Convertidor de digital a analógico

8 canales Cirrus Logic CS4382 convertidor digital a analógico usado en una tarjeta de sonido.

En electrónica, un convertidor de digital a analógico (DAC, D/A, D2A, o D-to-A) es un sistema que convierte una señal digital en una señal analógica. Un convertidor de analógico a digital (ADC) realiza la función inversa.

Hay varias arquitecturas DAC; la idoneidad de un DAC para una aplicación en particular está determinada por cifras de mérito que incluyen: resolución, frecuencia máxima de muestreo y otras. La conversión de digital a analógico puede degradar una señal, por lo que se debe especificar un DAC que tenga errores insignificantes en términos de la aplicación.

Los DAC se usan comúnmente en reproductores de música para convertir flujos de datos digitales en señales de audio analógicas. También se utilizan en televisores y teléfonos móviles para convertir datos de video digital en señales de video analógicas. Estas dos aplicaciones usan DAC en los extremos opuestos de la compensación de frecuencia/resolución. El DAC de audio es del tipo de baja frecuencia y alta resolución, mientras que el DAC de video es del tipo de alta frecuencia y resolución baja a media.

Debido a la complejidad y la necesidad de componentes que coincidan con precisión, todos los DAC, excepto los más especializados, se implementan como circuitos integrados (IC). Por lo general, toman la forma de chips de circuito integrado de señal mixta de metal-óxido-semiconductor (MOS) que integran circuitos tanto analógicos como digitales.

Los DAC discretos (circuitos construidos a partir de múltiples componentes electrónicos discretos en lugar de un IC empaquetado) suelen ser del tipo extremadamente rápido y de baja resolución que consumen mucha energía, como los que se usan en los sistemas de radar militares. Los equipos de prueba de muy alta velocidad, especialmente los osciloscopios de muestreo, también pueden usar DAC discretos.

Resumen

Señal de muestreo.

Un DAC convierte un número abstracto de precisión finita (generalmente un número binario de punto fijo) en una cantidad física (por ejemplo, un voltaje o una presión). En particular, los DAC se utilizan a menudo para convertir datos de series temporales de precisión finita en una señal física que varía continuamente.

Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, un DAC puede reconstruir la señal original a partir de los datos muestreados siempre que su ancho de banda cumpla con ciertos requisitos (por ejemplo, una señal de banda base con un ancho de banda menor que la frecuencia de Nyquist). El muestreo digital introduce un error de cuantificación (error de redondeo) que se manifiesta como ruido de bajo nivel en la señal reconstruida.

Aplicaciones

Un diagrama funcional simplificado de un DAC de 8 bits

Los DAC y ADC son parte de una tecnología habilitadora que ha contribuido en gran medida a la revolución digital. Para ilustrar, considere una típica llamada telefónica de larga distancia. La voz de la persona que llama se convierte en una señal eléctrica analógica mediante un micrófono, luego la señal analógica se convierte en un flujo digital mediante un ADC. Luego, el flujo digital se divide en paquetes de red donde se puede enviar junto con otros datos digitales, no necesariamente audio. Luego, los paquetes se reciben en el destino, pero cada paquete puede tomar una ruta completamente diferente y es posible que ni siquiera llegue al destino en el orden de tiempo correcto. Luego, los datos de voz digital se extraen de los paquetes y se ensamblan en un flujo de datos digitales. Un DAC vuelve a convertir esto en una señal eléctrica analógica, que impulsa un amplificador de audio, que a su vez impulsa un altavoz, que finalmente produce sonido.

Sonido

Reproductor de CD de carga superior y convertidor externo digital a digital.

La mayoría de las señales de audio modernas se almacenan en formato digital (por ejemplo, MP3 y CD) y, para que se escuchen a través de los altavoces, deben convertirse en una señal analógica. Por lo tanto, los DAC se encuentran en reproductores de CD, reproductores de música digital y tarjetas de sonido para PC.

Los DAC independientes especializados también se pueden encontrar en sistemas de alta fidelidad de gama alta. Estos normalmente toman la salida digital de un reproductor de CD compatible o un transporte dedicado (que es básicamente un reproductor de CD sin DAC interno) y convierten la señal en una salida de nivel de línea analógica que luego se puede alimentar a un amplificador para controlar los altavoces.

Se pueden encontrar convertidores de digital a analógico similares en parlantes digitales, como parlantes USB, y en tarjetas de sonido.

En las aplicaciones de voz sobre IP, primero se debe digitalizar la fuente para la transmisión, por lo que se convierte a través de un ADC y luego se reconstruye a analógico usando un DAC en el extremo del receptor.

