8-900-374-94-44
Возможно, кому-то мой обзор мытарств выбора настольного и не слишком дорого ЦАПа показался безысходным. Мол, ниже тыщи баксов и не мечтайте. На самом деле, это все — издержки слишком большого выбора. Невозможно устроить себе дома карусель из техники, лучше сначала немного систематизировать свои хотелки, а главное — антихотелки.
Что мне не понравилось во всех конвертерах прошлого обзора? Усилитель для наушников Texas Instruments TPA6120A2. По-моему, это какой-то отстой, куда его ни поставь. А какой мне усилитель нравится в своем Sony PCM-D100? Он называется MAX9722. Sony об этом не пишет, но добрые люди в интернете расковыряли и перечислили все имеющие значение детали этого рекордера. Вот по этой марке усилителя я искал на ebay свой следующий ЦАП. Поиск вывел всего 15 результатов. Сначала сам чипик, который, к слову, стоит не больше пары долларов. Потом какое-то старье с неактуальными параметрами. А потом, собственно, и конвертер, представленный в данном тесте.
Название на коробке Leaf Audio воспринимается еще более призрачно, чем аналогичный бренд Douk в том же сегменте ультрабюджетного аудио. У них тоже имеются ЦАПыши схожей компоновки в формате сигаретной пачки на болтиках. Будем считать их нонеймами, потому что изделия более-менее раскрученного SMSL продаются уже дороже.
В нашем подопытном при цене 82$ заявлен вполне современный USB-преобразователь XMOS U208, плата с которым дешевле тридцати долларов не продается. На картинке большими буквами был написан ЦАП AK4497, хотя в самом заголовке объявления указан более скромный AK4490, но это меня вполне устроило. А больше всего утешил выход цифрового коаксиального выхода. Не понравится аналоговый выхлоп, скину сигнал на ресивер или другой ЦАП. Там же в объявлении за дополнительную десятку была обещана опция некого твика, повышающего качество звука, которую я, не раздумывая, выбрал при оформлении покупки.
Твик оказался красненькими кондерами, добавленными к базовой комплектации на плате, которую можно было оценить на стадии объявления. Часть надписей на чипах затерта, сам XMOS тоже какой-то странный, надпись еле читается и там что-то не очень похожее на U208. Кто их знает, наверное, берется какая-то левая партия, куда заливается фирменный софт. Само устройство определяется в звуковом микшере Windows 10 как XMOS S1-U8 DJ (ST), а в плеерах Foobar и JRiver как XMOS S1 U208. Чип AKM4490 вроде настоящий, и на том спасибо.
Сам корпус Leaf Audio, как я уже упоминал, весьма аскетичен, но при этом особо не огорчает. Просто рабочая коробочка, что-то типа компактного коммутатора для HDMI, если такая аналогия о чем-то напомнит читателям. На поверхности расположена цепочка, конечно же, синих диодов, указывающих на режим работы PCM до 44 и так далее до 384 кГц. Она же используется для обозначения битрейтов DSD, просто использует кратные 44 кГц величины. То есть SACD (DSD64) будет обозначен на 88 кГц, DSD128 как 176 кГц, а DSD256 как 352 кГц. Само устройство может работать автономно через USB, измеренное максимальное напряжение выходного сигнала на линейном выходе составило 1,6 Вольт. При этом предусмотрен разъем для внешнего питания ЦАПа и даже соответствующий кабелек. Последующие измерения не показали принципиальной разницы в цифрах, но психологически казалось, что с внешним питанием звук кажется чуть более плавным.
Эта опция окажется жизненно необходимой, если вы захотите подключить к Leaf свой телефон или планшет. Даже старинная модель айфона спокойно выводила любой хайрез на ЦАП через переходник Camera Kit. Чтобы самостоятельно запустить работу конвертера, конечно, питания смартфона не хватало, но здесь пригодился тот самый кабелек из комплекта и USB-разъем DALI Katch в качестве донора энергии. Полагаю, что с Android тоже не будет никаких проблем.
Что касается других систем, то Linux самостоятельно подхватывает Leaf, также как и Windows 10. Конвертер можно сразу использовать в плеерах Foobar и JRiver в режимах Kernel и WASAPI. ASIO драйвер к XMOS U208 доступен по ссылке от продавца. Сначала показалось, что воспроизведение при ASIO подключении не очень стабильно, но смена USB-кабеля от принтера на USB-кабель от сканера благополучно разрешило ситуацию. Включение/выключение устройства сопровождается внушительным хлопком в звуковом канале, этот момент следует иметь в виду.
Как показали первые такты, а за ними и вторые, третьи — ЦАП звучит именно так, как мне было нужно. То есть почти неотличимо от Sony PCM-D100, совсем неотличимо от AV-ресивера Marantz. И уж точно в лучшую сторону, чем все конвертеры, рассмотренные мною в прошлой статье. Достаточно мягко, чтобы сохранить музыкальность фонограммы без ваты, но в то же время без навязчивого суховатого окраса, который запросто можно встретить и в дорогих конвертерах. В прямом сравнении с линейным выходом Sony PCM-D100 звучание Leaf — как бы чуть в вуали и, вероятно, не столь породисто на ВЧ, но определенно невозможно было угадать источник, если просто зайти в комнату. На DSD-контенте эта тающая разница становится еще тоньше. Все-таки прямой дельта-сигма процесс сложнее испортить в отсутствие РСМ фильтров. И здесь начинается самое увлекательное.
Приложение JRiver позволяет конвертировать PCM в DSD поток, причем повышенной кратности. Почему бы его не скормить в Leaf?
DSD Native этот ЦАП не поддерживает, несмотря на обещания. Продавец в ответ на мои запросы рекомендовал «скачать Foobar». Он не видел разницы между режимами Native DSD и DoP (DSD over PCM), который Leaf, к счастью, поддерживает. Не буду переживать об этой разнице и я. ЦАП стал звучать лучше и объемней на DSD-контенте. Даже если в него на лету перегнали PCM исходник. Это, кстати, объясняет и приятный саунд SACD изданий, многие из которых делались отнюдь не с аналоговых мастеров. Просто в этом режиме конвертеру действительно легче работается.
В этом свете мне не совсем понятны ностальгия и новейшие поползновения в область мультибитного R-2R преобразования. Это как скучать по толстым компьютерам начала 80-х. Очевидно же, что тогда никому не снились вычислительные мощности DSD, который является более прогрессивным алгоритмом, и в то же время более минималистичным с точки зрения длины тракта. В подтверждение моего опыта предлагаю взглянуть на измерения, которые я всегда провожу после прослушивания.
