После цифровой фильтрации передискретизированные данные вводятся в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), задача которого — преобразование полученных входных данных в аналоговый выходной сигнал. Мультибитные ЦАПы, работающие по схеме R/2R (внутри находится резисторная схема лестничного типа), считаются наиболее распостраненными. Каждая «ступенька лестницы» соответствует одному разряду двоичного кода. То есть 16-разрядный ЦАП имеет 16 ступенек сопротивлений, которые обеспечивают 65536 возможных входных кодов. Поступающие на вход данные действуют как переключатели ступенек. Бинарная «единичка» замыкает соответствующий разрядный ключ и пропускает ток через сопротивление, «ноль» — ключ разомкнут, ток не течет. Выходной ток ЦАПа определяется входным цифровым кодом.
Эквивалентное значение сопротивления каждой ступени составляет половину сопротивления соседней ступени. Сопротивление задаёт «вес» бита, определяя силу тока, протекающего через «ключ».
LSB (Least Significant Bit) – младший двоичный разряд, имеющий самый низкий вес.
MSB (Most Significant Bit) – старший двоичный разряд, — самый высокий вес.
При движении от LSB к MSB каждый последующий бит должен вырабатывать ровно вдвое больший ток, чем предыдущий. Токи последовательного ряда ступеней образуют геометрическую прогрессию с шагом 2.
Точность сопротивлений резисторов имеет решающее значение, любое отклонение от номиналов приводит к тому, что вес соответствующего бита становится больше или меньше, чем необходимо. Подобные ошибки веса бита приводят к плохой линейности (уровень выходного аналогового сигнала не соответствует входной цифровой последовательности). Идеальный линейный ЦАП создаёт выходной сигнал полностью соответствующий цифровому входу. Если на ЦАП подаётся код, соответствующий синусоидальному сигналу с уровнем -90дБ, то и аналогичный выходной сигнал должен иметь уровень на 90дБ ниже уровня конечной точки шкалы, принимаемой за 0дБ. Нелинейный ЦАП создаст иной выдной уровень, например -93дБ или -86дБ. Ошибки линейности возникают, как правило, на низких уровнях сигнала.
Еще один фактор, влияющий на линейность — значение MSB. Оно должно быть равно по значению сумме всех остальных битов плюс единица. Когда происходит переход через уровень, равный половине максимального, то все биты, кроме старшего, переключаются из состояния, когда они все единицы, в состояние, когда они все — нули. Старший бит, наоборот, становится единицой. Получить значение MSB подобным образом довольно трудно, поэтому его регулируют потенциометром, расположенным на плате рядом с ЦАП’ом. После сборки ЦАП’а специалист измеряет дифференциальную линейность и регулирует подстроечный резистор MSB для получения наименьшего значения ошибки нелинейности. Значение MSB регулируется таким образом, чтобы оно превышало сумму остальных разрядов ровно на одну ступень квантования.
Если MSB настроен неправильно или под влиянием различных факторов нарушается калибровка, то появляются искажения, называемые искажениями пересечения нуля. Поскольку MSB представляет половину размаха сигнала, переход MSB происходит в точке, где сигнал имеет нулевое значение. Любое нарушение непрерывности создаёт искажение формы сигнала в точке пересечения нуля. Это самое плохое место для искажений: небольшие по амплитуде сигналы — например, реверберационный процесс — изменяются вблизи точки пересечения нуля. Кроме того, искажения пересечения нуля очень велики по сравнению с амплитудой сигналов низкого уровня. В результате, они могут вызывать значительные искажения формы низкоуровневых сигналов.
Некоторые ЦАП’ы не нуждаются в регулировке MSB: они или откалиброваны в заводских условиях, или сдвигают переключение при пересечении нуля в область сигналов большего уровня, где влияние ошибки MSB не так велико. Оба метода обеспечивают хорошую линейность при отсутствии подстройки; такие ЦАП’ы не страдают от неправильной калибровки или её нарушением с течением времени.
Семейство ЦАП’ов от “UltraAnalog” — пример преобразователей, которые прецизионно калибруются при изготовлении и не нуждаются в подстроечном резисторе для MSB. Калибровка выполняется путём измерения ступеней квантования и впайки в резисторную матрицу дополнительных прецизионных резисторов, обеспечивающих точное соответствие сопротивлений требуемым значениям. Эта операция проводится для каждого ЦАП’а. В ЦАП’ах “BurrBrown” (PCM63, PCM1702 и PCM1704) используют второй метод — сдвиг переключения MSB в сторону от нулевого уровня.
Некоторые микросхемы ЦАП’ов поставляются с различными классами точности, зависящими от линейности или наличия искажений. Например, “Philips” TDA1541 имеет три класса точности: “R” — умеренная точность, “S” — стандартная и “S1” — наивысшая. “BurrBrown PCM63” доступен в трёх модификациях с обозначением “PK” для микросхем самого высокого качества. Несмотря на то, что все ЦАП’ы с одинаковым номером серии делаются идентичным образом, производственные допуски приводят к изменениям параметров микросхем.
Еще одной проблемой цифро-аналогового преобразователя является джиттер (ема джиттера будет раскрыта отдельно, оставайтесь на нашей волне) тактовых импульсов. ЦАП «узнает», когда преобразовывать цифровой входной код в аналоговый по тактовому импульсу. Временная нестабильность (джиттер) тактовых импульсов приводит к тому, что преобразование звуковых отсчётов в аналоговую форму происходит в «неправильный» момент времени. В результате качество звука понижается.
Неплохо написано,но
1)Это статья конкретно о цапах,построенных на R\2R матрице. Так что название как-нибудь бы поправить
2)Это не соответствует реалиям : считаются наиболее распостраненными.
Сейчас больше всего используются дельта-сигмы.
Согласен. Только "дельта-сигмы" (они же "однобитники") или, как более правильно говорить, ЦАП'ы с передискретизацией, сейчас более популярны из-за дешевизны технологии производства. В своем следующем посте я их отдельно рассмотрю. R/2R используется для мультибитников. Спасибо за комментарий, сейчас добавлю пояснение в статью.
Статья была бы актуальна году в 98м. Сейчас такие цап сняты с производства повсеместно. Маркетинг сделал свое подлое дело..