Для тестирования была выбрана дельта-сигма ЦАП РСМ1794, на вход которой был подан прямоугольный импульс. На рисунке 4 представлена выходной сигнал микросхемы ЦАП, на котором отчетливо видно отличие формы сигнала, снятого с выхода микросхемы ЦАП, от прямоугольного импульса.
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 08.05.2017 2017-05-08
Статья просмотрена: 1429 раз
Библиографическое описание:
Григорьев, П. В. Сравнение мультибитных и дельта-сигма-цифроаналоговых преобразователей / П. В. Григорьев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 18 (152). — С. 30-33. — URL: https://moluch.ru/archive/152/43095/ (дата обращения: 03.01.2021).
Ключевые слова: цифро-аналоговые преобразователи
The scope of the DAC is growing every year because they find use in various areas — sound amplifiers, video processing devices, audio codecs, display devices, data recognition systems, calibration of sensors and other measuring devices, motor control circuits, data distribution systems, Digital potentiometers. Currently, two types of digital-to-analog converters have been widely used: multibit, based on R-2R matrix and DACs with 1-bit conversion, called «delta-sigma».
Keywords: Digital-to-analog converters
1 Описание типов ЦАП
Широкое применение нашли два типа ЦАП: мультибитные и дельта-сигма цифро-аналоговые преобразователи. Говоря о мультибитных ЦАП, будет рассматриваться цифро-аналоговый преобразователь, построенный на матрице резисторов. Так же известный, как ЦАП с взвешиванием токов или ЦАП на базе матрицы R-2R. На рисунке 1 изображена матрица резисторов.
Рис. 1.Матрица резисторов R-2R
Рис. 2. Функциональная схема 1 бит ЦАП на основе дельта-сигма — модулятора 1 порядка
2. Переходные процессы микросхем цифро-аналоговых преобразователей.
График единичного ступенчатого сигнала и реакция системы на него показаны на рисунке 3.
Рис. 3. График единичного ступенчатого сигнала и реакция системы на него
Для тестирования была выбрана дельта-сигма ЦАП РСМ1794, на вход которой был подан прямоугольный импульс. На рисунке 4 представлена выходной сигнал микросхемы ЦАП, на котором отчетливо видно отличие формы сигнала, снятого с выхода микросхемы ЦАП, от прямоугольного импульса.
Рис. 4. Реакции дельта-сигмы ЦАП РСМ1794 на единичный ступенчатый сигнал
На рисунке 5 показан меандр частотой 1 кГц, который подается на входы дельта-сигма ЦАП РСМ1794 и мультибитной ЦАП РСМ1704. По причине цифровой фильтрации внутри РСМ1794 его переходной процесс носит колебательный характер. Переходной процесс микросхемы ЦАП РСМ1704 так же слегка колебательный, но колебания есть только после завершения фронта, и обусловлены выходным аналоговым фильтром.
Рис. 5: 1) Реакции мультибитной ЦАП РСМ1704 на меандр частотой 1 кГц; 2) Реакции дельта-сигмы ЦАП РСМ1794 на меандр частотой 1 кГц
Выводы
Одной из самых важных характеристик цифро-аналогового преобразователя является переходная характеристика т. е. реакция на изменение входного сигнала от нуля до единицы за короткий промежуток времени. По характеру монотонности переходной характеристики можно судить о точности воспроизведения аналогового сигнала.
В силу особенностей принципа работы (соседние отсчеты после применения цифрового фильтра зависят друг от друга) все дельта-сигма ЦАП имеют колебательную переходную характеристику. В то время как мультибитные ЦАП, без применения дополнительного внешнего (по отношению к ЦАП) цифрового фильтра лишены этого недостатка.
Видно, что кроме сумматора требуется еще элемент задержки на 1 такт, роль которого выполняет триггер. Таким образом, схема сумматора двух дельта-сигма потоков будет выглядеть, как показано на рис. 10.
