Wie funktioniert ein Digital-Analog-Wandler?

Elektronik und Geräte, die Sie in Ihrem täglichen Leben verwenden, müssen Daten und Eingabequellen in andere Formate umwandeln. Bei digitalen Audiogeräten beruht die Tonerzeugung einer MP3-Datei auf der Konvertierung zwischen analogen und digitalen Datenformaten. Diese Digital-Analog-Wandler (DACs) nehmen digitale Eingangsdaten auf und wandeln sie für diese Zwecke in analoge Audiosignale um.

Der Ton, den diese Audiogeräte erzeugen, ist die analoge Form digitaler Eingangsdaten. Diese Konverter ermöglichen die Konvertierung von Audio aus einem digitalen Format, einer benutzerfreundlichen Art von Audio, das Computer und andere Elektronik in ein analoges Format, das aus Luftdruckschwankungen besteht, die selbst klingen.

DACs nehmen eine Binärzahl der digitalen Form von Audio und wandeln sie in eine analoge Spannung oder einen analogen Strom um, Wenn dies vollständig im Verlauf eines Songs geschieht, kann eine Audiowelle erzeugt werden, die das digitale Signal darstellt. Es erstellt die analoge Version des digitalen Audios in "Schritten" jeder digitalen Lesung.

Bevor das Audio erstellt wird, erstellt der DAC eine Treppenstufenwelle. Dies ist eine Welle, bei der es zwischen jedem digitalen Messwert einen kleinen "Sprung" gibt. Um diese Sprünge in einen glatten, kontinuierlichen analogen Messwert umzuwandeln, verwenden DACs Interpolation. Dies ist eine Methode, zwei Punkte nebeneinander auf der Treppenstufenwelle zu betrachten und die Werte dazwischen zu bestimmen.

Dadurch wird der Klang weich und weniger verzerrt. DACs geben diese Spannungen aus, die zu einer kontinuierlichen Wellenform geglättet wurden. Im Gegensatz zum DAC verwendet ein Mikrofon, das Audiosignale aufnimmt, einen Analog-Digital-Wandler (ADC), um ein digitales Signal zu erzeugen.

Während ein DAC ein digitales binäres Signal in ein analoges wie z. B. Spannung umwandelt, macht ein ADC das Gegenteil. Es nimmt eine analoge Quelle und wandelt sie in eine digitale um. Zusammen verwendet können der Wandler und ein ADC-Wandler für einen DAC einen großen Teil der Technologie der Tontechnik und Aufnahme ausmachen. Die Art und Weise, wie sie beide verwendet werden, ermöglicht Anwendungen in der Kommunikationstechnologie, die Sie in einem ADC- und DAC-Tutorial kennenlernen können.

Auf die gleiche Weise, wie ein Übersetzer Wörter zwischen Sprachen in andere Wörter umwandeln kann, arbeiten ADCs und DACs zusammen, um Menschen über große Entfernungen kommunizieren zu lassen. Wenn Sie jemanden über das Telefon anrufen, wird Ihre Stimme von einem Mikrofon in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt.

Dann wandelt ein ADC das analoge Signal in ein digitales um. Die digitalen Ströme werden durch Netzwerkpakete gesendet und wenn sie das Ziel erreichen, werden sie von einem DAC wieder in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt.

Diese Designs müssen die Merkmale der Kommunikation über ADCs und DACs berücksichtigen. Die Anzahl der Messungen, die der DAC pro Sekunde durchführt, ist die Abtastrate oder Abtastfrequenz. Durch eine höhere Abtastrate erreichen die Geräte eine höhere Genauigkeit. Ingenieure müssen auch Geräte mit einer großen Anzahl von Bots erstellen, die die Anzahl der Schritte darstellen, die, wie oben beschrieben, verwendet werden, um die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt darzustellen.

Je mehr Schritte, desto höher die Auflösung. Sie können die Auflösung bestimmen, indem Sie 2 hoch der Anzahl der Bits des DAC oder ADC nehmen, der das analoge bzw. digitale Signal erzeugt. Bei einem 8-Bit-ADC beträgt die Auflösung 256 Schritte.

•••Syed Hussain Ather

Ein DAC-Wandler wandelt einen Binärwert in einen Spannungswert um. Dieser Wert ist der Spannungsausgang wie im obigen Diagramm zu sehen. Sie können die Ausgangsspannung berechnen als

für die SpannungenVüber jeden Abschwächer und den LeitwertGjedes Dämpfungsgliedes. Die Dämpfungsglieder sind Teil des Prozesses bei der Erzeugung des analogen Signals, um Verzerrungen zu reduzieren. Sie sind parallel geschaltet, sodass jeder einzelne Leitwert auf diese Weise durch diese Digital-Analog-Wandlerformel summiert wird.