Безо всяких скидок на бюджетность, этот Leaf демонстрирует вполне приличные показатели разделения каналов и динамического диапазона (111 дБ / 6 = более 18 бит). За исключением заведомо ущербного режима Direct Stream, как видим, ASIO, WASAPI и Kernel на потоке 24 бит/44 кГц дают в целом одинаковую картину. Чуть лучше по нижнему порогу шума выступил айфон в качестве цифрового транспорта. Неудивительно, вероятно, позитивную роль сыграла гальваническая автономность мобильника. Надо сказать, что в плане экранирования потроха Leaf совершенно не защищены, и звуковой тракт запросто может крякать от входящего звонка на телефон, лежащий просто рядом. Строго говоря, к «музыкальности» сигнала этот параметр большого отношения не имеет. Например, у вас в системе где-то тихонько фонят сетевые 50 Гц. Да, замеры покажут падение динамического диапазона, хотя при этом на слух с фонограммой все будет в порядке.
Слабая сторона Leaf Audio — это его уровень искажений, которые хорошо бы иметь раза в 2-3 меньше. В общем, надо, чтобы после запятой стояли еще два нуля. Минимум искажений наблюдается в режиме 2хDSD (то есть когда JRiver на лету переконвертирует PCM поток в DSD128). Возможно, эта разница в рамках замеров RMAA не выглядит впечатляющей, тогда изучим другие картинки.
Как видим, в штатном РСМ режиме на выходе AKM 4490 используется минимально фазовый фильтр, который убирает «звон» перед фронтом импульса. Сейчас этот способ довольно популярен. Минимально фазовый фильтр можно встретить и в продукции Apple, и в Audioquest Dragonfly, но попытки представить его как нечто уникальное и изысканное по звуку мне представляются надуманными. Тот же AV-ресивер Marantz использует классическую фазолинейную схему фильтрации и звучит точно так же. Лучше посмотрим, что происходит в высокочастотной области.
Тестирование синусоидальными сигналами с уровнем -3 дБ показало, что на некоторых высоких частотах (например, на частности 21,5 кГц) рядышком возникают паразитные пики, которых в оригинале не было. Это все — последствия работы цифрового фильтра, не способного чисто подавить помехи квантования. Понимаете, что означает такое «троение» на высоких частотах? Звук фонограммы мажется, теряет фокус и остроту.
И кроме того, белый шум с уровнем 0 dBFs вызывает уже знакомый нам перегруз в области ультразвуковых шумов по уровню -59 дБ на границе 24 кГц.
При восстановлении в аналоговую форму DSD никакого цифрового фильтра уже нет в помине. Он попросту не нужен в этом режиме. Равно как и нет паразитных пиков вокруг базового синуса, сравните-ка поведение Leaf на обычной PCM конвертации. В обоих режимах далеко-далеко в ультразвуке сохраняются пики-«дублеры» на кратных частотах основного сигнала, но это все ерунда.
Да и спектр на границе диапазона заканчивается именно так, как было в оригинале. Отвесно и ровно на 22,05 кГц. На незначительные пики далеко в ультразвуке можно не обращать внимания.
Разумеется, вся вышеописанная чехарда с цифровыми фильтрами касается только аудиопотоков с дискретностью до 44/48 кГц. Все эти ухищрения, начиная со следующей ступеньки 24 бит / 88 кГц и выше, не нужны. Хотя я предпочел оставить режим 2xDSD включенным постоянно.
Тестирование RMAA на 24/96 и 24/192 показало, что АЧХ таких сигналов на Leaf имеет неслабый завал. Разумеется, это происходит далеко в ультразвуке, в неслышимой области, но, тем не менее, вот выяснился такой нюанс.
Что еще сказать? Тестовые DXD также воспроизводились, но честно говоря, я уже не понимаю, зачем нужны альбомы в этом формате, где одна песня занимает как весь альбом в обычном Red Book. При подаче на ЦАП обычного SACD-аудио можно видеть в спектре классический выброс шума (нойзшейпинг) свыше 30 кГц. На DSD128 он смещается дальше. А вот когда JRiver конвертирует на лету РСМ поток в DSD128, никакого нойзшейпинга в выходном спектре уже нет. Жалко, что JRiver не умеет конвертировать DSD64 в DSD128.
А что с наушниками? Слушать DSD на наушниках в Leaf оказалось сомнительным удовольствием, так как в этом режиме в софтовом плеере совершенно справедливо отключается регулировка громкости. Напрямую сравнить MAX9722 с аналогичным модулем в Sony не получилось, потому что в рекордере стоит аналоговый регулятор громкости, да и на максимальной громкости он выдавал напряжение повыше, чем Leaf. Но кое-какие особенности дали о себе знать.
Если с Audio-Technica ATH-ESW10 все было в порядке (нормальный ясный звук без грязи), то на арматурах-кастомах Ultimate Ears в тихих местах вдруг вылезли какие-то шумы и фоны. Грешить на высокое выходное сопротивление в Leaf было бессмысленно, так как замер показал, что там оно настолько же низкое, как и у Sony. А кроме того, 16-омные нонейм затычки никаких таких артефактов не индуцировали. Видимо, опять сыграло свою роль слабое экранирование ЦАПа, которому не понравился литцендрат-кабель моих кастомов. Разумеется, таких проблем никогда не возникало ни с айфоном, ни с эталонным Sony PCM-D100, который, надо признать, с Audio-Technica отыграл более шелково и изысканно. Вот вам и одинаковые чипы MAX9722.
И все-таки надо признать эту покупку удачной. Да, по качеству звука на наушниках она не дотянула до профрекордера в десять раз дороже или Chord Mojo. Ну и что? Зато Leaf Audio (без шуток!) мне понравился больше, чем Mojo в качестве источника звука для усилителя, равно как и лучше всей компании, рассмотренной в том памятном обзоре.
Кроме того, я нашел организацию питания этого ЦАПа очень дружелюбной, ему не нужно городить всякие БП, достаточно мощности USB-шины. Ну захотите, подключите что-нибудь внешнее. А если не верите, что за 90 баксов можно получить вполне адекватный Hi-Fi звук, просто поверьте чипу XMOS U208, хотя он и кажется левым. Я ведь померил и этот интерфейс. RMAA показывает полный порядок и идентичность между цифровым RCA выходом Leaf и разъемом AES/EBU моего USB-преобразователя SOtM dX-USB HD. Просто подключайте свою остальную стереосистему к любому из двух выходов Leaf Audio и слушайте свою музычку.
