Digital to Analog Converter ทำงานอย่างไร?

เนื้อหา

• การทำงานของตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นเสียง
• การสอน ADC และ DAC
• สูตรการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อก
• สถาปัตยกรรมของ ADC
• การทำงานของ Digital to Analog Converter
• การประยุกต์ใช้งานของผู้แปลง

อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ที่คุณใช้ในชีวิตประจำวันของคุณจำเป็นต้องแปลงข้อมูลและแหล่งอินพุตให้เป็นรูปแบบอื่น สำหรับอุปกรณ์เสียงดิจิตอลวิธีที่ไฟล์ MP3 สร้างเสียงขึ้นอยู่กับการแปลงระหว่างรูปแบบข้อมูลแบบอะนาล็อกและดิจิตอล ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (DAC) เหล่านี้ใช้ข้อมูลดิจิตอลอินพุตและแปลงเป็นสัญญาณเสียงอะนาล็อกเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้

การทำงานของตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นเสียง

เสียงที่อุปกรณ์เครื่องเสียงเหล่านี้ผลิตเป็นรูปแบบอนาล็อกของข้อมูลอินพุตแบบดิจิทัล ตัวแปลงเหล่านี้ช่วยให้สามารถแปลงเสียงจากรูปแบบดิจิตอลซึ่งเป็นประเภทเสียงที่ใช้งานง่ายซึ่งคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เป็นรูปแบบแอนะล็อกซึ่งสร้างขึ้นจากแรงดันอากาศที่สร้างเสียงเอง

DACs ใช้เลขฐานสองของรูปแบบเสียงดิจิตอลและเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าแบบอะนาล็อกหรือกระแสที่เมื่อทำไปตลอดเส้นทางของเพลงสามารถสร้างคลื่นเสียงที่แสดงถึงสัญญาณดิจิทัล มันสร้างเวอร์ชั่นแอนะล็อกของเสียงดิจิตอลใน "ขั้นตอน" ของการอ่านดิจิตอลแต่ละครั้ง

ก่อนที่จะสร้างเสียง DAC จะสร้างคลื่นขั้นบันได นี่เป็นคลื่นที่มี "กระโดด" เล็ก ๆ ระหว่างการอ่านดิจิทัลแต่ละครั้ง ในการแปลงการกระโดดเหล่านี้เป็นการอ่านแบบอะนาล็อกที่ราบรื่นและต่อเนื่อง DAC จะใช้การแก้ไข นี่เป็นวิธีการดูสองจุดที่อยู่ติดกันบนคลื่นขั้นบันไดและพิจารณาค่าที่อยู่ระหว่างกัน

ทำให้เสียงราบรื่นและผิดเพี้ยนน้อยลง DACs ส่งสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ที่ปรับให้เรียบเป็นรูปคลื่นต่อเนื่อง ตรงกันข้ามกับ DAC ไมโครโฟนที่รับสัญญาณเสียงใช้ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) เพื่อสร้างสัญญาณดิจิตอล

การสอน ADC และ DAC

ในขณะที่ DAC แปลงสัญญาณไบนารีดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาล็อกเช่นแรงดันไฟฟ้า ADC ทำหน้าที่สลับกลับ ใช้แหล่งสัญญาณอะนาล็อกแล้วแปลงเป็นดิจิตอล ใช้ร่วมกันสำหรับ DAC ตัวแปลงและตัวแปลง ADC สามารถรวมส่วนใหญ่ของเทคโนโลยีด้านวิศวกรรมเสียงและการบันทึก วิธีที่พวกเขาใช้ทั้งสองสร้างขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันในเทคโนโลยีการสื่อสารที่คุณสามารถเรียนรู้ได้จากการสอน ADC และ DAC

เช่นเดียวกับที่นักแปลอาจแปลงคำเป็นคำอื่น ๆ ระหว่างภาษา ADC และ DAC ทำงานร่วมกันเพื่อให้ผู้คนสื่อสารกันในระยะทางไกล เมื่อคุณโทรหาใครบางคนทางโทรศัพท์เสียงของคุณจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาล็อกด้วยไมโครโฟน

