analógicos . Archivado (PDF) desde el original el 30 de agosto de 2017 . Consultado el 30 de agosto de 2017 .
- ^ "Resistencia ponderada binaria DAC" . Tutorial de electrónica . Consultado el 25 de septiembre de 2018 .
- ^ "Arquitecturas de conversión de datos" , p. 3.29.
- ^ Walt Kester, Arquitecturas básicas de DAC I: DAC de cadena y DAC de termómetro (totalmente decodificados) (PDF) , dispositivos analógicos
- ^ "Multiplicar DAC: bloques de construcción flexibles" (PDF) . Dispositivos analógicos . 2010 . Consultado el 29 de marzo de 2012 .
- ^ Schmidt, Christian (2020). Conceptos de entrelazado para convertidores de digital a analógico: algoritmos, modelos, simulaciones y experimentos . Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden. doi : 10.1007 / 978-3-658-27264-7 . ISBN 9783658272630.
- ^ a b c d e f g h yo "Glosario de ADC y DAC" . Máxima. Archivado desde el original el 8 de marzo de 2007.
Otras lecturas
- Kester, Walt (2005), Manual de conversión de datos , 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 .
- Behzad Razavi , Principios del diseño de sistemas de conversión de datos . ISBN 0-7803-1093-4 .
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, Diseño de circuitos analógicos CMOS . ISBN 0-19-511644-5 .
- Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales . ISBN 0-13-014991-8 .
- A Anand Kumar, Fundamentos de circuitos digitales . ISBN 81-203-1745-9 , ISBN 978-81-203-1745-1 .
- 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