Достоинства: цена, приличное качество звука, цифровой выход
Недостатки: слабое экранирование
Цена: 92 доллара США
ЦАП: Asahi Kasei AK4490EQ
Поддержка PCM — до 32 бит / 384 кГц, DSD — DSD256
Вход: USB (тип B)
Выходы: стерео RCA, наушники mini-jack 3,5 мм (регулировка громкости через внешний плеер)
Габариты (ШхГхВ): 113 х 71 х 25 мм
Масса: 164 г
stereo.ru
Это имульсный класс интегральных преобразователей (рисунок 6.8). Слово “сигма” – сумма, “дельта” – схема работает на импульсном принципе.
∞
а)
б)
Рисунок 6.8, а – Схема сигма-дельтамодулятора; б – графики процессов преобразования (ЦАП)
На вход подается не двоичный сигнал h(t) (график 1 рисунка 6.8,б). Элементом 11 с инверсией производится преобразование, как на втором графике на рисунке 6.8, б. Тактовый сигнал с одной стороны подается на нижний вход&1, верхний&2; с другой стороны проинвертированный инвертором 12 на ключ S3 (графики 3, 4). Выходы логических элементов&1,&2 выдают импульсы, представленные пятым и шестым графиками на рисунке 6.8, б, которые управляют ключами S1 и S2. На выходе ключей S1 и S2 включен конденсатор С1, емкость которого в тысячи раз меньше емкости С2 интегратора на ОУ.
Через ключи S1 и S2 происходит заряд С1 малой величины от источников +В или –В,соответствующей полярности. Замыкается ключ S3, передает заряд конденсатора С1 в С2. Заряд на С1 представлен седьмым графиком рисунка 6.8, б, а заряд С2 соответственно – восьмым графиком. Из восьмого графика следует, что импульсы сигнала первого графика преобразуются в аналоговый сигнал восьмого графика, т.е. осуществляется операция ЦАП. Достоинства схемы – несложность, высокая точность преобразования, стабильность.
Отличаются несложностью схем, однако имеют невысокую точность преобразования. Один из вариантов прямого преобразования на рисунке 6.9.
Рисунок 6.9 – ЦАП с прямым преобразованием
В схему вводится реверсивный счетчик, в котором периодически (циклически) параллельным образом записывается цифровой код. На протяжении действия цикла на счетчик, работающий в режиме вычитания (реверсивного считывания) поступают тактовые импульсы fT, следовательно, на выходе счетчика выводятся импульсы, количество которых определяется цифровым кодом, записанным параллельным образом. Интегратор считает эти импульсы, на его выходе выделяется аналоговое напряжение, пропорциональное записанному в счетчике коду. Один из серьезных недостатков этого принципа – цикличность. Т.е. преобразователь не учитывает того, что происходит с сигналом на протяжении действия цикла. Другие недостатки – невысокое быстродействие, большая погрешность.
6.2Аналого-цифровыепреобразователи
Пример следящих АЦП приведен на рисунке 6.10.
∞
Рисунок 6.10,а — Следящие АЦП; б – следящее аналогово-цифровоепреобразование
Преобразуемый аналоговый сигнал подается на минус–входОУ, который
всущности работает в качестве компаратора. Выход ОУ в плюс или минус области управляет реверсивным счетчиком: счет “+” или счет “–”.Код этого счетчика воздействует на вход ЦАП, последний выдает в сущности тот же аналоговый сигнал, но ступенчатый, который затем поступает наплюс–входОУ. Если больше входной сигнал наминус–входе,то счетчик считает в прямом направлении; если больше выход ЦАП , то счетчик считает в обратном направлении. Выход – это код счетчика. На графике рисунка 6.10, б сначала квантованная прямая до пересечения с аналоговым сигналом, а затем слежение за уровнем аналогового сигнала.
Достоинства: непрерывное слежение и выдача выхода; Недостаток: невысокая точность (≈0,5÷ 1%), присущая следящим
системам, поэтому в интегральных микросхемах этот способ не применяется.
Функциональная схема развертывающих АЦП подобна рисунку 6.10. Но
вданном случае производится квантование до пересечения с преобразуемым сигналом (см. рисунок 6.11), сброс в нуль, затем вновь квантование, сброс и т. д.
Рисунок 6.11
Достоинство: высокая точность (погрешность в 1квант). Недостатки:
–отсчет производится в точках 1, 2, а что в промежутке – неизвестно;
–большое время преобразования, так как необходимо развертывать квантами;
–циклы преобразования переменные во времени;
–можно сделать постоянные циклы, но это тоже не экономично;
–точки 1, 2 соответствуют коротким интервалам времени, в течение которого нужно произвести отсчет. Для того, чтобы интервал времени между точками 1 и 2 использовался более эффективно вводят УВХ (устройство выборки хранения) наподобие эмиттерных повторителей, хранящих уровни точек 1,2 в течение интервалов времени 1 — 2.
В связи с этими недостатками в интегральных микросхемах не применяются.
В интегральной схемотехнике широко применяется метод
последовательных приближений (поразрядного уравновешивания) с использованием регистра РПП (регистр последовательных приближений).
Сущность данного метода заключается в том, что заполняется регистр не от нуля. Первая единица вносится в старший разряд, затем – в ближайший к старшему и т. д. Следовательно, аналоговый выход соответствует не одному кванту, а старшему разряду и т. д. Т. е. регистр заполняется за время, соответствующее числу разрядов двоичного кода.
Процессы преобразования в определенной мере подобны скачкообразным на рисунке 6.11, но приближение к аналоговому сигналу происходят не “лесенкой”, т.е. начиная с младшего разряда, а скачками, вначале большими ступенями, так как заполнение регистра последовательного приближения начинается со старшего разряда кода, затем ступени уменьшаются в соответствии с “весом” разряда.
Функциональная схема, реализующая этот метод, изображена на рисунке
6.12.
