Принцип работы цап кратко

Обновлено: 08.07.2024

В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

Принцип работы

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Выходное напряжение, В

Характеристики ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП:

Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.
Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
Разрядность (N) — количество бит во входном коде.
Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.
Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.
Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.
Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.
Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.
Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.
Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.
Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.
Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.
Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.
Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.

Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.

ЦАП на матрице R–2R . Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.

Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАП Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.

Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи . При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.

Подбор ЦАП

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.

Цифроаналоговые преобразователи предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).

Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом.

Функции ЦАП

качественное воспроизведение при существенном повышении громкости;
насыщенный динамический частотный диапазон;
минимизация возможных помех;
усиление мощности звучания;
широкие возможности для точной настройки.

Разновидности аудио ЦАПов

ЦАПы можно разделить на две категории: компактные (переносные) для работы с плеерами, смартфонами и стационарные, для подключения к компьютерам и телевизорам.

Первые подключаются к гаджету на IOS или Android через USB с помощью OTG и короткого экранированного кабелей. Возможно, понадобится установка сопутствующего приложения. Часто такие устройства имеют встроенный усилитель и аккумулятор, что позволяет использовать их и как пауэр-банк.

Стационарные ЦАПы - это солидные устройства выполненные в алюминиевом корпусе, эффективно отводящем тепло. Они оснащаются собственным дисплеем, аналоговыми регуляторами громкости и тембра.

Главное их отличие - это наличие разнообразных разъемов для подключения всевозможных устройств:

Оптический (Toslink);
USB-B, позволяющий обходить звуковую карту и читать музыкальные файлы прямо с жёсткого диска;
Электрический (AES/EBU и SPDIF);
В некоторых устройствах имеется картридер и стандартный USB для флешек.

Схема ЦАП

Структурная схема преобразователя числа в напряжение реализованного на операционном усилителе показана ниже:

Здесь правая часть схемы представляет собой обычный сумматор с четырьмя входами. При подаче к входам напряжений U1, U2, U3, U4 получим на выходе:

Условимся что сопротивления резисторов соответствуют соотношениям

Допустим что выходные напряжения равны один вольт, и с помощью четырех логических элементов обеспечим их появление только при условии, что будет подан сигнал из регистра в соответствии с числом. Если мы произведем запись в регистр числа 5, что равно 0101, то U1=0, U2=1, U3=0, U4=1. Из приведенного выше уравнения видно, что выходное напряжение будет равно Uвых=4+1= 5 В. На выходе ЦАП появится аналоговый сигнал, который будет соответствовать числу, которое записано в регистр.

Сфера использования

ЦАП применяются в музыкальных проигрывателях с целью переустройства числовых потоков информации в аналоговые аудиосигналы, в телевизорах и мобильных телефонах с целью переустройства видеоданных в видеосигналы, которые подсоединяются к драйверам экрана с целью отражения монохроматических либо разноцветных изображений.

Именно эти два приложения используют схемы ЦАП на противоположных концах компромисса между плотностью и количеством пикселей.

Аудио — это низкочастотный тип с высоким разрешением, а видео — высокочастотный вариант с низким и средним изображением.

Цифровая стереосистема не может обойтись без цифро-аналогового преобразователя (ЦАП’а, DAC’а) – компонента, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал. На сегодня именно digital-направление в Hi-Fi/High End развивается быстрее всего – надеемся, что данная мини-энциклопедия ЦАП’ов послужит надежным подспорьем при выборе техники себе домой.

Что такое ЦАП?

Как работает цифро-аналоговый преобразователь

Характеристики ЦАП’а

Форматы цифровых данных

Что мы слышим?

Человек номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но предел в 20 000 Гц достаточно условен, с возрастом слух немного снижается – так, большинство взрослых людей распознают звуки только до 16 000 Гц. Тем не менее, частоты в 20 000 Гц, 25 000 Гц и даже выше могут ощущаться через органы осязания. По сути, прослушивая музыку, мы получаем комплексное воздействие на почти все наши органы чувств – отсюда и критически важная значимость в точности передачи всех параметров исходного материала. И реальная работа по улучшению саунда у супертвитеров колонок, которые расширяют полосу воспроизведения.