จากนั้น ADC จะแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล กระแสดิจิตอลจะถูกส่งผ่านแพ็คเก็ตเครือข่ายและเมื่อถึงปลายทางพวกเขาจะแปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาล็อกโดย DAC

การออกแบบเหล่านี้จะต้องคำนึงถึงคุณสมบัติของการสื่อสารผ่าน ADC และ DAC จำนวนการวัดที่ DAC ใช้ในแต่ละวินาทีคืออัตราตัวอย่างหรือความถี่การสุ่มตัวอย่าง อัตราการสุ่มตัวอย่างที่สูงขึ้นทำให้อุปกรณ์มีความแม่นยำมากขึ้น วิศวกรต้องสร้างอุปกรณ์ที่มีบอทจำนวนมากซึ่งเป็นตัวแทนของขั้นตอนที่ใช้ดังที่อธิบายไว้ข้างต้นเพื่อเป็นตัวแทนของแรงดันไฟฟ้า ณ เวลาที่กำหนด

ยิ่งขั้นตอนมากความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้น คุณสามารถกำหนดความละเอียดได้โดยนำ 2 ถึงกำลังของจำนวนบิตของ DAC หรือ ADC ที่สร้างสัญญาณอนาล็อกหรือดิจิตอลตามลำดับ สำหรับ ADC 8 บิตความละเอียดจะเป็น 256 ขั้นตอน

สูตรการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อก

••• Syed Hussain Ather

ตัวแปลง DAC เปลี่ยนไบนารีเป็นค่าแรงดันไฟฟ้า ค่านี้เป็นเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าตามที่เห็นในแผนภาพด้านบน คุณสามารถคำนวณแรงดันขาออกเป็น V_ออก = (V₄G₄ + V₃G₃ + V₂G₂ + V₁G₁) / (G₄ + กรัม₃ + กรัม₂ + กรัม₁) สำหรับแรงดันไฟฟ้า V ในแต่ละตัวลดทอนสัญญาณและตัวนำ G ของตัวลดทอนแต่ละตัว ตัวลดทอนสัญญาณเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการสร้างสัญญาณอนาล็อกเพื่อลดการบิดเบือน พวกมันเชื่อมต่อกันแบบขนานดังนั้นตัวนำแต่ละตัวจะรวมกันด้วยวิธีนี้ผ่านสูตรแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อก

คุณสามารถใช้ได้ ทฤษฎีบทของ Thevenins เพื่อเชื่อมโยงความต้านทานของตัวลดทอนแต่ละตัวกับความนำไฟฟ้า Thevenin ความต้านทาน คือ R_{เสื้อ} = 1 / (G₁ + กรัม₂ + กรัม₃ + กรัม₄). ทฤษฎีบทของ Thevenins กล่าวว่า "วงจรเชิงเส้นใด ๆ ที่มีแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานหลายตัวสามารถถูกแทนที่ด้วยแรงดันไฟฟ้าเดียวในซีรีส์ที่มีความต้านทานเดี่ยวเชื่อมต่อข้ามโหลด" สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถคำนวณปริมาณจากวงจรที่ซับซ้อนราวกับว่าเป็นวงจรแบบง่าย

จำไว้ว่าคุณยังสามารถใช้ กฎหมายของโอห์ม V = IR สำหรับแรงดันไฟฟ้า V, ปัจจุบัน ผม และความต้านทาน R เมื่อต้องรับมือกับวงจรเหล่านี้และสูตรแปลงดิจิตอลเป็นอะนาล็อก หากคุณทราบความต้านทานของตัวแปลง DAC คุณสามารถใช้วงจรที่มีตัวแปลง DAC เพื่อวัดแรงดันขาออกหรือกระแส

สถาปัตยกรรมของ ADC

มีความนิยมมากมาย สถาปัตยกรรมของ ADC เช่นการลงทะเบียนประมาณต่อเนื่อง (SAR), Delta-Sigma (∆∑) และตัวแปลงไปป์ไลน์ SAR เปลี่ยนสัญญาณอะนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลโดย "ถือ" สัญญาณ นี่หมายถึงการค้นหารูปแบบของคลื่นอะนาล็อกอย่างต่อเนื่องผ่านการค้นหาแบบไบนารี่ที่มองผ่านระดับการวัดที่เป็นไปได้ทั้งหมดก่อนที่จะค้นหาเอาต์พุตดิจิตอลสำหรับการแปลง