218
studfiles.net
Компоненты и технологии, № 5’2002
Сигма-дельта ЦАП
Георгий Волович
Развитие цифровой звукозаписи (компакт-диски и магнитофоны) предъявляет высокие требования к ЦАП. Высококачественная звукозапись имеет динамический диапазон сигналов, превышающий 96 дБ, а это требует применения как минимум 17-разрядных ЦАП. Первоначально в цифровых системах звукозаписи получили распространение 18-разрядные параллельные ЦАП с формированием весовых токов резистивной матрицей Я-2Я. При умеренной цене практически невозможно было обеспечить монотонность их характеристик преобразования, но с этим приходилось мириться. Другая проблема цифрового звуковоспроизведения — избыточный шум и искажение сигналов, связанные с наложением спектров, — потребовала применения на входе ЦАП цифровых интерполирующих фильтров, восстанавливающих промежуточные значения сигнала по выборкам, записанным на магнитном или оптическом носителе с частотой
44,1 кГц. Работа интерполирующего фильтра иллюстрируется на рис. 1 [1]. Вначале вводятся дополнительные точки отсчета, нацело делящие отсчетные интервалы данных, поступающих с носителя. Эта операция называется передискретизацией. Число промежуточных интервалов отсчета, вводимых на каждом интервале поступления входных данных, определяет кратность передискретизации. Затем рассчитываются параметры тригонометрических полиномов, проходящих через точки, соответствующие входным выборкам. Необходимость интерполяции входного сигнала приводит к усложнению и удорожанию систем звуковоспроизведения.
Требования к цифровым системам звукозаписи, в которых запоминаются выборки непрерывно из-
меняющихся сигналов в дискретные моменты времени, вытекают из теоремы Котельникова, согласно которой сигнал может быть воспроизведен без искажений из последовательности его равноотстоящих по времени выборок в том случае, если ширина полосы частотного спектра этого сигнала меньше половины частоты выборок.
Для ЦАП это означает, что частота выборок должна быть больше, чем удвоенное значение самой высокой частоты сигнала, предназначенного для воспроизведения. Рис. 2, а иллюстрирует правильный выбор частоты отсчета. Здесь частота выборок /5 выше значения самой высокой частоты существенной части спектра /А более чем вдвое. На рис. 2, б показан частотный спектр восстановленного сигнала в случае, когда /5 < 2/А. При этом имеет место наложение спектров восстанавливаемого и зеркального сигнала, что приводит к искажениям. В цифровой звукозаписи используется частота выборок 44,1 кГц, которая более чем вдвое превышает общепринятый верхний предел звуковых частот 20 кГц.
В аудио-ЦАП с матрицей Я-2Я, таких как, например, РСМ1700 или ЛБ1865, данные, считываемые с носителя записи в последовательном коде, преобразуются с помощью сдвигового регистра в параллельный код. Эта архитектура имеет теоретический шумовой предел, равный шуму квантования, содержащемуся в данных цифровой звукозаписи. Указанные ЦАП не содержат никаких внутренних фильтров или формирователей спектра шума. Уровень шума, создаваемого аналоговыми шумовыми источниками, такими как резисторы (тепловой шум) и фликкер-шум (1//), как правило, не превышает 100 дБ.
%-‘а»
А)
Рис. 2. Наложение спектров при дискретизации аналоговых сигналов
Компоненты и технологии, № 5’2002
Обычно выходной сигнал ЦАП сглаживают с помощью аналогового фильтра. Этот фильтр должен устранять наложение спектра, подавляя все сигналы, частота которых превышает /А, как это показано на рис. 3. На практике эти фильтры несколько ослабляют сигналы также и звукового диапазона, однако это почти не ухудшает воспроизведения.
Как видно из рис. 3, для идеального воспроизведения цифрового сигнала необходимо, чтобы АЧХ ФНЧ в полосе от 20 кГц до 44,1-20 =
24,1 кГц снижалась по крайней мере, на 60 дБ. Такой спад АЧХ трудно реализовать на аналоговых фильтрах. Поэтому перед аудио-ЦАП с матрицей R-2R включают цифровые интерполирующие фильтры, такие как, например, YM3434 фирмы Yamaha или CXD1244S фирмы Sony, обеспечивающие передискретизацию. Цифровой фильтр для аудио-ЦАП интерполирует входные данные, а затем сглаживает их фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). Уровень ослабления исходных зеркальных компонент в полосе задерживания определяется порядком этого фильтра. Передискретизация уменьшает требования к выходному аналоговому фильтру. На рис. 4 для простоты показаны спектральные характеристики сигналов при двукратной интерполяции. Практически применяется 4- или 8-кратная интерполяция.
Сигма-дельта ЦАП используют иные принципы для получения широкого динамического диапазона воспроизводимых сигналов. Сигма-дельта модулятор преобразует спектр шума квантования, перенося основную часть энергии шума в высокочастотную область, где он может быть легко подавлен аналоговым фильтром относительно низкого порядка. Блок-схема сигма-дельта ЦАП представлена на рис. 5. Входной цифровой интерполирующий фильтр изготавливается на одном кристалле с сигма-дельта ЦАП, что упрощает включение схемы и снижает ее стоимость. Частотный спектр выходного сигнала типичного сигма-дельта модулятора со входным интерполирующим фильтром показан на рис. 6, а [2].
Сигма-дельта модулятор ЦАП представляет собой чисто цифровое устройство, которое преобразует последовательность многоразрядных слов на входе в малоразрядные двоичные коды, управляющие ключами параллельного ЦАП низкой разрядности, одновременно перенося энергию шума квантования в область более высоких частот. Структурная схема алгоритма работы сигма-дельта модулятора третьего порядка приведена на рис. 7. Здесь оператор zЛ обозначает задержку данных на один такт.
В качестве оконечного преобразователя код-аналог наиболее просто можно использовать однобитные ЦАП, представляющие собой аналоговый коммутатор, как это, например, сделано в ИМС семейства двухканальных 18-разрядных сигма-дельта ЦАП CS433х фирмы Crystal Semiconductor. В этих ЦАП обеспечивается 128-кратная передискретизация.
Блок-схема одного канала ЦАП CS4330 приведена на рис. 8. Уровень шума до -81 дБ, что многовато для высококачественных звуковых приложений. Микросхема помещается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC.
