Краткое описание методов Ц/А преобразования (незаконченое…)


По заказу Древнего Юзера делал такую краткую статейку, но никак нет времени дописать так что смотрите что есть, как появится время допишу

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ Ц/А ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
1 часть

В этой статье я постараюсь в стислой форме описать методы ц/а пробразования используемые в промышленных цап для формата CDDA.

1. Интегрирующий ЦАП (Integration DAC)
Структурная схема данного цап изображена на рис 1.

ris1

рис 1

Данный цап содержит счетчики для 8МЗР и 8СЗР, 2 ГСТ, управление УВХ,итд.
Принцып роботы данного цап заключается в зарядке двумя ГСТ (с соотношением тока 1:256) в соответствии с входними даными внешнего интегратора за время меньшее периода дискретизации. В начале периода преобразования конденсатор C разряжается через ключ на ПТ, время зарядки зависит от входных данных. Выходной сигнал данного цап представляет собой АИМ сигнал.

Достоинства:

  • малые искажения.
  • прекрасная дифференциальная и интегральная линейность.
  • отсутствие глитча (практически).

Недостатки:

  • очень высокие тактовые частоты (прямая связь между частотой дискретизации и тактовой частотой).
  • большая потребляемая мощность.

На рис2 изображена внутреная структура, а на рис3 схема включения цап двойного интегрирования CX20152 фирмы Sony.

ris2

рис 2

Даный цап производится по ЭСЛ технологии, тактовая частота 67,7376Мгц (1536fs,fs=44,1кГц),
содержит тактовый генератор, делитель тактовой частоты на 4 для тактирования ЦФ и ДСП, преобразователь ТТЛ-ЭСЛ, счетчики для 8МЗР и 8СЗР, 2 ГСТ, управление УВХ итд. При тактовой частоте 67,7376Мгц он способен преобразовать 2 канала с часотой дискретизации 88,2кГц.

ris3

рис 3

Представители: CX20017, CX20133, CX20152, TD6709, TD6720.

2. Делитель Кельвина (String DAC)
Структурная схема данного цап изображена на рис 4.

ris4

рис 4

N разрядный цап данной структуры содержит 2^N последовательно соединенных резисторов одинакового номинала (если необходимо сделать нелинейное преобразование например по u или A закону номиналы резисторов будут разными). Выходное напряжение формируется путем замыкания одного из 2N ключей после декодирования Nразрядных даных. Токовый вариант данной структуры (рис 5) называется полнодекодированным цап (fully-decoded dac) или термометр (thermometer dac) и используется в более сложных структурах.

ris5

рис 5

Достоинства:

  • малые искажения при переходе через середину шкалы.
  • прекрасная дифференциальная линейность.
  • монотонный (даже если сопротивление одного из резисторов матрицы будет равно нулю Vn не может превышать Vn+1).
  • малый и кодонезависимый глитч (любая смена кода сопровождается переключением всего двух ключей).
  • выход по напряжению.

Недостатки:

  • большая интегральная нелинейность (требуется большая точность сопротивлений резисторов).
  • многоразрядные цап требуют огромного количества резисторов и ключей.
  • выходное сопротивление кодозависимое.

Поэтому данний тип цап в основном используется в более сложных структурах, пример LC7881 фирмы Sanyo (CXD1161P Sony).
Структура данного 16 битового цап изображена на рис6,

ris6

рис 6

старшие 9бит обрабатываются делителем Кельвина, состоящий из 512 (2^9) последовательно соединенных резисторов одного номинала, после декодирования старших 9разрядов 2 уровня вых. напряжения (V1 и V2)подаются на ШИМ цап который попеременно комутирует эти два напряжения в соответствии с 3средними битами (10,11,12). Младшие 4бит подаются на цап сдвига уровня (level shifting dac), представляющий из себя 2 переменных резистора соединенных последовательно с обоих концов делителя Кельвина. В зависимости от 4младших бит сопротивления этих резисторов синхронно меняются, (их сума остается неизменной, увеличение верхнего-уменьшение нижнего итд) с шагом R/128 (где R-сопротивление резисторов в делителе Кельвина), что обеспечивает сдвиг уровня напряжения V1 и V2.

Представители: TC9250,uPD63210,uPD6376,LC7881 (LC78815, LC78816, LC78817), CXD1161P, DAC85xx

3.ЦАП с плавающей точкой (Floating point DAC)
Внутренняя структура данного цап изображена на рис7.

ris7

рис 7

Сперва входные данные преобразуются из целочисленных в данные с плавающей точкой посредством регистров сдвига и подаются соответственно на мантисса и экспонента цап. Мантисса входных данных преобразуется в аналоговую форму посредством R-2R матрицы, результирующие напряжение которого подается на экспонент цап (цап сдвига уровня) представляющий собой r-2r матрицу которая перемножает
напряжение с мантисса цап на коэффициент 2^-n (где n=0,1,2,3…) (зависимый от значения экспоненты и опорного напряжения VM). Зависимость искажений от уровня сигнала (при линейности мантисса и экспонента цап 2^-16) пилообразного вида до уровня в -36дб и далее монотонно увеличивается (рис8).

