デジタル-アナログコンバーター

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サウンドカードで使用される8チャンネルCirrusLogicCS4382デジタル-アナログコンバーター

エレクトロニクスではデジタル-アナログコンバーターDACD / AD2A、またはD-to-A)は、デジタル信号アナログ信号に変換するシステムです。アナログ-デジタルコンバータ(ADC)は逆の機能を実行します。

いくつかのDACアーキテクチャがあります; 特定のアプリケーションに対するDACの適合性は、分解能、最大サンプリング周波数などの性能指数によって決まります。デジタルからアナログへの変換は信号を劣化させる可能性があるため、アプリケーションの観点から重要でないエラーがあるDACを指定する必要があります。

DACは、デジタルデータストリームをアナログオーディオ信号に変換するために音楽プレーヤーで一般的に使用されます。また、テレビ携帯電話でデジタルビデオデータをアナログビデオ信号に変換するためにも使用されますこれらの2つのアプリケーションは、周波数/分解能のトレードオフの両端でDACを使用します。オーディオDACは低周波、高解像度タイプであり、ビデオDACは高周波低中解像度タイプです。

複雑で正確に一致するコンポーネントが必要なため、最も特殊なDACを除くすべてが集積回路(IC)として実装されています。これらは通常、アナログ回路とデジタル回路の両方を統合する金属酸化物半導体(MOS)ミックスドシグナル集積回路チップの形をとります。

ディスクリートDAC(パッケージ化されたICではなく複数のディスクリート電子部品で構成された回路)は、通常、軍用レーダーシステムで使用されるように、非常に高速で低解像度の電力を大量に消費するタイプです。非常に高速なテスト機器、特にサンプリングオシロスコープも、ディスクリートDACを使用する場合があります。

概要

サンプリングされた信号。

DACは、抽象的な有限精度の数値(通常は固定小数点の 2進数)を物理量(電圧圧力など)に変換します。特に、DACは、有限精度の時系列データを継続的に変化する物理信号に変換するためによく使用されます。

ナイキスト-シャノンサンプリング定理に従って、DACは、その帯域幅が特定の要件(たとえば、ナイキスト周波数未満の帯域幅を持つベースバンド信号)を満たしている場合、サンプリングされたデータから元の信号を再構築できます。デジタルサンプリングは、再構成された信号に低レベルのノイズとして現れる量子化誤差(丸め誤差)をもたらします。

アプリケーション

8ビットDACの簡略化された機能図

DACとADCは、デジタル革命に大きく貢献した実現技術の一部です。説明のために、典型的な長距離電話を考えてみましょう。発信者の声はマイクによってアナログ電気信号に変換され、次にアナログ信号はADCによってデジタルストリームに変換されます。次に、デジタルストリームはネットワークパケットに分割され、他のデジタルデータと一緒に送信されます。、必ずしもオーディオではありません。その後、パケットは宛先で受信されますが、各パケットは完全に異なるルートをたどり、正しい時間順序で宛先に到着しない場合もあります。次に、デジタル音声データがパケットから抽出され、デジタルデータストリームにアセンブルされます。DACはこれをアナログ電気信号に変換し直し、オーディオアンプを駆動します。オーディオアンプはスピーカーを駆動し、最終的にサウンドを生成します。

オーディオ

トップローディングCDプレーヤーと外部デジタル-アナログコンバーター。

最新のオーディオ信号のほとんどはデジタル形式(MP3CDなど)で保存されており、スピーカーで聞くには、アナログ信号に変換する必要があります。したがって、DACは、CDプレーヤーデジタル音楽プレーヤー、およびPCサウンドカードに含まれています。

スペシャリストのスタンドアロンDACは、ハイエンドのhi-fiシステムにも搭載されています。これらは通常、互換性のあるCDプレーヤーまたは専用トランスポート(基本的には内部DACのないCDプレーヤー)のデジタル出力を受け取り、信号をアナログ ラインレベル出力に変換し、アンプに供給してスピーカーを駆動します。