Введение
Дельта-модуляция
Рассмотрим блок-схему дельта-модулятора, изображенную на рис. 1. Принцип его действия можно описать следующим образом: на основании некоторого набора предыдущих выборок сигнала делается предположение о последующей. Затем предполагаемое значение сравнивается с фактическим и выносится решение о знаке их различия, что и является выходным сигналом.
Рис. 1. Блок-схема дельта-модулятора: ФНЧ — фильтр низких частот
Эта схема имеет ряд существенных недостатков, которые препятствовали ее применению в аппаратуре аналогово-цифрового преобразования. Попытки ее модернизации привели к переходу от дельта-модуляции к дельта-сигма модуляции.
Дельта-сигма модуляция
Рис. 2. Переход от дельта-модулятора к дельта-сигма модулятору
Рис. 3. Схема дельта-сигма модулятора
Рис. 4. Осциллограмма выходного сигнала дельта-сигма модулятора
Такие особенности позволяют кодировать в формате дельта-сигма модуляции сигналы с частотой от 0 до 100 кГц. В частности, прямоугольное аналоговое напряжение и уровни постоянного напряжения, последнее актуально при применении дельта-сигма модуляции в датчиках медленно меняющихся сигналов. Демонстрационные материалы из документа о формате дельта-сигма модуляции Square-wave reproduction, опублико
ванного на сайте фирмы Philips, результаты которых изображены на рис. 5, подтверждают вышесказанное. Здесь показано, как прямоугольное напряжение частотой 10 кГц проходит через цепь кодер-декодер в форматах ИКМ (16 бит, 44 кГц), ИКМ (24 бита, 96 кГц) и в формате дельта-сигма модуляции (2,8 МГц). Причем в ИКМ-формате на выходе получается сигнал синусоидальной формы, в то время как в формате дельта-сигма модуляции сигнал воспроизводится ближе всего к исходному.
Рис. 5. Результаты тестирования
Рис. 6. Спектры выходного сигнала
Рис. 7. Схема линеаризованной дискретной
модели системы
Рассмотрим Z-преобразование этой системы дельта-сигма модулятора:
Информационные параметры
Еще одним важным на сегодня параметром сигнала является его информационная емкость. Здесь следует отметить, что сигнал в формате дельта-сигма модуляции не требует кадровой синхронизации, а значит, считывать его можно в любой момент времени в записи или в канале передачи. В этом его сходство с аналоговым сигналом. Еще одно важное его отличие — это факт одинаковой информационной емкости каждого бита в потоке, что повышает помехоустойчивость сигнала в формате дельта-сигма модуляции.
Применение
Рис. 8. Спектры шума в различных форматах
Рис. 9. Структуры «кодер – ЦСП – декодер»:
ДСДМ — дельта-сигма демодулятор; ЦСП — цифровой сигнальный процессор
С появлением прецизионных и дешевых дельта-сигма АЦП и ЦАП возникает возможность избавиться от лишних ступеней преобразования форматов и перейти к новой схеме обработки и передачи сигналов уже без формата ИКМ. На рис. 9б изображена такая схема. Поток с выхода дельта-сигма модулятора поступает непосредственно на вход специального сигнального процессора (или ПЛИС) и на приемной стороне дельта-сигма ЦАП.
Однако попробуем разобраться, какие препятствия стоят на пути подобного упрощения системы, и рассмотрим их по порядку. Во-первых, пока не существует отработанных методов цифровой обработки дельта-сигма потоков для многих важных операций. Во-вторых, существующие методы не позволяют поддерживать качество обработанных с их помощью сигналов на приемлемом уровне. Иными словами, при выполнении каждой операции прямой обработки дельта-сигма сигналов существенно возрастает уровень шумов в сигнале.