В более совершенных моделях сигма-дельта модулятор генерирует двухбитные (например, семейство РСМ17хх) или даже четырехбитные (семейство AD185х) коды, поэтому на выходе ЦАП формируется многоуровневое ступенчато изменяющееся напряжение, спектр которого содержит шумовые составляющие значительно
Интерполирующий цифровой фильтр
Сигма-дельта ЦАП ФНЧ
модулятор
Цифровой входной сигнал
Рис. 5. Блок-схема сигма-дельта ЦАП
Аналоговый выходной сигнал
Рис. 6. Спектр выходного сигнала сигма-дельта ЦАП
более низкого уровня вне звуковой полосы, чем преобразователи с однобитным ЦАП. Это ослабляет требования к выходному аналоговому фильтру в смысле крутизны спада АЧХ за полосой пропускания, а это, в свою очередь, позволяет снизить фазовые искажения. Как следствие уровень шума РСМ1710 не более -88 дБ, что значительно меньше, чем
Компоненты и технологии, № 5’2002
Таблица
Наименование ЦАП Разрядность, бит Число каналов Динам. диапазон, дБ Передискретизация Интерфейс Напряжение питания, В Мощность потребления, мВт Примечание
CS4330 18 2 94 128 Посл. 3, 5 60 1-битный аудио-ЦАП
AD1859 16/18 2 96 Переменная Посл. 5 300 4-битный аудио-ЦАП. Аналоговые аттенюаторы
AD1853 16…24 2 120 128 Посл. 5 375 Частота смены входных данных до 192 кГц
PCM1710 16/20 2 98 8 Посл 3,3; 5 300 5-уровневый выходной ЦАП
PCM1737 16.24 2 106 4/8 Посл. 3,3; 5 330 Программно управляемый
PCM1608 16.24 8 100 4/8 Посл. 3,3; 5 Н. д. Содержит цифровые аттенюаторы
AD1954 16.24 3 112 8 Посл. 5 Н. д. Встроенный цифровой процессор сигналов
DAC1220 20 1 — — Посл. 5 3 Промышленный ЦАП. 20-битная монотонность. Самокалибровка
Интерполирующий цифровой фильтр х!28 Сигма-дельта модулятор 3-го порядка 1 бит ЦДЛ ФНЧ
18бит44.1 кГц
22 бит 5.64 МГц 1 бит 5.64 МГц
Рис. 8. Блок-схема одного канала ЦАП CS433x
Аналоговый выходной сигнал
у однобитового CS4330. Частотный спектр выходного сигнала модулятора сигма-дельта ЦАП РСМ1710 показан на рис. 6, б.
Таким образом, остроумные инженерные решения на базе глубокой теоретической проработки позволили получить более высокое качество преобразования цифровых аудиоданных в аналоговые сигналы при меньшей стоимости. Например, оптовая цена стерео-ЦАП AD1865K с матрицей R-2R — лучшего по характеристикам ЦАП фирмы Analog Devices — 25,5 долл., не считая стоимости необходимого для него входного цифрового интерполирующего фильтра, а цена сигма-дельта стерео-ЦАП той же фирмы AD1853 со встроенным интерполирующим фильтром, причем с лучшими характеристиками, — всего 9 долл.
Дальнейшее развитие сигма-дельта аудио-ЦАП идет прежде всего по пути усложнения цифровой части этих микросхем. Новинка фирмы Analog Devices — трехканальный 24-разрядный сигма-дельта ЦАП AD1954 — содержит на кристалле 26-битный цифровой процессор сигналов, который помимо интерполяции входных данных выполняет также множество других функций по обработке входных цифровых аудиосигналов. В частности, он выполняет функции трехканального семиполосного эквалайзера, трехканального регулятора громкости и регулятора стереоба-
ланса, для чего предусмотрена программная задержка сигналов друг относительно друга на время до 6 мс, которая может быть использована также для имитации многоголосого звучания.
Несмотря на принципиальную монотонность при невысокой стоимости сигма-дельта ЦАП долго не находили применения в системах промышленного назначения. Первой ласточкой явилась 20-разрядная модель DAC1220 фирмы Burr-Brown (рис. 9). Аналоговая часть этой микросхемы очень проста. Она включает 1-битный преобразователь код-аналог, ФНЧ первого порядка на коммутируемом конденсаторе и непрерывный ФНЧ второго порядка. Зато цифровая часть хорошо развита — в нее входит микроконтроллер, необходимый, в частности, для выполнения операций самокали-бровки, последовательный интерфейс и сигма-дельта модулятор второго порядка. Хотя разрешающая способность DAC1220 составляет одну миллионную от полной шкалы, разработчики сумели обеспечить точность, соответствующую только 16 разрядам. Поэтому ЦАП можно запрограммировать для работы в 16-разрядном режиме. При этом у него возрастет быстродействие. В этом режиме погрешности линейности и смещения биполярного нуля после само-калибровки не превышают 1 бита. ЦАП имеет низкий уровень шума: в полосе 0,1-10 Гц его
CS DVdd DGND
Рис. 9. Блок-схема сигма-дельта ЦАП DAC1220
действующее значение не превышает 1 мкВ. Следствием применения 1-битного ЦАП явилось низкое быстродействие: время установления в 16-битном режиме составляет 2 мс, а в 20битном — 15 мс. Точность ЦАП во многом определяется точностью внешнего источника опорного напряжения, поэтому требования к нему очень высоки. К недостаткам ЦАП можно отнести довольно большую чувствительность к изменению напряжения питания — коэффициент ослабления влияния питающего напряжения составляет всего 60 дБ, поэтому микросхема должна питаться от высококачественного стабилизированного источника.
В таблице представлены важнейшие параметры некоторых моделей сигма-дельта-ЦАП. МММ
Литература
1. Sigma-delta ADCs and DACs//Application Note AN-283. — Analog Devices. — 1997. — 16 pp.
2. Gaddy L., Kawai H. Dynamic Performance Testing of Digital Audio D/A Conver-ters//Application Bulletin AB-104. — Burr-Brown Corporation. — 1998, — 8 pp.
cyberleninka.ru
Сигма- Дельта АЦП (называемые также Дельта-Сигма АЦП) производят аналого — цифровое преобразование с частотой дискретизации во много раз превышающей требуемую и путем фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу. Это один из самых важных типов АЦП. Они эффективны в тех задачах, где не требуются большие частоты дискретизации, но необходимо высокое разрешение сигнала.
В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с избыточной дискретизацией (передискретизацией), цифровой фильтрацией и децимацией преобразуемого сигнала. Децима́ция — уменьшение частоты дискретизации дискретного во времени сигнала путем удаления его отсчетов. Частота дискретизации (или частота сэмплирования) — частотавзятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при егодискретизации(в частности,аналого-цифровым преобразователем). Измеряется вГерцах
Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции — S) и интегратора (обозначение операции — D ). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность — это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.(Kfд, fд, ±Uос)
На рисунке компаратор ЗАМЕНИТЬ на АЦП!
DSP – дециматор
Основные узлы АЦП — это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 14. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка.