Виды цифро-аналоговых преобразователей

ЦАП’ы делятся на две большие группы по типу преобразования. Первая из них – последовательные цифро-аналоговые преобразователи, в них входящий сигнал преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно, а для всех разрядов используется одна и та же схема. Такой подход гарантирует компактность, но требует повышения разрядности – так как скорость преобразования обратно пропорциональна ей. В сегменте последовательных ЦАП’ов могут использоваться:
- широтно-импульсные модуляторы: источник тока или напряжения включается на время, а полученная импульсная последовательность фильтруется;
- циклические ЦАП’ы;
- конвейерные ЦАП’ы;
- и, наконец, столь хорошо знакомые всем аудиофилам цифро-аналоговые преобразователи передискретизации – например, дельта-сигма ЦАП’ы.

Передискретизация оказалась настоящим спасением для подобных схем, так как она позволила использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности (ничего себе парадокс). Импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, формируемый отрицательной обратной связью (которая также является фильтром ВЧ, отсекающим шумы квантования), в дельта-сигма ЦАП’ах гарантирует исключительную линейность, а сама система обеспечивает необходимую скорость переключения (сотни тысяч раз в секунду). Чем выше частота передискретизации у таких схем, тем ниже требования к фильтрации НЧ и лучше подавление шумов квантования. И, наконец, дельта-сигма ЦАП’ы весьма дешевы – вот и все секреты их массового распространения!

Вторая группа ЦАП’ов – параллельные цифро-аналоговые преобразователи. Их принцип основан на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда (суммируются только токи разрядов, значения которых равны единице).Эти преобразователи дороже, так как основываются на резистивных матрицах – которые сложны в производстве. В параллельных ЦАП’ах применяются схемы с весовыми источниками тока, весовыми резисторами и многозвенные цепные схемы.

Параллельные ЦАП’ы использую следующие архитектуры (способы формирования итогового аналогового сигнала):
- бинарные, в которых соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2, а веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и так далее, система управляется бинарным кодом;
- унитарные - соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно единице, а управление системой ведется унитарным кодом;
- Фибоначчи – в данном случае сигнал формируется в системе счисления Фибоначчи;
- сегментные – в них цифровой код разделяется на группы, которые обрабатываются независимо.

Вне зависимости от архитектуры, параллельные цифро-аналоговые преобразователи используют элементы, взвешивающие аналоговый сигнал – конденсаторы, резисторы или источники тока. Как правило, применяются конденсаторы, резисторы и транзисторов в роли резисторов, а также транзисторы в режиме насыщения (источники тока).

Параллельные цифро-аналоговые преобразователи разделяются на два типа:
- взвешивающие (каждому биту цифрового сигнала соответствует резистор или источник тока) – достаточно быстрые, но менее точные, так как для функционирования требуется набор различных прецизионных источников или резисторов; их разрядность ограничена восемью битами;
- лестничные (R2R-схемы) – в них значения создаются в матрице (токов или напряжений) постоянного импеданса, набранной из резисторов с сопротивлениями R и 2R.
Использование идентичных элементов существенно повышает точность и увеличивает разрядность – она может достигать 22 бит.

Зачем в аудиосистеме отдельный ЦАП?

Принятое и однозначно правильно решение – использовать в стереосистеме Hi-Fi/High End отдельный цифро-аналоговый преобразователь. Действительно, во многих современных интегральных или предварительных усилителях уже есть модуль (или он может быть использован опционально, при конфигурировании устройства при покупке) ЦАП’а. Да еще и, как правило, этот ЦАП будет использовать современный чип с отличными параметрами! Однако, главное в преобразователе – питание и независимость всех схем, а не примененная микросхема (об этом мы расскажем ниже). Поэтому, только отдельный цифро-аналоговый преобразователь обеспечит в вашей системе наилучшие параметры.

DSD или PCM?

Как выбрать ЦАП?

Определитесь с параметрами приема сигналов, которые вам нужны. В принципе, наверное, сейчас нет смысла приобретать устройство с поддержкой только форматов РСМ 16/44 – Hi-Res уже прочно вошел в нашу жизнь.
Тип преобразователя – самый сложный выбор. На рынке бытовало мнение, что только R2R-системы способны обеспечить настоящее High End качество, однако, в последнее время ряд производителей выпустил революционные устройства на базе обычных дельта-сигма микросхем (например, Lampizator Pacific). Так что, тут все зависит от конечной схемы ЦАП’а - именно она определяет звучание.

На какие параметры ЦАП’а еще обратить внимание?

Подключение ЦАП’а к компьютеру

Софт-плееры для цифро-аналоговых преобразователей

На современном рынке существуют сотни программных плееров для воспроизведения музыки. Мы рекомендуем использовать Roon – этот плеер не только обеспечивает выдающееся звучания, но и умеет автоматически каталогизировать всю вашу медиатеку – и делает это с потрясающей точностью распознавания. Получившейся коллекцией управлять исключительно удобно. В Roon можно также подключись ваши аккаунты в Tidal и других потоковых сервисах, а возможности DSD плеера позволяют использовать самые продвинутые алгоритмы апсемплинга. Если ваш ЦАП имеет сертификацию Roon Ready, Roon распознает его и активирует работу по фирменному RAAT-протоколу, что повысит качество.