Итак, какие же операции может выполнять разработчик над дельта-сигма сигналами? Одной из методик цифровой обработки дельта-сигма модулированных сигналов является так называемый метод Кувараса. Пусть Хп и Уп — две синхронные дельта-сигма последовательности. Для их сложения используем полный двоичный одноразрядный сумматор, описываемый выражениями:
Видно, что кроме сумматора требуется еще элемент задержки на 1 такт, роль которого выполняет триггер. Таким образом, схема сумматора двух дельта-сигма потоков будет выглядеть, как показано на рис. 10.
Рис. 10. Сумматор дельта-сигма потоков
После демодулирования потока Sn получается сигнал, равный полусумме Xn и Yn, который описывается следующим выражением:
где e1(t) и e2(t) — ошибки квантования сигналов x (t) и y (t). Уменьшить эти ошибки в k раз можно, подавая на тактовый вход триггера сигнал с частотой, в k раз превышающей f квантования. Однако следует учесть, что с каждым последующим сложением ошибка будет все больше возрастать, а значит, будет повышаться и уровень шумов.
Таблица 1. Таблица истинности 3-входового элемента
| X1 | X2 | X3 | Y |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
Рис. 11. Схема умножителя на 3
Приведем наглядный пример. Когда в устройство попадают единичные импульсы, разделенные большим количеством нулевых, на выходе плотность единичных импульсов увеличивается в данном случае втрое. В дельта-сигма модуляции, как было сказано, уровень сигнала представляется плотностью единичных импульсов. Указанная схема моделировалась в различных компьютерных программах и показала свою работоспособность при сигналах малой амплитуды, симметричных относительно 0.
Следовательно, увеличивается и уровень сигнала в данном временном окне. Графики сигналов представлены на рис. 12. Красным цветом примерно обозначено соответствующее аналоговое напряжение.
Рис. 12. Графики входного и выходного сигналов умножителя
При реализации в ПЛИС семейства Spartan 3A обе рассмотренные схемы для обработки дельта-сигма потока требуют значительно меньше аппаратных ресурсов, чем подобные схемы для потока данных в формате ИКМ. Так, например, результаты моделирования двух указанных операций над сигналами S1 и S2 по формуле:
показаны в таблице 2. (Общие для обеих реализаций элементы в таблице не учтены.)
Таблица 2. Необходимые для различных форматов
| Ресурс | ДСМ | ИКМ |
| FLIP-FLOPS | 5 | 17 |
| LOOK-UP TABLES | 5 | 30 |
| SLICES | 4 | 18 |
Заключение
Для примера Uоп = 2В; Uвх = 1В.
Сигма-дельта АЦП
Для примера Uоп = 2В; Uвх = 1В.
Напряжение на выходе интегратора принимает значения:
Теперь как это можно сделать. На рисунке ниже схема нарисованная в Proteus.
U1:A — вычитатель;
U1:B — интегратор. Так, как интегратор инвертирующий, у вычитателя входы поменяны местами — входное напряжение вычитается из опорного.
U1:C — компаратор
U1:D — повторитель, чтобы входное сопротивление вычитателя не подсаживало Uоп. Можно и без него.
U5 — ключ. Переключает +Uоп и -Uоп.
Сверху U10 — счетчик задает 2048 тактов для счета (2^11). Код с выхода триггера подсчитывается на счетчике-таймере-индикаторе(прибор Proteus).
Графики работы для Uвх=+1В 
Код формируемый счетчиком 1537 
1537/2048*4-2 = 1.002В. Ошибка составила 2мВ
Можно сделать так чтобы выходной код был сразу в милливольтах. Так как счетный интервал 2048 импульсов, то соответсвующий диапазон напряжений должен быть от 0 до 2.048В. Меняем -Uоп на GND и +U на 2.048.
Как же это работает? RC цепочка заряжается и разряжается в зависимости от предыдущего такта работы (был превышен порог или нет). Крутизна заряда-разряда меняется в зависимости от напряжения. Так вблизи нуля скорость заряда больше скорости разряда, в середине равны, вблизи +Uоп заряд медленнее разряда.
Если в МК есть компаратор, то потребуется лишь внешняя RC цепочка.