Сравнивая Сигма-дельта АЦП с АЦП многотактного интегрирования, можно сделать вывод о достоинствах первого:
-линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП многотактного интегрирования равной стоимости
-высокая точность;
-хорошее разрешение;
-относительно малая стоимость
-абсолютная помехозащищенность
-сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате
-Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС (интегральной микросхемы).
Недостатки: узкая полоса пропускания (подходит для «медленных» сигналов)
ЦАП – это устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал(ток,напряжениеилизаряд). Цифро-аналоговые преобразователи являютсяинтерфейсоммежду дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. ЦАПприменяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков.
Разрядность ЦАП – количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести, например, однобитный ЦАП способен воспроизвести 2 уровня (2^1=2), а восьмибитный – 256 (2^8) уровней.
Выделяют три основных типа ЦАП:
Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник токаилинапряженияпериодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговымфильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным вHi-Fi (класс аппаратуры)аудиотехнике;
ЦАП передискретизации, такие как дельта-cигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизацияпозволяет использовать ЦАП сменьшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования. Быстродействиедельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит.
Взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
Цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;
Сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;
Гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.
studfiles.net
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 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.
Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В)
|
Входной код |
Выходное |
|
0000 |
0,0000 |
|
0001 |
0,3125 |
|
0010 |
0,6250 |
|
0011 |
0,9375 |
|
0100 |
1,2500 |
|
0101 |
1,5625 |
|
0110 |
1,8750 |
|
0111 |
2,1875 |
|
1000 |
2,5000 |
|
1001 |
2,8125 |
|
1010 |
3,1250 |
|
1011 |
3,4375 |
|
1100 |
3,7500 |
|
1101 |
4,0625 |
|
1110 |
4,3750 |
|
1111 |
4,6875 |
Наиболее важные характеристики ЦАП — это 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.
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.
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.
Табл. 2. Сравнение интерфейсов ЦАП
|
Интерфейс |
Количество выводов |
Скорость работы |
|
Параллельный |
Данные: 8—16 линий; Управление и тактирование — 2—4 линии |
До 100 Мбит/с |
|
I2C |
2 линии: данные и тактирование |
До 1 Мбит/с |
|
SPI |
4 линии: тактовый сигнал, выходные данные, |
До 400 Мбит/с |
|
Microwire |
3 линии: тактовый сигнал, входные данные, синхронизация кадра |
До 400 Мбит/с |
Параллельный интерфейс — наиболее простой в реализации, однако при этом используется много линий передачи данных, микросхема имеет много выводов и занимает больше места на плате. Последовательные шины I2C и SPI являются наиболее распространенными в современных МК. Недостаток SPI — его нельзя настраивать так точно, как I2C, поэтому устройства с SPI могут быть не полностью совместимы между собой.
Разрядность ЦАП и величина опорного напряжения определяют шаг изменения выходного сигнала. Время установления определяет быстродействие ЦАП. При работе с постоянными или низкочастотными сигналами этот параметр не имеет большого значения. Однако им нельзя пренебрегать при работе на ВЧ.
Нелинейности бывают двух типов: интегральная и дифференциальная. Линейный ЦАП работает как зеркало, точно отражая входные данные. Влияние нелинейностей проиллюстрировано рисунком 5. Как правило, эти искажения следует учитывать в прецизионных схемах, таких как системы калибровки или измерительное оборудование.
| Рис. 5. Нелинейные искажения выходного сигнала |
Для работы ЦАП нужно два источника напряжения (питания и опорное). В некоторых схемах для них используется один вывод, однако в этом случае точность ИП должна быть очень высокой, не хуже 1%. Преобразователи с раздельными выводами имеют более сложную схему, однако они не так требовательны к выбору ИП.
Тип и размер корпуса также имеют большое значение и могут существенно сузить диапазон выбора. Например, если конвейер автоматической сборки не позволяет устанавливать ИС с шариковыми выводами, то ЦАП, не выпускающиеся в других корпусах, использовать нельзя. Во-вторых, корпус может повлиять на распределение тепла на плате. В портативных устройствах и устройствах с батарейным питанием можно использовать только малопотребляющие ЦАП.
Источниками шума в схеме являются проводники, разъемы, трансформаторы, индуктивности, электрическое поле, создаваемое конденсаторами, антенны и прочие элементы. Наибольший вклад вносят шумы от проводящих линий.
Как известно, соединительные проводники представляют собой не только активное, но и реактивное сопротивление. Соответственно, нужно следить за тем, чтобы все контуры возвратных токов были как можно меньше, тогда индуктивность проводов уменьшается и не возникает шума по земляной шине.
ЦАП можно подключить к нагрузке напрямую, однако, как правило, ставится дополнительный буфер или согласующее устройство. Это может быть неинвертирующий ОУ или повторитель напряжения (см. рис. 6). При использовании буфера следует удостовериться, что он не вносит погрешность больше 1/2 МЗР. При согласовании ОУ с ЦАП следует учитывать и другие параметры ОУ: полосу пропускания, размах напряжения и т.д.
| Рис. 6. Способы формирования выходного сигнала |
Если на плате имеется только один слой земли, то шум от цифровых элементов может проникнуть в аналоговую часть схемы. Чтобы избежать этого, рекомендуется делать отдельные полигоны земли для аналоговой и цифровой частей, соединенные тонким проводником. Второй способ — использовать два внутренних слоя, соединенных сквозным отверстием. Этот метод более надежен, однако стоимость платы увеличивается.
Литература
1. McCulley В. Bridging the Divide//www.analog-europe.com/en/bridging-the-divide-part-1—dac-introduction.html?cmp_id=71&news_id=222900832&vID=35.
2. Kester W. Data Conversion Handbook//Analog Devices, 2004.
www.russianelectronics.ru
В системах, использующих аналого-цифровое преобразование, избыточная дискретизация способствует снижению требований к ФНЧ.
Эта концепция обычно применяется в цифровых звуковоспроизводящих CD- проигрывателях, где основная скорость обновления данных от CD примерно равна 44 KSPS. Добавление «нулей» в параллельный поток данных увеличивает эффективную скорость обновления в 4, 8 или 16 раз по сравнению с базовой скоростью. 4-x, 8-ми, или 16-кратный поток пропускают через цифровой интерполяционный фильтр, который генерирует дополнительные значения данных. Высокая скорость избыточной дискретизации способствует смещению вверх крайних частот (image), допуская таким образом использование менее сложного фильтра с более широким переходным диапазоном.
