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.

Описание принципов работы АЦП и ЦАП (аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового)

Современная электроника отличается высокой продуктивностью за счет использования микроконтроллеров и процессоров, работающих с цифровыми сигналами по программным алгоритмам. Но многие датчики, микрофоны и сенсоры генерируют аналоговые сигналы. Например, звук и другие электрические колебания имеют аналоговую структуру. Поэтому для ввода информации в микроконтроллер очень часто требуется преобразователь (АЦП). Для вывода цифровых кодов на аналоговую нагрузку необходимо преобразование (ЦАП). Вместе с экспертами компании подробнее рассмотрим назначение и принцип действия ЦАП и АЦП.

Описание принципов работы АЦП и ЦАП (аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового)

Свойства аналоговых сигналов и цифровой информации

Под понятием аналогового сигнала понимается действующее значение напряжения, которое быстро или медленно меняется по закону непрерывной функции. Это может быть синусоидальный или импульсный сигнал, плавно изменяющийся или имеющий резкие перепады. Форма его может быть:

  • с периодическим изменением полярности — переменный сигнал;
  • не меняющийся направлением тока — постоянный.

Цифровой сигнал представляет собой последовательные пакеты дискретных величин напряжения, соответствующие определенным цифровым значениям. Он может состоять из совокупности сигналов, передающихся одновременно по нескольким линиям, которые называются шиной. Чем больше количество линий в шине, тем большую плотность информации он может содержать.

Преобразование цифровых и аналоговых данных

Преобразование ЦАП происходит следующим образом:

  1. Цифровой сигнал подается на специальный контроллер.
  2. Программа распознавания цифровых значений работает по определенному алгоритму, который называется протоколом.
  3. Контроллер подключает набор резисторов, образующих делитель напряжения, в зависимости от команд, содержащихся в системе, после обработки сигнала согласно протоколу.
  4. С выхода делителя напряжения, образованного ключами , после фильтрации высокочастотных составляющих, требуемый аналоговый сигнал подается на вход усилителя или повторителя.

Линии ввода данных микроконтроллеров не могут считывать информацию с аналоговых сигналов, но в некоторых микроконтроллерах есть встроенные АЦП. Если их нет, а функция конвертации аналогового сигнала в цифровой необходима, то используются специальные микросхемы АЦП. Их принцип работы схож с ЦАП, только в обратной последовательности.

Последовательная же шина цифрового интерфейса имеет только одну линию потока постоянно меняющихся данных. Для надежной распознаваемости цифровых значений она имеет еще одну дополнительную линию синхронизации. Пример такого интерфейса — USB 2.0. Для преобразования из линии передачи в аналоговые сигналы медиаданных используются специальные контроллеры ЦАП. Например, в:

  • наушниках Bluetooth;
  • звонках;
  • музыкальных проигрывателях цифровых носителей информации;
  • исполнительных устройствах «умного» дома и пр.

Аналоговый сигнал передается всегда только по одной линии, при этом подвергается воздействиям помех. Передача цифрового сигнала не вносит искажений такого характера. Помехи и сбои цифрового интерфейса могут проявляться только временными задержками. На качество самого сигнала влияет градация преобразования. И только незначительные искажения вносятся системой преобразования.

Обратная связь

Похожие статьи

Как регулировать яркость DIP светодиода

Как регулировать яркость DIP светодиода

Светодиод — это полупроводник, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику. Поэтому для решения задачи как регулировать яркость светодиода потребуется специальное устройство — светодиодный диметр. Подробнее ➜

Оптрон: технические характеристики и основные параметры

Оптрон: технические характеристики и основные параметры

Характеристики и области применения — в статье от экспертов «ЗУМ-СМД». Подробнее ➜

Основные области применения алюминиевых конденсаторов

Основные области применения алюминиевых конденсаторов

Алюминиевые конденсаторы представляют собой электролитические полярные пассивные компоненты, обладающие относительно большой емкостью при малых габаритах. При этом их стоимость, по сравнению с многими аналогами, ниже. Поэтому алюминиевые конденсаторы находят применение во многих областях электроники и электротехники. Подробнее ➜

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 *