Постоянная времени должна быть выбрана в соответствии с временем такта.
Пример программы для контроллера MSP430
Окончательное устранение шумов квантования осуществляется аналоговым фильтром Баттерворта третьего порядка. Здесь же производится коррекция предыскажений (деимфазис), если в служебных данных присутствует сигнал о их наличии.
Сигма-дельта (или дельта-сигма, кому как) модуляция известна достаточно давно — с 1962 года. Однако практическое применение её в системах высококачественного воспроизведения звука было затруднено тем, что не было достаточно быстродействующей элементной базы.
Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума квантования, возникающего в процессе дискретизации с низким разрешением, преобразуется так, что в полосе звуковых частот его уровень понижается, а в области высоких частот (за пределами основной полосы) повышается. Затем полученный цифровой поток обрабатывается прореживающим фильтром низких частот (фильтр-дециматор) с получением в результате последовательности отсчетов необходимой разрядности, следующих с выбранной частотой дискретизации.
Схема блока аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 1. В отличии от многоразрядных АЦП, здесь для выделения полосы частот звукового сигнала не требуется применения сложного антиэлайсинг-фильтра. Вполне достаточно простого ФНЧ 3-го порядка. Кроме того, не требуется и применения устройства выборки и хранения (УВХ), так как преобразование аналогового сигнала осуществляется непосредственно, без предварительной фиксации величины выборки.
Рис. 1 — Блок АЦП с использованием сигма-дельта модулятора
Для того, чтобы минимизировать содержание шумов в полосе звуковых частот, в схему включен рекурсивный фильтр-преобразователь, который перемещает часть спектра шума квантования в высокочастотную область, где его можно легко отфильтровать на стадии децимации (рис. 3).
Рис. 2 — Простейший сигма-дельта модулятор
Рис. 3 — Эффект применения фильтра-преобразователя
Рекурсивным фильтром называется такой фильтр, значение сигнала на выходе которого в любой момент времени зависит не только от конечного числа отсчетов входного сигнала, но и благодаря обратным связям, от некоторого числа отсчетов выходного сигнала в предшествующие моменты. Такие фильтры называют ещё фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой или БИХ-фильтрами.
Фильтр, значение сигнала на выходе которого зависит только от конечного числа отсчетов на его входе, называется трансверсальным фильтром или фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтром).
Рис. 4 — Блок ЦАП с использованием сигма-дельта модулятора
Основным достоинством одноразрядного преобразователя является простота исполнения кватователя и ЦАП, не требующих высокоточных взвешивающих элементов, которые очень сложно реализовать в интегральном исполнении.
Принцип сигма-дельта модуляции положен в основу разработанного фирмой PHILIPS метода цифро-аналогового преобразования «Bit Stream», который до сих пор широко используется ею в своих проигрывателях компакт-дисков. Алгоритм такого преобразования, реализованный в микросхеме SAA7320 и её многочисленных модификациях, показан на рис. 5.
Рис. 5 — Алгоритм работы системы «Bit Stream», реализованный в МС SAA7320
После передискретизации производится преобразование спектра шума квантования с помощью сигма-дельта модулятора второго порядка (рис. 6). При этом число разрядов в потоке данных уменьшается до одного. В результате такой операции большая часть шумов квантования из слышимой области перемещается далеко за её пределы.
Рис. 6 — Фильтр-преобразователь шума (сигма-дельта модулятор 2-го порядка) системы «Bit Stream»
И, наконец, на последнем этапе из двоичного потока формируется аналоговый сигнал. Такое формирование осуществляется с помощью простого одноразрядного преобразователя, представляющего собой устройство с переключаемыми емкостями. Выходной каскад ЦАП является к тому же первым звеном аналогового ФНЧ.
Окончательное устранение шумов квантования осуществляется аналоговым фильтром Баттерворта третьего порядка. Здесь же производится коррекция предыскажений (деимфазис), если в служебных данных присутствует сигнал о их наличии.