同様のデジタル-アナログコンバーターは、 USBスピーカーなどのデジタルスピーカーサウンドカードにあります。

ボイスオーバーIPアプリケーションでは、ソースは最初に送信用にデジタル化する必要があるため、ADCを介して変換され、受信側でDACを使用してアナログに再構築されます。

ビデオ

ビデオサンプリングは、ブラウン管(デジタルビデオの基礎作業の大部分が対象)と人間の目の両方の高度に非線形な応答のおかげで、完全に異なるスケールで機能する傾向があり、「ガンマカーブ」を使用してディスプレイのダイナミックレンジ全体に均等に分散された輝度ステップの外観-したがって、RAMDACを使用する必要があります各チャネルの各出力レベルのDACにハードコードされた値を設計するのに十分な色解像度のコンピュータビデオアプリケーションでは、実用的ではありません(たとえば、AtariSTまたはSegaGenesisでは24の値が必要ですが、24ビットのビデオカードでは768が必要です。 ..)。この固有の歪みを考えると、テレビやビデオプロジェクターが、1000:1以上の線形コントラスト比(最も暗い出力レベルと最も明るい出力レベルの差)を正直に主張することは珍しくありません。 8ビット精度の信号を受け入れ、チャネルあたり6ビットまたは7ビットのみを表すLCDパネルを使用します。

コンピューターなどのデジタルソースからのビデオ信号をアナログモニターに表示するには、アナログ形式に変換する必要があります。2007年現在、アナログ入力はデジタルよりも一般的に使用されていましたが、 DVIおよび/またはHDMI接続を備えたフラットパネルディスプレイが普及するにつれて、これは変化しました。[要出典]ただし、ビデオDACは、アナログ出力を備えたデジタルビデオプレーヤーに組み込まれています。DACは通常、 RAMDACと呼ばれるデバイスを作成するために、ガンマ補正、コントラスト、および明るさの変換テーブルを含むメモリRAM )と統合されています。

DACと遠縁のデバイスは、アナログ信号をデジタル制御するために使用される デジタル制御ポテンショメータです。

メカニカル

IBM Selectricタイプライターは、機械的なデジタル-アナログコンバーターを使用してタイプボールを制御します。

1ビットの機械式アクチュエータは2つの位置を想定しています。1つはオンのとき、もう1つはオフのときです。いくつかの1ビットアクチュエータの動きをホイップルツリーメカニズムと組み合わせて重み付けすることで、より細かいステップを生成できます。IBMSelectricタイプライターはそのようなシステムを使用します。[1]

コミュニケーション

DACは、デジタル定義の伝送信号の生成を可能にする最新の通信システムで広く使用されています。高速DACは移動体通信に使用され、超高速DACは光通信システムに使用されます。

タイプ

最も一般的なタイプの電子DACは次のとおりです。[2]