Упрощенная блок-схема микросхемы AD9772 14-разрядного интерполирующего ЦАП с избыточной двукратной дискретизацией представлена на рис.4.11. Устройство предназначено для обработки 14-разрядных входных данных, поступающих с частотой до 150 MSPS. Максимальная частота данных на выходе интерполятора составляет 300 MSPS. Для выходной частоты 60 МГц, скорости обновления 150 МГц и коэффициента избыточной дискретизации 2 боковая частота равна 300 МГц — 60 МГц = 240 МГц. Поэтому переходной диапазон для аналогового фильтра равен 60 МГц – 240 МГц. Без избыточной дискретизации боковая частота равна 150 МГц — 60 МГц = 90 МГц и переходной диапазон фильтра находится в интервале от 60 МГц до 90 МГц.
Другой путь получения высокого разрешения состоит в использовании методов избыточной дискретизации и одноразрядного ЦАП. Этот метод, известный как сигма-дельта (Σ-∆), является методом с весьма интенсивными вычислениями, так что только недавно началось практическое использование его для изготовления ЦАП с высоким разрешением. Поскольку данный метод использует одноразрядный ЦАП, ему по определению свойственны линейность и монотонность.
Σ-∆-ЦАП, в отличие от Σ-∆-АЦП, является в основном цифровым устройством (рис.4.12).
Он состоит из интерполяционного фильтра (цифровая схема, 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), Σ-∆-модулятора (который эффективно действует как ФНЧ по отношению к сигналу и как ФВЧ по отношению к шуму квантования, преобразуя результирующие данные в высокоскоростной последовательный поток битов) и одноразрядного ЦАП, чей выход переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется внешним аналоговым ФНЧ. Вследствие высокой частоты избыточной дискретизации, сложность ФНЧ намного меньше, чем в случае традиционного подхода Найквиста.
Возможно использование большего, чем один, количества разрядов в ЦАП, и это приводит к многоразрядной архитектуре. Например, двойной 24-разрядный ЦАП AD1853 с быстродействием 192 KSPS имеет значение THD + N больше, чем 115 дБ при частоте дискретизации 48 KSPS.
studfiles.net
Начнем состязание. В левом углу — нынешний чемпион, АЦП последовательного приближения, в противоположном углу — относительный новичок, сигма-дельта АЦП.
Это будет матч, состоящий из семи раундов, каждый из которых соответствует следующим категориям.
Кто завоюет звание чемпиона в этом состязании? Будет ли это АЦП последовательного приближения со своим «лишним весом» (в виде схемы выборки и хранения), высокой скоростью и неустойчивым процессом преобразования — или «легкий» сигма-дельта АЦП с интегрирующей схемой, методичным и точным «мыслительным процессом»?
Точность преобразования отражает погрешности коэффициента усиления и нелинейности. Отклонение коэффициента усиления от идеального значения обсуждаются в данном разделе, а ошибки нелинейности будут рассмотрены в раундах 5 и 6.
Имеются два вида ошибок коэффициента усиления. Отклонение сигнала из-за масштабирования вызывается колебаниями опорного напряжения и коэффициента усиления между входом схемы и АЦП, что приводит к возникновению ошибки, пропорциональной уровню сигнала. Погрешность смещения вызывается рассогласованием входных каскадов во входных усилителях и операционном усилителе, который используется в интеграторе/компараторе АЦП.
На рисунке 1 показан сигма-дельта модулятор (интегратор, компаратор, 1-разрядный ЦАП и цифровой фильтр). Сигма-дельта АЦП может содержать усилитель с регулируемым коэффициентом усиления на входе. Изменение коэффициента усиления меняет величину входной емкости. Из-за колебаний этой емкости коэффициент усиления может отличаться от значений, которые требуется обеспечить при калибровке АЦП. Для компенсации ошибок смещения и коэффициента усиления вводятся корректирующие коэффициенты для нулевого результата преобразования, а также результатов преобразования для крайних значений шкалы.
| Рис. 1. Топологии сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения |
С другой стороны, точность преобразования АЦП последовательного приближения зависит от точности опорного напряжения, внутреннего ЦАП и компаратора. Погрешности внутреннего ЦАП и компаратора АЦП должны соответствовать общей погрешности системы — любые отклонения приводят к появлению ошибок линейности, которые не могут быть скомпенсированы путем калибровки.
Таким образом, раунд 1 выигрывает сигма-дельта АЦП ввиду присущего ему монотонного характера преобразования.
В сигма-дельта АЦП для завершения преобразования требуется 2n выборок, следовательно, скорость преобразования является функцией разрешения, и поэтому более высокое разрешение требует более длительного времени преобразования. Обычные сигма-дельта преобразователи, которые используются в цифровой аудиоаппаратуре, имеют полосу пропускания около 22 кГц. В последнее время на рынке появились сигма-дельта преобразователи с полосой пропускания 1—2 МГц и разрешением 12—20 разрядов. Они, как правило, содержат сигма-дельта модулятор 4-го порядка (или выше) с многоразрядными ЦАП в цепи обратной связи.
В начале цикла преобразования АЦП последовательного приближения ЦАП устанавливается на половину шкалы, и производится сравнение измеряемого напряжения с выходным напряжением ЦАП. На каждом последующем шаге ЦАП обновляется, выбирается следующий разряд, и снова производится сравнение. Цифровое представление входного напряжения находится методом двоичного поиска делением пополам (последовательное приближение).
Раунд 2 выигрывает АЦП последовательного приближения из-за более быстрого алгоритма преобразования.
Оба типа нелинейности — дифференциальная и интегральная — зависят от топологии преобразователя. Ошибки дифференциальной и интегральной нелинейности не могут быть откалиброваны как ошибки коэффициента усиления и смещения.
Точность сигма-дельта АЦП зависит от времени установления операционного усилителя (ОУ) в интеграторе/компараторе. Если модулятор переключается слишком быстро и ОУ не может это отследить, то возникают нелинейности.
Сигма-дельта АЦП по своей природе является монотонным преобразователем, независимо от того, какое у него разрешение. Параметры этого АЦП заложены в топологию и не зависят от точных номиналов компонентов или согласования элементов.
В АЦП последовательного приближения погрешности линейности связаны с точностью внутреннего ЦАП и компаратора. Погрешность вследствие нелинейности в таких АЦП является побочным эффектом топологии АЦП последовательного приближения.
Раунд 3 выигрывает сигма-дельта АЦП.