Vídeo

El muestreo de video tiende a funcionar en una escala completamente diferente gracias a la respuesta altamente no lineal tanto de los tubos de rayos catódicos (para los cuales se apuntó la gran mayoría del trabajo de base de video digital) como del ojo humano, usando un " curva gamma" para proporcionar una apariencia de pasos de brillo distribuidos uniformemente en todo el rango dinámico de la pantalla; de ahí la necesidad de usar RAMDAC en aplicaciones de video de computadora con una resolución de color lo suficientemente profunda como para hacer que la ingeniería sea un valor codificado en el DAC para cada nivel de salida de cada canal poco práctico (por ejemplo, un Atari ST o Sega Genesis requeriría 24 valores de este tipo; una tarjeta de video de 24 bits necesitaría 768...). Dada esta distorsión inherente, no es raro que un proyector de televisión o video afirme verazmente una relación de contraste lineal (diferencia entre los niveles de salida más oscuros y más brillantes) de 1000:1 o más, equivalente a 10 bits de precisión de audio, aunque solo puede acepta señales con precisión de 8 bits y usa un panel LCD que solo representa 6 o 7 bits por canal.

Las señales de video de una fuente digital, como una computadora, deben convertirse a formato analógico si se van a mostrar en un monitor analógico. A partir de 2007, las entradas analógicas se usaban con más frecuencia que las digitales, pero esto cambió a medida que las pantallas planas con conexiones DVI y/o HDMI se generalizaron. Sin embargo, un DAC de video está incorporado en cualquier reproductor de video digital con salidas analógicas. El DAC generalmente está integrado con alguna memoria (RAM), que contiene tablas de conversión para la corrección gamma, el contraste y el brillo, para hacer un dispositivo llamado RAMDAC.

Potenciómetro digital

Un dispositivo que está lejanamente relacionado con el DAC es el potenciómetro controlado digitalmente, que se usa para controlar digitalmente una señal analógica.

Mecánica

Un actuador mecánico de un bit adopta dos posiciones: una cuando está encendido y otra cuando está apagado. El movimiento de varios actuadores de un bit se puede combinar y ponderar con un mecanismo de árbol de trompetas para producir pasos más finos. La máquina de escribir IBM Selectric utiliza un sistema de este tipo.

Comunicaciones

Los DAC se utilizan ampliamente en los sistemas de comunicación modernos que permiten la generación de señales de transmisión definidas digitalmente. Los DAC de alta velocidad se utilizan para comunicaciones móviles y los DAC de ultra alta velocidad se emplean en sistemas de comunicaciones ópticas.

Tipos

Los tipos más comunes de DAC electrónicos son:

• El modulador de ancho de pulso donde una corriente estable o tensión se cambia en un filtro analógico de baja velocidad con una duración determinada por el código de entrada digital. Esta técnica se utiliza a menudo para el control de velocidad del motor eléctrico y las lámparas LED de regulación.
• Oversampling DACs o DAC interpoladores, como aquellos que emplean modulación delta-sigma, usan una técnica de conversión de densidad de pulso con oversampling. Las velocidades de más de 100 mil muestras por segundo (por ejemplo, 192 kHz) y resoluciones de 24 bits son alcanzables con DACs delta-sigma.
• El DAC con peso binario, que contiene componentes eléctricos individuales para cada bit del DAC conectado a un punto de atenuación, típicamente un amplificador operativo. Cada entrada en la suma tiene potencia de dos pesos con la más corriente o voltaje en la parte más significativa. Este es uno de los métodos de conversión más rápidos pero sufre de mala precisión debido a la alta precisión necesaria para cada voltaje o corriente individual.
  • Resistencia conmutada DAC contiene una red de resistencia paralela. Las resistencias individuales están activadas o superadas en la red basada en la entrada digital.
  • Fuente DAC de corriente conmutada, de la que se seleccionan diferentes fuentes actuales en función de la entrada digital.
  • El condensador conmutado DAC contiene una red de condensador paralelo. Los condensadores individuales están conectados o desconectados con interruptores basados en la entrada.
  • El DAC de escalera R-2R que es un DAC de peso binario que utiliza una estructura cascada repetitiva de los valores de resistencia R y 2R. Esto mejora la precisión debido a la relativa facilidad de producir resistencias igual valoradas.
• La aproximación sucesiva o DAC cíclico, que construye sucesivamente la salida durante cada ciclo. Los bits individuales de la entrada digital se procesan cada ciclo hasta que se cuenta toda la entrada.
• El DAC codificado por termómetro, que contiene un segmento de resistencia igual o fuente actual para cada posible valor de la salida DAC. Un DAC termómetro de 8 bits tendría 255 segmentos, y un DAC termómetro de 16 bits tendría 65.535 segmentos. Esta es una arquitectura DAC de precisión rápida y más alta, pero a expensas de requerir muchos componentes que, para las implementaciones prácticas, la fabricación requiere procesos IC de alta densidad.
• DAC híbridos, que utilizan una combinación de las técnicas anteriores en un único convertidor. La mayoría de los circuitos integrados DAC son de este tipo debido a la dificultad de conseguir bajo coste, alta velocidad y alta precisión en un dispositivo.
  • El DAC segmentado, que combina el principio codificado por el termómetro para los bits más significativos y el principio de peso binario para los bits menos significativos. De esta manera, se obtiene un compromiso entre la precisión (por el uso del principio codificado por el termómetro) y el número de resistores o fuentes actuales (por el uso del principio de peso binario). El diseño completo con peso binario significa segmentación del 0%, el diseño completo con código termómetro significa segmentación del 100%.
• La mayoría de los DAC mostrados en esta lista dependen de un voltaje de referencia constante o de una corriente para crear su valor de salida. Alternativamente, un multiplicación DAC toma un voltaje de entrada variable o corriente como referencia de conversión. Esto pone restricciones de diseño adicionales en el ancho de banda del circuito de conversión.
• Los modernos DAC de alta velocidad tienen una arquitectura entrelazada, en la que se utilizan múltiples núcleos DAC en paralelo. Sus señales de salida se combinan en el dominio analógico para mejorar el rendimiento del DAC combinado. La combinación de las señales se puede realizar ya sea en el dominio del tiempo o en el dominio de frecuencia.