  • 安定した電流または電圧がデジタル入力コードによって決定された持続時間のローパスアナログフィルターに切り替えられるパルス幅変調器。この手法は、電気モーターの速度制御やLEDランプの調光によく使用されます。
  • オーバーサンプリングDACまたはデルタシグマ変調を採用しているような補間DACは、オーバーサンプリングを使用したパルス密度変換技術を使用します。デルタシグマDACを使用すると、1秒あたり10万サンプルを超える速度(たとえば、192 kHz)と24ビットの分解能を実現できます。
  • 加算点に接続されたDACの各ビットの個々の電気部品を含むバイナリ加重DAC、通常はオペアンプ合計の各入力には2の累乗の値があり、最上位ビットに最大の電流または電圧がありますこれらの正確な電圧または電流の合計が正しい出力値になります。これは最速の変換方法の1つですが、個々の電圧または電流に必要な高精度のため、精度が低くなります。[3]このタイプのコンバーターは通常、8ビット以下の分解能に制限されています。[要出典]
    • スイッチド抵抗DACには、並列抵抗ネットワークが含まれています。個々の抵抗は、デジタル入力に基づいてネットワークで有効またはバイパスされます。
    • デジタル入力に基づいてさまざまな電流源が選択されるスイッチド電流源DAC。
    • スイッチトキャパシDACには、パラレルコンデンサネットワークが含まれています。個々のコンデンサは、入力に基づいてスイッチで接続または切断されます。
    • R-2RラダーDACは、抵抗値Rと2Rのカスケードカスケード構造を繰り返すバイナリ加重DACです。これにより、値が一致する等しい抵抗を比較的簡単に製造できるため、精度が向上します。
  • 逐次比較またはサイクリックDAC [4]は、各サイクル中に出力を連続的に構築します。デジタル入力の個々のビットは、入力全体が考慮されるまで、サイクルごとに処理されます。
  • 温度計でコード化されたDAC。DAC出力の可能な値ごとに等しい抵抗または電流源セグメントが含まれています。8ビットの温度計DACには255のセグメントがあり、16ビットの温度計DACには65,535のセグメントがあります。これは高速で最高精度のDACアーキテクチャですが、多くのコンポーネントが必要になるという犠牲を払っており、実際の実装では、製造には高密度ICプロセスが必要です。[5]
  • 単一のコンバーターで上記の手法を組み合わせて使用​​するハイブリッドDAC。ほとんどのDAC集積回路は、1つのデバイスで低コスト、高速、高精度を実現することが難しいため、このタイプです。
    • セグメント化されたDAC。これは、最上位ビットの温度計でコード化された原理と、最下位ビットのバイナリ加重原理を組み合わせたものです。このようにして、精度(温度計でコード化された原理を使用)と抵抗または電流源の数(バイナリ加重の原理を使用)の間で妥協点が得られます。完全なバイナリ加重設計は0%のセグメンテーションを意味し、完全な温度計でコード化された設計は100%のセグメンテーションを意味します。
  • このリストに示されているほとんどのDACは、一定の基準電圧または電流に依存して出力値を作成します。あるいは、乗算DAC [6]は、変換基準として可変入力電圧または電流を取ります。これにより、変換回路の帯域幅に追加の設計上の制約が課せられます。
  • 最新の高速DACは、複数のDACコアが並列に使用されるインターリーブアーキテクチャを備えています。それらの出力信号は、アナログドメインで結合され、結合されたDACのパフォーマンスを向上させます。[7]信号の組み合わせは、時間領域または周波数領域のいずれかで実行できます。

パフォーマンス

DACの最も重要な特性は次のとおりです。[要出典]

解像度
DACが再現するように設計されている可能な出力レベルの数。これは通常、使用するビット数として表されます。これは、レベル数の2進対数です。たとえば、1ビットDACは2(2 1)レベルを再生するように設計されていますが、8ビットDACは256(2 8)レベル用に設計されています。分解能は、DACによって達成される実際の分解能の測定値である有効ビット数に関連しています。解像度は、ビデオアプリケーションの色深度とオーディオアプリケーションのオーディオビット深度を決定します。
最大サンプリングレート
DAC回路が動作し、それでも正しい出力を生成できる最大速度。ナイキスト-シャノンサンプリング定理は、これとサンプリングされた信号の帯域幅との関係を定義します。
単調性
DACのアナログ出力がデジタル入力が移動する方向にのみ移動する能力(つまり、入力が増加しても、正しい出力をアサートする前に出力がディップすることはありません)。この特性は、ローとして使用されるDACにとって非常に重要です。 -周波数信号源またはデジタルプログラム可能なトリム要素として。[要出典]
全高調波歪みとノイズ(THD + N)
DACによって信号に導入された歪みとノイズの測定。これは、目的の信号に伴う不要な高調波歪みとノイズの合計電力のパーセンテージとして表されます。
ダイナミックレンジ
DACが再現できる最大信号と最小信号の差の測定値をデシベルで表したもの。これは通常、解像度とノイズフロアに関連しています。