Сигма-дельта преобразователь демонстрирует повышенную нелинейность при определенных выходных кодах. Это определяется КИХ-фильтром, который используется в качестве дециматора преобразователя. Нелинейность проявляется наиболее заметно в конечных точках шкалы. Нелинейность в конечных точках не имеет значения при обработке непрерывного потока данных, как, например, в цифровом аудио; однако в системах, в которых требуются линейные измерения сигнала полного размаха, сигма-дельта-преобразователи использовать сигма-дельта-преобразователи не следует.
АЦП последовательного приближения не проявляет заметную нелинейность в конечных точках шкалы, которая наблюдается в сигма-дельта-преобразователях. Точность АЦП в этих точках зависит от способности внутреннего ЦАП и компаратора отслеживать напряжение полного размаха.
Раунд 4 закончился победой АЦП последовательного приближения за его высокую точность в конечных точках шкалы.
Дифференциальная нелинейность — это разница между реальной величиной ступеньки преобразования и идеальным значением одного наименьшего значащего разряда (НЗР). Следовательно, если ширина или высота ступеньки преобразования равна точно одному НЗР, то дифференциальная нелинейность равна нулю. Если дифференциальная нелинейность превышает 1 НЗР, то преобразователь может стать немонотонным. Это означает, что величина выходного кода не всегда соответствует входному значению напряжения. Кроме того, в АЦП также есть вероятность пропуска кодов, т.е. один или более из возможных 2n двоичных кодов никогда не появятся на выходе.
Сигма-дельта АЦП по своей природе монотонны независимо от того, какое у них разрешение. Его характеристики заложены в конфигурацию и не зависят от точных номиналов компонентов или согласования элементов.
АЦП последовательного приближения не является монотонным преобразователем, и его характеристики зависят от точности номиналов компонентов и согласования элементов.
Раунд 5 выигрывает сигма-дельта АЦП.
Интегральная нелинейность — это отклонение значений реальной передаточной функции от прямой линии. Эта линия может либо максимально совпадать с прямой так, чтобы минимизировать отклонения, либо соединять конечные точки передаточной характеристики таким образом, чтобы свести к нулю ошибки коэффициента усиления и смещения. Для АЦП эти отклонения измеряются при переходе от одной ступеньки преобразования к другой, а термин «интегральная нелинейность» отражает то, что сумма дифференциальных нелинейностей от нижней точки шкалы до текущей ступеньки определяет величину интегральной нелинейности на данной ступеньке.
Раунд 6 выигрывает сигма-дельта АЦП, так как его топология не зависит от точного соблюдения номиналов компонентов. В АЦП последовательного приближения, напротив, требуется весьма точный ЦАП и компаратор.
Ошибка квантования обусловлена ограниченным разрешением АЦП и неизбежным несовершенством всех типов АЦП. Это — ошибка округления при преобразовании аналогового входного напряжения АЦП в выходной оцифрованный код. Шум является нелинейным и зависящим от сигнала.
Сигма-дельта-преобразователи не требуют использования фильтров с крутым спадом частотной характеристики на аналоговых входах для устранения эффектов наложения спектра из-за того, что частота выборки превышает эффективную полосу пропускания АЦП. Передискретизация обеспечивает усреднение любых системных помех на аналоговых входах. В сигма-дельта-преобразователях скорость приносится в жертву высокому разрешению.
Основными преимуществами АЦП последовательного приближения являются малое энергопотребление, высокое разрешение и точность. В АЦП последовательного приближения увеличение разрешения сопровождается увеличением стоимости более точных внутренних компонентов.
В раунде 7, по-видимому, можно зафиксировать ничью.
Хотя сигма-дельта АЦП победил в большинстве раундов, по итогам матча голоса судей разделились поровну. Оба преобразователя добиваются превосходства в определенных приложениях. При выборе из этих двух видов АЦП необходимо учитывать тип сигнала, который требуется оцифровывать, скорость и точность преобразования, цену.
Следует также учитывать особенности каждого приложения. Будь это потребительская и автомобильная электроника или медицинские и промышленные устройства — во всех этих приложениях аналоговые сигналы необходимо детектировать с помощью датчиков, усилить, согласовать и преобразовать с помощью АЦП в цифровую форму. Сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения, каждый со своими преимуществами и недостатками, реализуются на базе специфических требований к приложению. Каждый из этих типов АЦП способен проявить себя наилучшим образом при решении конкретной задачи.
Учитывая этот факт, в различных архитектурах микроконтроллеров предусматривают возможность гибкой реализации блоков АЦП на основе встроенных средств программирования аналоговых компонентов, что позволяет создавать несколько сигма-дельта АЦП, АЦП последовательного приближения и даже сочетать оба типа АЦП в одном проекте.
На рисунке 2 показано множество программируемых аналоговых
компонентов, доступных в такой микроконтроллерной архитектуре. Система
аналогового программирования позволяет разработчикам создавать специфические
комбинации как из стандартных, так и из усовершенствованных блоков обработки
аналоговых сигналов. Эти блоки в дальнейшем соединяются между собой,
обеспечивая высокий уровень гибкости проектирования и
IP-безопасности.
| Рис. 2. Некоторые аналоговые компоненты, доступные в программируемой аналоговой микроконтроллерной архитектуре. Разработчики имеют возможность реализовать компоненты, которые лучше подходят для данного приложения |
 |
Используя графический редактор проекта, разработчики имеют возможность работать в среде совместного проектирования аппаратных и программных средств, чтобы создавать уникальную схему. Конфигурируя соединения между портами ввода/вывода общего назначения и различными аналоговыми ресурсами, а также между самими аналоговыми узлами, разработчик может построить схему, например, АЦП последовательного приближения, которая обычно содержит ЦАП, компаратор и цифровую логику (см. рис. 3).
| Рис. 3. С помощью среды совместного проектирования аппаратных и программных средств, например, PSoC Creator компании Cypress Semiconductor, разработчики могут построить сигма-дельта АЦП и АЦП последовательного приближения, которые оптимизированы для данного приложения |
 |
Программируемые аналоговые блоки обеспечивают не только гибкость и возможность быстрого внесения изменений в проект, но также позволяют создать платформу, на базе которой разработчики могут испытывать свои идеи и оперировать различными дискретными аналоговыми компонентами для построения в высшей степени оптимизированной системы.
Литература
1. Andrew Siska, Meng He. “Golden Gloves” A/D Converter Match: Successive-approximation register vs. sigma-delta topology // www.industrialcontroldesignline.com.
www.russianelectronics.ru