рис 8

Достоинства:

  • малые искажения слабых сигналов
  • малый глитч

Недостатки:

  • трудность обеспечения точности экспонента цап боле 10-12бит

На рис9 изображена внутреная структура, а на рис10 схема включения 16 битного цап YAC512 фирмі Yamaha,

ris9

рис 9

ris10

рис 10

состоящего из преобразователя последовательно-параллельно, источника опорного напряжения, сдвиговых регистров, цап мантисса и экспонента и ключей УВХ.

Представители: YM3015, YM3020, YAC512, PT8215

4. Взвешенная матрица 1-2-4-8… (Binary weighted DAC)
Структурная схема данного цап изображена на рис 11.

ris11

рис 11

N разрядный цап данной структуры содержит N взвешенных резисторов или ГСТ с коэффициентами 1-2-4-8…2^N-1. Так как номиналы резисторов весьма сильно отличаются (для 16битового цап если СЗР 10ом то МЗР 327,68кОм) обеспечить точность очень трудно, поэтому как высокоразрядный данный тип цап не применяется. Для такого цап условие дифнелинейность=+-0.5МЗР означает условие монотонности.

Достоинства:

  • независмость токов разрядов друг от друга

Недостатки:

  • невозможно обеспечить точность выше 10-12бит.

На рис12 изображена схема включения 16 битного цап TDA1543 фирмі Philips,

ris12

рис 12

состоящего из преобразователя последовательно-паралельно, регистров, ГСТ, 5битовой резисторной матрици и 11битовый транзисторной (2048 транзисторов). Максимально возможная 4х кратная передискретизация. Так как питание у данного цап однополярное 5 вольтовое, токовый выход должен быть под потенциалом примерно половина питания.

Представители: TDA1543, TDA1543A.

5. Взвешенная матрица 1-2-4-8… с динамической подстройкой элементов (Dynamic Element Matching DAC)
В цап типа взвешенная матрица (Binary weighted DAC) сопротивление резистора (или ток ГСТ) каждого последующего разряда должно быть в два разы больше предыдущего, из за конечной точности сопротивлений резисторов обеспечить ровно в 2 раза больший ток каждого последующего разряда невозможно и поэтому невозможно сделать высокоразрядный цап с хорошей дифференциальной и интегральной линейностью. Но эту проблему удается решить в цап с динамической подстройкой элементов (DEM DAC) обязаный обеспечить хорошую точность схемотехнически а не технологически (подстройка резисторов матрици). Принцып работы DEM ячейки изображен на рис 13

ris13

рис 13

и заключается в делении опорного тока 2I резистивным делителем в практически эквивалентные токи I1 и I2 которые динамически перемежаются и после усреднения получаются одинаковыми с большой точностью.

Достоинства:

  • прекрасная дифференциальная и интегральная линейность.
  • отсутствие подстройки

Недостатки:

  • наличие внешних элементов
  • относительно высокое напряжение питания

На рис. 14 изображена структура взвешенной матрицы используемой в TDA1541(А)

ris14

рис 14

состоящая из DEM ячеек делющих опорный ток на 4 одинаковых тока перемежающиеся с частотой 250кгц, 2 з 4 выходных токов сумируются и составляют ток старшего разряда (СЗР), 3 вых. ток формирует следующий разряд (СЗР-1) а 4 вых. ток направлен в следующую DEM ячейку для получения тока 13 и 14 разряда, аналогично формируются токи 12 и 11разрядов. 4вых. ток с последней DEM ячейки направлен в пассивный транзисторный делитель формирующий 10 младших разрядов (1024транзистора).
На рис. 15 изображена внутренная структура 16 битного ЦАПа TDA1541(А).

ris15

рис 15

Представители: TDA1540, TDA1541, TDA1541A.

6. Взвешенная матрица 1-2-4-8… с непрерывной калибровкой (Continuous calibration DAC)

Достоинства:

  • независимость токов разрядов друг от друга
  • прекрасная дифференциальная и интегральная линейность.
  • отсутствие подстройки
  • микропотребление

Недостатки:

  • из за позиционирования производителем данных цап у портативную технику и уменьшения собестоимости максимум на что способен данный тип цап не был достигнут.

Представители: TDA1310, TDA1311, TDA1312, TDA1313, TDA1306, TDA1386, TDA1387, TDA1545A.

7. Резистивная матрица R-2R
Представители: PT8211
8. Резистивная матрица R-2R (Segmented DAC)
Представители: PCM52, PCM53, PCM54, PCM55, PCM56, PCM58, PCM61, PCM1700, PCM1701, AD1851, AD1856, AD1860, AD1861, AD1864, AD1865, AD1862, AD1868 итд
9. Резистивная матрица R-2R (Sign Magnitude DAC)
Представители: PCM63, PCM1702, PCM1704, TDA1314

Литература:

"Прямо или косвенно, но все вопросы, связанные со звуком, должны решаться ухом как органом слуха: оспаривать заключения, которые даются ухом уже не приходится" лорд Рэлей (Дж. У. Стретт)