ควอน เป็นวิธีการแมปชุดค่าอินพุตขนาดใหญ่จากรูปคลื่นต่อเนื่องไปยังค่าเอาต์พุตที่มีจำนวนน้อยกว่า SAR ADC โดยทั่วไปใช้งานง่ายด้วยการใช้พลังงานที่ต่ำกว่าและมีความแม่นยำสูง

การออกแบบ Delta-Sigma ค้นหาค่าเฉลี่ยของกลุ่มตัวอย่างในช่วงเวลาที่ใช้เป็นสัญญาณดิจิตอลอินพุต ค่าเฉลี่ยของความแตกต่างในช่วงเวลาของสัญญาณจะแสดงโดยใช้สัญลักษณ์กรีกเดลต้า (∆) และซิกม่า (∑) ทำให้ชื่อของมัน วิธีการของ ADC นี้มีความละเอียดสูงและมีความเสถียรสูงด้วยการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายต่ำ

สุดท้าย ตัวแปลงท่อ ใช้สองขั้นตอนที่ "ถือ" เหมือนวิธี SAR และสัญญาณผ่านขั้นตอนต่าง ๆ เช่นแฟลช ADC และตัวลดทอนสัญญาณ ADC แฟลชเปรียบเทียบสัญญาณแรงดันไฟฟ้าอินพุตแต่ละตัวอย่างในเวลาเพียงเล็กน้อยกับแรงดันอ้างอิงเพื่อสร้างเอาต์พุตดิจิตอลไบนารี โดยทั่วไปสัญญาณไปป์ไลน์นั้นจะมีแบนด์วิดท์สูงกว่า แต่ก็มีความละเอียดที่ต่ำกว่าและต้องการพลังในการทำงานมากกว่า

การทำงานของ Digital to Analog Converter

หนึ่งในการออกแบบ DAC ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายก็คือ เครือข่าย R-2R. วิธีนี้ใช้ค่าตัวต้านทานสองค่าโดยมีค่าใหญ่เป็นสองเท่า สิ่งนี้ทำให้สเกล R-2R เป็นวิธีการใช้ตัวต้านทานเพื่อลดทอนและแปลงสัญญาณดิจิตอลอินพุตและทำให้ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกทำงานได้อย่างง่ายดาย

ตัวต้านทานแบบไบนารีถ่วงน้ำหนัก เป็นอีกตัวอย่างทั่วไปของ DAC อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ตัวต้านทานที่มีเอาต์พุตที่ตรงกับตัวต้านทานเดี่ยวที่สรุปค่าความต้านทาน ส่วนที่สำคัญกว่าของกระแสดิจิตอลอินพุตจะให้กระแสเอาต์พุตที่มากขึ้น บิตของความละเอียดนี้มากขึ้นจะช่วยให้กระแสเพิ่มเติมไหลผ่าน

การประยุกต์ใช้งานของผู้แปลง

MP3 และ CD เก็บสัญญาณเสียงในรูปแบบดิจิตอล ซึ่งหมายความว่า DAC ใช้ในเครื่องเล่นซีดีและอุปกรณ์ดิจิตอลอื่น ๆ ที่ให้เสียงเหมือนการ์ดเสียงสำหรับคอมพิวเตอร์และวิดีโอเกม DAC ที่สร้างเอาต์พุตระดับแอนะล็อกสามารถใช้ในเครื่องขยายเสียงหรือแม้กระทั่งลำโพง USB

แอปพลิเคชันของ DAC เหล่านี้มักจะใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่หรือกระแสเพื่อสร้างแรงดันขาออกและทำให้ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกทำงาน การคูณ DAC สามารถใช้แรงดันอินพุตหรือแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แต่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับแบนด์วิดท์ที่สามารถใช้ได้