位相歪みジッターなどの他の測定値も、一部のアプリケーションにとって非常に重要である可能性があり、その一部(ワイヤレスデータ伝送、コンポジットビデオなど)は、位相調整信号の正確な生成に 依存する場合もあります。

非線形PCMエンコーディング(A-law /μ-law、ADPCM、NICAM)は、各データビットで表される出力信号強度間の対数ステップサイズを使用して、有効なダイナミックレンジを改善しようとします。これにより、大きな信号の量子化歪みが大きくなり、静かな信号のパフォーマンスが向上します。

性能指数

  • 静的パフォーマンス:
    • 微分非直線性(DNL)は、2つの隣接するコードアナログ値が理想的な1LSBステップからどれだけ逸脱しているかを示します。[8]
    • 積分非直線性(INL)は、DAC伝達特性が理想的な特性からどれだけ逸脱しているかを示します。つまり、理想的な特性は通常直線です。INLは、特定のコード値での実際の電圧がそのラインとどの程度異なるかをLSB単位(1 LSBステップ)で示します。[8]
    • ゲインエラー[8]
    • オフセットエラー[8]
    • ノイズは、抵抗などのパッシブコンポーネントによって生成される熱ノイズによって最終的に制限されます。オーディオアプリケーションおよび室温では、このようなノイズは通常、 1μV(マイクロボルト)弱のホワイトノイズです。これにより、24ビットDACでもパフォーマンスが20〜21ビット未満に制限されます。 
  • 周波数領域のパフォーマンス
    • スプリアスフリーダイナミックレンジ(SFDR)は、変換されたメイン信号のパワーと最大の不要なスプリアスの比率をdB単位で示します。[8]
    • 信号対雑音比(SINAD)は、変換された主信号のパワーと、ノイズおよび生成された高調波スプリアスの合計との比率をdB単位で示します[8]。
    • i次高調波歪み(HDi)は、変換された主信号のi次高調波のパワーを示します
    • 全高調波歪み(THD)は、入力信号のすべての高調波のパワーの合計です[8]
    • 最大DNLが1LSB未満の場合、D/Aコンバーターは単調であることが保証されます。ただし、多くの単調コンバーターの最大DNLは1LSBを超える場合があります。[8]
  • 時間領域のパフォーマンス:
    • グリッチインパルス領域(グリッチエネルギー)[8]

も参照してください

  • I²S– デジタルオーディオ用のシリアルインターフェース

参照

  1. ^ Brian Brumfield(2014-09-02)。「電気修理10-3A入力:キーボード」2015年12月29日にオリジナルからアーカイブ–YouTube経由。
  2. ^ 「データコンバータアーキテクチャ」(PDF)アナログ-デジタル変換アナログ・デバイセズ2017年8月30日のオリジナルからアーカイブ(PDF)2017年8月30日取得
  3. ^ 「バイナリ加重抵抗DAC」エレクトロニクスチュートリアル2018年9月25日取得
  4. ^ 「データコンバータアーキテクチャ」、p。3.29。
  5. ^ Walt Kester、基本的なDACアーキテクチャI:ストリングDACおよび温度計(完全にデコードされた)DAC(PDF)アナログデバイス
  6. ^ 「DACの乗算:柔軟なビルディングブロック」(PDF)アナログ・デバイセズ2010 2012年3月29日取得
  7. ^ シュミット、クリスチャン(2020)。デジタル-アナログコンバーターのインターリーブの概念:アルゴリズム、モデル、シミュレーション、実験ヴィースバーデン:SpringerFachmedienWiesbaden。土井10.1007/978-3-658-27264-7ISBN 9783658272630S2CID199586286 _
  8. ^ a b c d e f ghi 「 ADCおよび DAC 用語集」マキシム。2007年3月8日にオリジナルからアーカイブされました。

さらに読む

外部リンク