Цифро_аналоговое_преобразование_ЦАП

1.

Цифро-аналоговое
преобразование
(ЦАП)
МПО 9-22-2: Баталов Е. М.,

2.

СОДЕРЖАНИЕ
01
Цифро-аналоговое преобразование: общие сведения
02
Ключевые параметры ЦАП
03
Принцип работы ЦАП
04
Классификация ЦАП
05
Формирование ступенчатого сигнала
06
Восстановление аналогового сигнала
07
Погрешности и искажения ЦАП
08
Применение ЦАП
09
Заключение

3.

ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ЦАП — это устройство, которое переводит цифровой сигнал (набор нулей и единиц) в
аналоговый (непрерывное напряжение или ток). Цифровой сигнал удобен для хранения и
обработки, но в реальном мире нам нужен аналоговый - например, чтобы динамик
воспроизвёл звук или монитор показал изображение. Именно ЦАП является мостом между
цифровым миром и реальностью. Без него не работали бы наушники, телевизоры,
музыкальные плееры и многие другие устройства.

4.

КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП
У любого ЦАП есть несколько важных характеристик.
Разрядность - показывает, сколько уровней
напряжения может выдать ЦАП. Например, 8битный ЦАП даёт 256 уровней, а 16-битный уже 65536. Чем больше разрядность, тем точнее
сигнал.
Частота дискретизации - сколько раз в секунду
ЦАП выдаёт новое значение напряжения. Чем
выше частота, тем лучше воспроизводится
высокочастотный сигнал.
Отношение сигнал/шум (SNR) - показывает
насколько «чистый» выходной сигнал по
сравнению с помехами. Чем выше SNR, тем
качественнее работает ЦАП.

5.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЦАП
Работа ЦАП основана на простой идее: каждый бит входного кода отвечает за определённый уровень
напряжения на выходе. Входной двоичный код подаётся на схему, которая суммирует взвешенные
напряжения от каждого бита. Старший бит (MSB) имеет наибольший вес, младший (LSB) - наименьший. В
итоге на выходе получается напряжение, пропорциональное входному числу. Например, если на входе
код 1010, то выходное напряжение будет соответствовать десятичному числу 10 из возможного
диапазона.

6.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЦАП
Существует несколько основных типов ЦАП. ЦАП на взвешенных резисторах — самая
простая схема, где каждый бит подключён через свой резистор. Простой, но не очень точный
при большой разрядности. ЦАП на R-2R лестнице — использует только два номинала
резисторов (R и 2R), что делает его более точным и популярным на практике. Дельта-сигма
ЦАП — работает на высокой частоте с одним битом, но за счёт усреднения даёт очень
высокую точность. Используется в аудиотехнике высокого класса.

7.

СХЕМА КЛАССИФИКАЦИИ ЦАП
ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ
ШИМ
НА
КОНДЕНСАТОРАХ
СИГМАДЕЛЬТА
ЦИФРОВЫЕ
ПОТЕНЦИОМЕТРЫ
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ
С СУММИРОВАНИЕМ
НАПРЯЖЕНИЯ
С СУММИРОВАНИЕМ
РАЗРЯДОВ
С СУММИРОВАНИЕМ
ТОКОВ
НА МОП-КЛЮЧАХ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ
КАСКАДЫ
НА ИСТОЧНИКАХ
ТОКА

8.

ФОРМИРОВАНИЕ СТУПЕНЧАТОГО СИГНАЛА
Когда ЦАП преобразует цифровой сигнал, на выходе
сначала получается не плавная кривая, а ступенчатый
сигнал. Это происходит потому, что ЦАП обновляет
выходное напряжение не постоянно, а через равные
промежутки времени - периоды дискретизации. Между
обновлениями напряжение остаётся постоянным, из-за
чего и появляются «ступеньки». Чем выше частота
дискретизации и чем больше разрядность, тем мельче
ступеньки и тем ближе сигнал к оригинальному
аналоговому. Ступенчатый сигнал — это промежуточный
результат, который ещё нужно сгладить.

9.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА
Чтобы убрать ступеньки и получить плавный аналоговый сигнал, на выходе ЦАП ставят фильтр нижних
частот (ФНЧ). Этот фильтр пропускает только низкие частоты и срезает высокочастотные скачки,
которые и создают ступенчатость. В основе лежит теорема Котельникова-Найквиста: для точного
восстановления сигнала частота дискретизации должна быть минимум в 2 раза выше максимальной
частоты самого сигнала. Например, для звука до 20 кГц нужна дискретизация не менее 40 кГц. Именно
поэтому в аудио стандартом стало 44,1 кГц.

10.

ПОГРЕШНОСТИ И ИСКАЖЕНИЯ ЦАП
Ни один ЦАП не работает идеально всегда есть погрешности. Ошибка
квантования — возникает из-за того, что
непрерывный сигнал округляется до
ближайшего дискретного уровня. Это
неизбежная погрешность, уменьшается с
ростом разрядности. Нелинейность —
реальные резисторы и элементы схемы
не идеальны, поэтому шаги между
уровнями могут быть неравномерными.
Джиттер — небольшие случайные
отклонения в тактировании, из-за
которых момент обновления сигнала
чуть сдвигается. В аудио это слышно как
лёгкие искажения звука.

11.

ПРИМЕНЕНИЕ ЦАП
ЦАП используется практически везде, где цифровое устройство взаимодействует с реальным миром.
В аудиотехнике - смартфоны, наушники, колонки, музыкальные плееры преобразуют цифровой звук в
аналоговый сигнал для динамиков.
В медицине - кардиографы и другие приборы выводят данные датчиков на экран или бумагу.
В промышленности - контроллеры управляют двигателями и приводами через аналоговые сигналы. В
телекоммуникациях - модемы и радиопередатчики формируют аналоговый сигнал для передачи по
каналам связи.

12.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЦАП - важнейший элемент современной электроники, без которого невозможно представить ни одно
устройство, взаимодействующее с окружающим миром.
Мы разобрали принцип работы, основные типы, ключевые параметры и этапы преобразования сигнала от ступенчатого до восстановленного аналогового.
Качество работы ЦАП напрямую влияет на то, насколько точно цифровое устройство передаёт
информацию в реальный мир.
С ростом разрядности и частоты дискретизации ЦАП становятся всё точнее, что открывает новые
возможности в аудио, медицине, промышленности и связи.

13.

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