Sie können verwendenThevenins Theoremum den Widerstand jedes Dämpfungsglieds mit seinem Leitwert in Beziehung zu setzen. DasTheveninresistenz​ ​ist​

Thevenins Theorem besagt: „Jede lineare Schaltung, die mehrere Spannungen und Widerstände enthält, kann durch nur eine einzige Spannung in Reihe ersetzt werden mit einem einzelnen Widerstand, der über die Last geschaltet ist." Auf diese Weise können Sie Größen aus einer komplizierten Schaltung berechnen, als wäre es eine einfache einer.

Denken Sie daran, dass Sie auch verwenden könnenOhm'sches Gesetz,​ ​V = IRfür SpannungV, Stromichund WiderstandRbeim Umgang mit diesen Schaltungen und jeder Digital-Analog-Wandlerformel. Wenn Sie den Widerstand eines DAC-Wandlers kennen, können Sie eine Schaltung mit einem DAC-Wandler verwenden, um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zu messen.

Es gibt viele beliebteADC-Architekturenwie zum Beispiel sukzessive Approximationsregister (SAR), Delta-Sigma (∆∑) und Pipeline-Konverter. Der SAR wandelt ein analoges Eingangssignal in ein digitales um, indem er das Signal "hält". Dies bedeutet, dass die kontinuierliche analoge Wellenform durch eine binäre Suche durchsucht wird, die alle möglichen Quantisierungsstufen durchsucht, bevor für jede Umwandlung ein digitaler Ausgang gefunden wird.

​Quantisierungist eine Methode zum Abbilden eines großen Satzes von Eingangswerten von einer kontinuierlichen Wellenform auf Ausgangswerte, die weniger zahlenmäßig sind. Die SAR-ADCs sind im Allgemeinen einfach zu verwenden, haben einen geringeren Stromverbrauch und eine hohe Genauigkeit.

​Delta-Sigma-DesignsFinden Sie den Durchschnitt des Samples über die Zeit, die es als digitales Eingangssignal verwendet. Der Mittelwert über die Zeitdifferenz des Signals selbst wird mit den griechischen Symbolen Delta (∆) und Sigma (∑) dargestellt, die ihm seinen Namen geben. Dieses Verfahren von ADCs hat eine hohe Auflösung und hohe Stabilität bei geringem Stromverbrauch und geringen Kosten.

Schließlich,Pipeline-KonverterVerwenden Sie zwei Stufen, die es wie SAR-Methoden "halten", und senden Sie das Signal durch verschiedene Schritte wie Flash-ADCs und Dämpfungsglieder. Ein Flash-ADC vergleicht jedes Eingangsspannungssignal über einen kurzen Zeitraum mit einer Referenzspannung, um einen binären digitalen Ausgang zu erzeugen. Pipeline-Signale haben im Allgemeinen höhere Bandbreiten, jedoch eine geringere Auflösung und benötigen mehr Leistung zum Betrieb.

Ein weit verbreitetes DAC-Design ist dasR-2R-Netzwerk. Dies verwendet zwei Widerstandswerte, wobei einer doppelt so groß ist wie der andere. Auf diese Weise lässt sich R-2R leicht skalieren, um das digitale Eingangssignal mit Widerständen zu dämpfen und zu transformieren und den Digital-Analog-Wandler zum Laufen zu bringen.

EINbinär gewichteter Widerstandist ein weiteres gängiges Beispiel für DAC. Diese Geräte verwenden Widerstände mit Ausgängen, die sich an dem einzelnen Widerstand treffen, der die Widerstände summiert. Die signifikanteren Teile des digitalen Eingangsstroms ergeben einen größeren Ausgangsstrom. Mehr Bits dieser Auflösung lassen mehr Strom durch.

MP3s und CDs speichern Audiosignale in digitalen Formaten. Dies bedeutet, dass DACs in CD-Playern und anderen digitalen Geräten verwendet werden, die Sounds wie Soundkarten für Computer und Videospiele erzeugen. DACs, die einen analogen Line-Level-Ausgang erzeugen, können in Verstärkern oder sogar USB-Lautsprechern verwendet werden.

Diese Anwendungen von DACs beruhen normalerweise auf einer konstanten Eingangsspannung oder einem konstanten Strom, um die Ausgangsspannung zu erzeugen und den Digital-Analog-Wandler zum Laufen zu bringen. Multiplizierende DACs können unterschiedliche Eingangsspannungs- oder Stromquellen verwenden, aber sie unterliegen Einschränkungen hinsichtlich der Bandbreite, die sie verwenden können.