Стриминг музыкального сигнала, стримеры и музыкальные серверы

Кабели для подключения ЦАП’ов

Если о влиянии оптических и коаксиальных цифровых кабелей никто не спорит, то по вопросу воздействия USB-кабеля на звук сломано много копий. Увы и ах, тут все не так просто, как при копировании файлов на флешку. В USB-интерфейсе используются два протокола: Bulk (или варианты Control, Interrupt) – он гарантирует доставку, но не гарантирует задержку сигнала и его полосу (применяется для передачи файлов на PC. И Isochronous – в данном случае, наоборот, гарантируется задержка сигнала и его полоса – но не гарантируется доставка. В музыкальных приборах обычно применяется последний вариант – а это значит, что влияние USB-кабеля на звук ничуть не будет отличаться от другого кабеля в системе. Но самое большое влияние на ЦАП оказывают не слаботочные, а сильноточные кабели – сетевые. Мы уже писали, что именно организация питания определяет качество цифро-аналогового преобразователя, так вот, электрический кабель, точно так же, определяет звучание ЦАП’а в вашей системе. Не экономьте на нем.

Недостатки современных ЦАП’ов

Как купить ЦАП?

После того, как вы определились с бюджетом и требуемыми параметрами, изучите отзывы и рейтинги на модели, которые попадают в избранную ценовую группу. Пообщайтесь с экспертами на форумах. А после – ступайте на личное прослушивание и, если модель понравилась, просите ее под залог к себе домой на несколько дней. Только так можно будет сделать выводы.

На что обратить внимание при эксплуатации цифро-аналогового преобразователя?

ЦАП’ы достаточно долго прогреваются – хорошие параметры эта техника начинает обеспечивать не менее, чем через 30-40 часов работы, а оптимальные – через 200 часов работы. Будьте готовы к этому. В процессе эксплуатации не следует допускать перегрева устройства – располагать технику в проблемных для теплоотведения местах. Для улучшения звучания на верхнюю панель ЦАП’а можно положить утяжеляющий груз. Собственно, на этом хитрости заканчиваются.

Примеры цифро-аналоговых преобразователей в различных ценовых категориях

Parasound Z-dac v2 (53 400 руб.) основан на схемах Texas Instruments TAS1020B (USB Streaming Controller), Analog Devices AD1895 (Sample Rate Converter) и Analog Devices AD1853 (D to A Converter).

Chord Electronics Qutest (135 400 руб.) – в устройстве применена схема Xilinx Artix 7 (XC7A15T) FPGA, аппарат поддерживает РСМ 32/768 и DSD512.

Mytek Brooklyn DAC+ (275 000 руб.) использует чип Sabre 9028 Pro 32/384 и поддерживает DSD до DSD256.

MSB Reference (3 199 999 руб.) – пример высокотехнологичного устройства: 4 гибридных мультибитных модуля c эффективyым разрешением 28,5 бит на канал (384 кГц), цифровой фильтр Shark DSP 80 бит, сверхстабильный тактовый генератор Femto 140 Clock.

Audio Note Fifth Element (12 300 300 руб.) – один из самых дорогих ЦАП’ов в мире, построенный на базе классического R2R-чипа Analog Devices AD1865N, ламп 1 x 5814a, 1 x 6463, 1 x EF800, 1 x 6X5 и полностью серебряных трансформаторов.

Как ни досадно, нельзя не признать, что цифроаналоговые преобразователи – один из самых игнорируемых широкой публикой Hi-Fi-компонентов. Хороший и правильно подключенный ЦАП способен резко повысить качество звучания. Если хотите убедиться в этом, читайте наш материал.

Что такое ЦАП? Что он делает?

Звуки, которые мы постоянно слышим – дорожный шум, работающие инструменты, плачущий ребенок в транспорте – представляют собой акустические волны, которые распространяются в воздушной среде к нашим ушам в аналоговой ипостаси.

Аналоговые записи издавались на виниловых дисках и кассетах, однако нежелательный шум и ненадежность этих носителей стимулировали поиск новых форматов. Появление CD открыло дорогу для цифровой революции.