Rendimiento

Las características más importantes de un DAC son:

Resolución

El número de posibles niveles de salida del DAC está diseñado para reproducirse. Esto se indica generalmente como el número de bits que utiliza, que es el logaritmo binario del número de niveles. Por ejemplo, un DAC de 1 bit está diseñado para reproducir 2 (2¹) niveles mientras que un DAC de 8 bits está diseñado para 256 (2⁸) niveles. La resolución está relacionada con el número efectivo de bits que es una medición de la resolución real alcanzada por el DAC. Resolución determina profundidad de color en aplicaciones de vídeo y profundidad de bits de audio en aplicaciones de audio.

Tasa máxima de muestreo

La velocidad máxima a la que los circuitos DAC pueden operar y todavía producir la salida correcta. El teorema de muestreo Nyquist-Shannon define una relación entre esto y el ancho de banda de la señal muestreada.

Monotonicity

La capacidad de la salida analógica de un DAC para moverse sólo en la dirección que la entrada digital se mueve (es decir, si la entrada aumenta, la salida no disminuye antes de afirmar la salida correcta). Esta característica es muy importante para los DAC usados como fuente de señal de baja frecuencia o como elemento de corte digitalmente programable.

Deformación armónica total y ruido (THD+N)

Medición de la distorsión y el ruido introducidos a la señal por el DAC. Se expresa como porcentaje del poder total de distorsión y ruido armónicos no deseados que acompaña la señal deseada.

Rango dinámico

Una medición de la diferencia entre las señales más grandes y más pequeñas que el DAC puede reproducir expresadas en decibeles. Esto generalmente está relacionado con resolución y suelo de ruido.

Otras medidas, como la distorsión de fase y el jitter, también pueden ser muy importantes para algunas aplicaciones, algunas de las cuales (por ejemplo, transmisión inalámbrica de datos, video compuesto) pueden incluso depender de la producción precisa de fase- señales ajustadas.

Las codificaciones PCM no lineales (ley A/ley μ, ADPCM, NICAM) intentan mejorar sus rangos dinámicos efectivos mediante el uso de tamaños de paso logarítmicos entre las intensidades de la señal de salida representadas por cada bit de datos. Esto cambia una mayor distorsión de cuantificación de las señales fuertes por un mejor rendimiento de las señales silenciosas.

Cifras de mérito

• Rendimiento estatico:
  • La no linearidad diferencial (DNL) muestra cuánto dos valores análogos de código adyacente se desvían del paso ideal 1 LSB.
  • La no linearidad integral (INL) muestra cuánto la característica de transferencia DAC se desvía de uno ideal. Es decir, la característica ideal es generalmente una línea recta; INL muestra cuánto el voltaje real a un valor de código dado difiere de esa línea, en LSBs (1 pasos LSB).
  • Error de ganancia
  • Error de inicio
  • El ruido es limitado en última instancia por el ruido térmico generado por componentes pasivos como resistores. Para aplicaciones de audio y en temperaturas ambiente, este ruido suele ser un poco inferior a 1μV (microvolt) de ruido blanco. Esto limita el rendimiento a menos de 20~21 bits incluso en DACs de 24 bits.
• Rendimiento de dominio de frecuencia
  • El rango dinámico libre de espuros (SFDR) indica en dB la relación entre los poderes de la señal principal convertida y el mayor estímulo no deseado.
  • Signal-to-noise y distorsión (SINAD) indica en dB la relación entre las potencias de la señal principal convertida y la suma del ruido y las espuelas armónicas generadas
  • i-th distorsión armónica (HDi) indica el poder del i-th armónico de la señal principal convertido
  • La distorsión armónica total (THD) es la suma de los poderes de todos los armónicos de la señal de entrada
  • Si el DNL máximo es inferior a 1 LSB, entonces el D/A El convertidor está garantizado para ser monotónico. Sin embargo, muchos convertidores monotónicos pueden tener un DNL máximo superior a 1 LSB.
• Rendimiento del dominio del tiempo:
  • Superficie de impulso (energía del brillo)