Японские специалисты нашли выход из положения, соединяя одноконтурные и двухконтурные сигма-дельта модуляторы в каскадную схему.
Пока мы еще не стали биокиборгами, все цифрованные удовольствия приходится предварительно раскодировывать и придавать им физическое измерение. Узловой точкой в этом процессе является цифроаналоговый преобразователь — конвертер, DAC, ЦАП… У него много имен, как у Люцифера.
Пока мы еще не стали биокиборгами, все цифрованные удовольствия приходится предварительно раскодировывать и придавать им физическое измерение. Узловой точкой в этом процессе является цифроаналоговый преобразователь — конвертер, DAC, ЦАП… У него много имен, как у Люцифера.
По материалам издания STEREO & VIDEO
Автор Ярослав Годына
Частота дискретизации в линии связи с дельта-модуляцией обычно выбирается выше частоты дискретизации импульсно-кодовой модуляции. Только в этом случае качество сигнала на выходе этой системы становится сравнимым с качеством сигнала на выходе ИКМ системы. При этом чем выше частота дискретизации по отношению к частоте преобразуемого сигнала, тем меньше будет ошибка его дискретизации.
В ряде случаев точности, которую достигают АЦП последовательного приближения, недостаточно. Самую высокую точность преобразования на настоящее время — 24 двоичных разряда достигают сигма-дельта-АЦП. В этих аналого-цифровых преобразователях для достижения такой высокой разрешающей способности совмещены достижения как аналоговой, так и цифровой техники.
Рисунок 1. Структурная схема линии связи с импульсно-кодовой модуляцией
Шумы квантования в такой системе равномерно распределены по частоте и не зависят от частоты входного сигнала. График уровня шума квантования на выходе аналого-цифрового преобразователя, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Зависимость уровня шумов квантования АЦП от частоты
Существует альтернативный вариант передачи сигнала по линии связи в цифровой форме. В этом варианте передаются (или запоминаются) не абсолютные значения сигнала, а только приращения сигнала на заданном отрезке времени. Такой вид представления сигнала в цифровой форме называется дельта-модуляцией. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Структурная схема линии связи с дельта-модуляцией
Рисунок 4. Структурная схема дельта-модулятора первого порядка
Частота дискретизации в линии связи с дельта-модуляцией обычно выбирается выше частоты дискретизации импульсно-кодовой модуляции. Только в этом случае качество сигнала на выходе этой системы становится сравнимым с качеством сигнала на выходе ИКМ системы. При этом чем выше частота дискретизации по отношению к частоте преобразуемого сигнала, тем меньше будет ошибка его дискретизации.
Обратите на это внимание! В системе с дельта-модуляцией ошибка квантования не распределена равномерно по всем частотам, а растет с ростом частоты преобразуемого сигнала. График уровня шума квантования на выходе дельта-модулятора, в зависимости от частоты, приведен на рисунке 5.
Рисунок 5. Зависимость уровня шумов квантования дельта-модуляции от частоты
Именно этим свойством дельта-модуляции мы и воспользуемся для уменьшения шумов квантования в аналого-цифровом преобразователе. Нас обычно интересует область частот от постоянного тока до верхней частоты сигнала. Если при помощи цифрового фильтра отфильтровать высокочастотные составляющие шума квантования, то можно значительно увеличить отношение сигнал/шум сигнала, представленного в цифровой форме.
При этом отношение сигнал/шум в данной схеме, в полосе рабочих частот, может оказаться значительно выше отношения сигнал/шум на выходе схемы, приведенной на рисунке 1. Теперь зададимся вопросом — если мы получили выигрыш по отношению сигнал/шум за счет неравномерного распределения шумов квантования, то нельзя ли сделать эту зависимость еще более неравномерной, то есть как бы «вытеснить» шумы квантования в область верхних частот, где они будут подавлены цифровым фильтром нижних частот.
Для этого можно использовать дельта-модулятор более высокого порядка по сравнению с дельта-модулятором первого порядка, приведенным на рисунке 4. Зависимость шумов квантования от частоты на выходе дельта-модуляторов различного порядка приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Частотная зависимость шумов квантования на выходе дельта-модуляторов различного порядка
В настоящее время используются дельта модуляторы третьего порядка. Модуляторы более высокого порядка не используются, так как их схемы являются потенциально неустойчивыми и могут самовозбуждаться. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Структурная схема дельта-модулятора третьего порядка
Следующим блоком, определяющим высокие характеристики сигма-дельта-АЦП, является цифровой фильтр. Именно в двоичных сумматорах цифрового фильтра множество одноразрядных цифровых отсчетов входного сигнала превращается в многоразрядные двоичные цифры, которые затем поступают на выход аналого-цифрового преобразователя.
Основной задачей цифрового фильтра является уничтожение всех частотных составляющих выше верхней частоты полезного сигнала, поэтому на выходе этого цифрового фильтра можно значительно уменьшить частоту дискретизации, поэтому для синхронизации сигма-дельта-АЦП требуется частота, в несколько сотен раз выше частоты его выходного потока данных.
Обычно полоса рабочих частотсигма-дельта-АЦП, построенного по схеме, приведенной на рисунке 7, не превышает нескольких десятков герц, поэтому для более широкополосных сигналов, таких как звуковой сигнал, применяется несколько измененная схема. В ней в качестве преобразователя аналог-цифра используется не одноразрядный АЦП (аналоговый компаратор), а параллельный АЦП. Структурная схема подобного сигма-дельта-АЦП приведена на рисунке 8.
Рисунок 8. Структурная схема сигма-дельта-АЦП с применением параллельного АЦП
Еще одной распространенной задачей является преобразование в цифровую форму узкополосных радиосигналов промежуточной частоты. В этом случае необходимо очищать от шумов квантования не область частот около нулевой частоты, а некоторую область частот около промежуточной частоты. В этом случае в качестве интеграторов используются не фильтры низкой частоты (RC-цепочки), а полосовые фильтры (LC-контура). Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты приведена на рисунке 9.
Рисунок 9. Структурная схема сигма-дельта-АЦП промежуточной частоты
На этом можно закончить обзор основных типов аналого-цифровых преобразователей, применяющихся в настоящее время в радиотехнике. Теперь давайте более подробно остановимся на устройстве цифро-аналоговых преобразователей.
В самом простом представлении это ФНЧ , еще эту систему называют дециматором. Мы, фактически, уменьшаем частоту дискретизации выходных импульсов до слышимого диапазона путем их усреднения.
С Цифро-Аналоговыми-Преобразованиями мы уже знакомились в нескольких статьях. Единственный тип этих преобразования, который мы не рассмотрели: метод передискретизации.
Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования, подобно методу ШИМ .
Одним из видов является Дельта-Сигма преобразование, которое основано на изменении плотности импульсов. Именно импульсов, то есть с помощью одного цифрового вывода можно формировать аналоговый сигнал. Как?
Путем усреднения импульсов того или иного участка графика мы получаем определенное значение амплитуды. Принцип очень напоминает ЧМ (FM), и как вы могли заметить, для работы необходима опорная частота.
Устройство
- Модулятор — блок, который принимает цифровые данные (сэмпл формата ИКМ) и превращает их в единый поток импульсов, представленных выше.
- Второй блок делает из импульсов аналоговый сигнал. Причем «Усреднителем» и фильтром будет являться не только ФНЧ (Low-Pass), но и сами узлы аудио-аппаратуры. К примеру, подключив к модулятору напрямую динамик мы уже будем слышать аналоговый сигнал, но с ВЧ шумами.
Вообще термин « Дэльта-Сигма » относится к арифметической разности и суммы соответственно, что мы увидим ниже.
Блок схема модулятора выглядит следующим образом:
Формирование импульса происходит циклически и количество циклов напрямую зависит от входных данных. То есть, число на входе (сэмпл) изменяет период, что в свою очередь влияет на частоту, а затем на плотность импульсов в общей картине. Как вы можете видеть, имеется отрицательная обратная связь для контроля формирования импульса. Мы «дробим» значения амплитуд на много 1бит импульсов разной частоты.
Одним из преимуществ данной системы является высокое качество при минимальных затратах на компоненты.
Отношение сигнал / шум = Ч.Котельникова * 2 N . Для ДС-ЦАП существует константа « оверсэмплинг » — число, определяющее отношение опорной частоты к дискретизации сэмплов(по Котельникову) и она равна 64 . К примеру, мы хотим преобразовать поток N-бит 22500Гц : опорная частота = (22500 * 2) * 64 = 2.88MHz .
Блок схема фильтра заключается в простой RC цепочке:
В самом простом представлении это ФНЧ , еще эту систему называют дециматором. Мы, фактически, уменьшаем частоту дискретизации выходных импульсов до слышимого диапазона путем их усреднения.
Реализация
Дэльта-Сигма ЦАП можно легко развернуть на нескольких логических элементах. На микроконтроллерах программным путем создавать эту систему не целесообразно, хотя бы из-за высокой опорной частоты.
Схема модулятора разрядностью 8бит :
Для Ф ильтра- Н изких- Ч астот и прочего рекомендуют посмотреть таблицу:
DS ЦАП на ПЛИС
Мы все ближе и ближе приближаемся к ПЛИС . Что ж, за основу я решил взять проект графического процессора. Это MAX II EPM240 с выведенными ногами и внешней SRAM , которую мы пока не будем использовать.
Характеристики будущего ЦАП:
- Разрядность: 8бит
- Частота дискретизации сэмплов: 22500Гц
Электрическая схема проста до безобразия. Это ФНЧ , подключенный к порту ПЛИС + светодиод для индикации. Также необходимо подключить внешний тактовый генератор на PIN12 ПЛИС, у меня имелся на плате 50MHz , его я и задействовал.
Наш модуль ЦАП достаточно просто описывается на Verilog-е, код которого я также позаимствовал у Xilinx
module dac(DACout, DACin, Clk); output DACout; // This is the average output that feeds low pass filter reg DACout; // for optimum performance, ensure that this ff is in IOB input [7:0] DACin; // DAC input input Clk; reg [9:0] DeltaAdder; // Output of Delta adder reg [9:0] SigmaAdder; // Output of Sigma adder reg [9:0] SigmaLatch; // Latches output of Sigma adder reg [9:0] DeltaB; // B input of Delta adder always @(SigmaLatch) DeltaB =
Вы можете пересылать данные UART , COM или другим модулем, однако ни того, ни другого у меня нет, поэтому я буду пересылать сэмплы через параллельный интерфейс . Единственный МК с «распушенной» внешней шиной у меня — Arduino Due . Схема подключение представлена ниже, а пины вы можете посмотреть в assigment editor-е:
Адресная шина нам совсем не нужна, тк. отправлять данные мы будем потоково. Я конечно понимаю, что это забивание гвоздей микроскопом, но как иначе проверить работу ЦАП?
Внесем соответствующие изменения в схему:
Аудио пин, после ФНЧ , необходимо подключить к усилителю, либо в линейный вход звуковой карты ПК.
Задача со стороны МК состоит в отправке 8бит значений амплитуды на любой адрес, но с постоянной частотой 22500Гц . Кстати, метод memcpy() тут не подойдет, так как настроить SMC контроллер на частоту дискретизации не получиться. Единственный вариант: таймер .
#include «bmp.h» #include #include
uint32_t i = 0; uint8_t* spu = (uint8_t*)0×60000000; //SPU ADDR void play() < spu[0] = sound[i]; i = (i ARM , поэтому использовал библиотеку. В bmp.h файле находиться всего один массив с аудио данными: const unsigned char sound[x] = Для конвертации можете воспользоваться утилитой wav2c . Или вот вам файл с синусоидой.
Общая конструкция: (почти ничем не отличается от бывшего видеопроцессора)
Испытания
Первое, что приходит в голову: синусоида, с помощью нее мы можем легко определить искажения. Даже после ФНЧ осциллографом можно увидеть опорную частоту:
На вид искажение довольно неплохие. Дельта-Сигма ЦАП справляется гораздо лучше с более высокими частотами, а здесь всего 440Гц . При воспроизведении какого либо звукового фрагмента искажения не так заметны на слух. Я взял фрагмент из одной композиции. bmp.h файл.
То, что получилось на выходе:
Я полагаю, для восьми бит качество очень даже хорошее. При использовании ШИМ или R2R я не смог добиться подобного результата.
Воспроизведение из SRAM
Согласитесь, хоть это и тест, но «воспроизводить» звук Ардуиной, преобразовывать это на ПЛИС — невесть что.
Решение: подключение к ПЛИС микросхемы SRAM . Теперь непосредственно воспроизведением будет заниматься ПЛИС , а Arduino лишь перешлет раз звуковые данные.
По тому же параллельному интерфейсу мы подключаем SRAM , объемом 64кб ; к шине адреса и данные прибавляются еще два: WE и OE (связь двухсторонняя). Лучше взять память объемом
2мБайт , но тогда адресную шину микроконтроллера необходимо будет так же увеличивать. Внесем изменения в схему:
За основу была взята схема видеопроцессора. Алгоритм работы линейный:
-
Передача звуковых данных из SRAM в ЦАП . 64кб =
2.5сек
Запустив всю конструкцию без микроконтроллера, мы должны услышать что-то подобное:
Это содержимое памяти после подачи питания. Пора перейти к программе контроллера:
#include «bmp.h» //#include #include
Для теста я взял другой фрагмент , так как использовать один и тот же не имеет смысла. Все, что должно измениться — это длительность звучания и независимость от Arduino .
Но действительность может отличаться от теории из-за внешних факторов. Одними из которых являются неудачная разводка платы и перенебрегание блокировочными конденсаторами. Так что причина снижения качества не в схеме ПЛИС или устройстве ЦАП .
Вообще, неплохо бы было добавить регистры управления проигрывателем, тем самым довести его до звукового процессора, но сейчас не об этом.
Пока мы еще не стали биокиборгами, все цифрованные удовольствия приходится предварительно раскодировывать и придавать им физическое измерение. Узловой точкой в этом процессе является цифроаналоговый преобразователь — конвертер, DAC, ЦАП… У него много имен, как у Люцифера.
Пока мы еще не стали биокиборгами, все цифрованные удовольствия приходится предварительно раскодировывать и придавать им физическое измерение. Узловой точкой в этом процессе является цифроаналоговый преобразователь — конвертер, DAC, ЦАП… У него много имен, как у Люцифера.
По материалам издания STEREO & VIDEO
Автор Ярослав Годына
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)
11. Цифро-аналоговые преобразователи.
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.
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.
| 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.
Дата добавления: 2015-08-17 ; просмотров: 845 . Нарушение авторских прав
Источник — http://kit-e.ru/circuit/delta-sigma-modulyacziya-nazad-v-budushhee/
Источник — http://we.easyelectronics.ru/Theory/sigma-delta-acp.html
Источник — http://naf-st.ru/articles/cd/sigdel
Источник — http://hi-fi-pc.ru/obzory/teorija-i-praktika/308-capcarapych.html
Источник — http://digteh.ru/digital/sigmaadc.php
Источник — http://www.polesite.ru/?p=3260
Источник — http://hi-fi-pc.ru/obzory/teorija-i-praktika/308-capcarapych.html
Источник — http://studfile.net/preview/1645150/page:7/
Источник — http://studopedia.info/3-13133.html