Цифровое аудио кардинально отличается от аналогового. Цифровые музыкальные файлы обычно создаются при помощи импульсно-кодовой модуляции (PCM) в процессе измерения амплитуды аналогового сигнала через равные интервалы времени.

Жизнь в цифре

Значение амплитуды представлено двоичным числом (1 или 0), а длина этого числа называется разрядностью, выраженной в битах. Величина, обратная временному интервалу измерений, является частотой дискретизации.

У цифровых аудиоданных могут быть самые разные частота дискретизации, разрядность, форматы кодирования и сжатия – однако независимо от конкретных параметров именно ЦАП должен придать этим данным смысл, максимально точно переведя их из двоичного формата в исходную аналоговую форму.

Зачем нужен отдельный ЦАП?

Сегодня почти любой цифровой компонент оснащен собственным ЦАП, однако далеко не все ЦАП созданы равными. Начнем с того, что они могут поддерживать не все типы файлов.

Плохие модели могут привносить в звучание нежелательный шум из-за непродуманного проектирования печатных плат или вызывать искажения в связи с джиттером.

Джиттером называются ошибки синхронизации. Точная синхронизация цифрового музыкального потока, определяемая генератором тактовых импульсов, жизненно важна для качества воспроизведения, и если ее не удается обеспечить из-за конструктивных недостатков, качество страдает.

Проблема джиттера может возникнуть при любом перемещении цифрового сигнала по плате, но особенно серьезной становится при передаче сигнала между устройствами. В последние годы широкое распространение получили асинхронные ЦАП, именно по этой причине перехватившие у компьютеров обязанности по синхронизации.

Тактовые генераторы, применяющиеся в компонентных ЦАП класса High End, точнее и стабильнее, чем у обычных ПК, и звук в результате получается существенно лучше.

Все зависит от исходного материала

Разумеется, чтобы получить от ЦАП максимально возможный результат, необходимо позаботиться о качестве исходного материала. Не рассчитывайте на чудо, предлагая ему MP3-файлы с битрейтом 128 кбит/с. На самом деле, более качественное декодирование сжатого сигнала может еще сильнее подчеркнуть его недостатки. Для компонентных ЦАП оптимальные результаты обеспечивает контент CD-качества и выше. Обычно музыка с подобным разрешением записана в PCM-форматах без потерь – FLAC, WAV или ALAC (Mac), а также DSD.

DSD и PCM

DSD, или Direct Stream Digital – альтернатива PCM. Этот формат изначально был разработан для архивирования, а позднее применялся для записи Super Audio CD (SACD), продвигавшихся Sony и Philips в конце 90-х и начале 2000-х. Это намного более нишевый формат; в отличие от PCM, его разрядность составляет всего один бит, зато частота дискретизации намного выше – 2,8 МГц у DSD64 и 5,6 МГц у DSD128.

Споры о том, какая система кодирования лучше, продолжаются до сих пор. Мы лишь скажем, что убежденным сторонникам DSD следует внимательно проверять списки характеристик: не все ЦАП поддерживают этот формат.

ЦАП какого типа вам подойдут?

Спектр форм-факторов и габаритов этих устройств огромен, они различаются по функциональности и по числу входов, так что ваш выбор будет зависеть от конкретных потребностей и величины бюджета.

Компактные USB-ЦАП обеспечивают мобильность и удобство по разумной цене. Это могут быть устройства не больше стандартной USB-флэшки (например, AudioQuest DragonFly Black) или карманные аппараты, подключаемые отдельным USB-кабелем (такие как Oppo HA-2 SE).

Чаще всего они получают питание от компьютера, не требуя отдельного источника. Подключений у них обычно немного – выход для наушников и, возможно, линейный выход для активных АС или Hi-Fi-системы.

Стационарные ЦАП

Если вам нужно больше разъемов и не требуется носить ЦАП с места на место, настольное USB-устройство – такое как Audiolab M-DAC – может оказаться более подходящим. Подобные модели обычно более габаритны и требуют подключения к источнику питания, зато помимо USB-порта оснащены еще несколькими цифровыми или аналоговыми входами.

Если собираетесь использовать наушники, обратите внимание на наличие соответствующего выхода.

Наконец, некоторые ЦАП предназначены для работы в составе большой домашней аудиосистемы. У них обычно больше входов (в частности, таких редких, как AES/EBU) и функций. Они могут поддерживать весь спектр форматов Hi-Res-аудио или обеспечивать беспроводную трансляцию со смартфона или планшета посредством Bluetooth. Некоторые даже оснащены регулятором громкости и могут выступать в роли предусилителей.

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

Читайте также: