В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.
Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.
Принцип работы
Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.
Выходное напряжение, В
Аналого-цифровой преобразователь или АЦП — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. АЦП осуществляет операции дискретизации и квантования. Напомню, при дискретизации, отсчеты непрерывного сигнала берутся только в определенные моменты или дискреты времени, а при квантовании значение сигнала в эти моменты времени округляется до одного из фиксированных уровней, квантованные уровни затем представляются в двоичном виде. Таким образом, мы получаем цифровой сигнал из аналогового.
Как устроен АЦП
В большинстве АЦП есть устройство выборки и хранения, которые фиксируют и сохраняют значение напряжения на своем входе, в моменты замыкания ключа, а моменты замыкания ключа определяется задающим генератором, именно его частота и определяет частоту дискретизации выходного сигнала. Сигнал на выходе устройства выборки и хранения затем, округляется до одного из уровней квантования.
Как же АЦП понимает, с каким уровней квантования проассоциировать значение сигнала?
Рассмотрим простейший одноразрядный АЦП, компаратор. Он принимает на свой вход два значения напряжения, в том случае, если напряжение на первом входе больше чем на втором, он выдает логическую единицу, в противном случае 0.
Аналоговый и цифровой сигнал на примере звука
Допустим, мы зафиксировали значение на втором ходе, это наш пороговый уровень, и когда изменяющейся во времени сигнал на первом входе больше этого уровня, устройство показывает 1, когда меньше 0.
Теперь представим, что компараторов несколько, когда входной сигнал превышает определённый уровень, срабатывает соответствующий компаратор, выходы всех компараторов затем преобразуется схемой приоритетного кодера в двоичное представление. АЦП в которых каждом из уровней квантования соответствует компаратор называются АЦП прямого преобразования или флеш АЦП.
Характеристики АЦП
Во-первых, АЦП отличаются по частоте дискретизации, она определяется задающим генератором. В зависимости от назначения частота дискретизации может измеряться в килогерцах, мегагерцах и даже гигагерц.
Далее идет разрядность, то есть количество бит в коде, которыми мы представляем отсчеты сигнала. От количества бит, зависит количество уровней квантования, оно определяется, как 2 в степени количество бит, если у нас 3 бита, то это 8 возможных уровней квантования, если у нас 8 бит это 256 уровней.
Диапазон входного сигнала это минимальные и максимальные значения напряжения на входе АЦП при которых устройство работает корректно. Слишком маленький сигнал АЦП может не различить и принять за нулевой уровень, слишком большие могут вызвать искажения, которые приведут к потере информации. Обычно АЦП оперируют единицами вольт.
Отношение сигнал-шум об этом параметре есть подробная статья.
Передаточная характеристика — это по определению зависимость числового эквивалента выходного кода от величины входного аналогового сигнала, она имеет вид ступенчатой функции.
Посмотрим на рисунок выше, окрестность значения входного напряжения 0,5 вольт будет приравнено к четвертому уровню квантования, то есть значение к примеру 0,52 или 0,47 также будут представлены кодом 100.
Если мы рассматриваем АЦП с равномерным квантованием, то длина всех ступенек будет одинаковой, в некоторых АЦП специально используются неравномерное квантование, но их мы пока не рассматриваем. Неравномерность ступенек в АЦП с равномерным квантование это одна из характеристик неидеальности, мы называем ее нелинейностью.
Нелинейность АЦП
Нелинейность АЦП — это отличие реальной передаточной характеристики от линейной.
Линейная система передает входной сигнал на выход, без изменения его формы, возможно усиление или аттенюация.
Нелинейная система искажает форму выходного сигнала. В том случае, когда характеристика отличается от прямой линии, форма пиков сигнала изменяется это называется нелинейным искажением, крайне нежелательно явление. При искажениях мы безвозвратно теряем информацию.
Для АЦП, желательно, чтобы в рабочем диапазоне входных сигналов формы передаточных характеристик аппроксимировались прямой, но на практике небольшие отклонения все же присутствуют, поэтому для всех АЦП производитель указывает параметры интегральной и дифференциальной нелинейности.
Шум квантования
В АЦП происходит округление реального значения аналогового сигнала. Точность представления, то насколько близок уровень квантования к реальному значению зависит от разрядности АЦП, количества бит.
Сигнал ошибки или разницы мы называем шумом квантования, хотя шумом его можно считать только в рамках математической модели, так как он зависит от сигнала.
Если мы квантуем непрерывный сигнал, то и шум квантования будет непрерывным. Если мы говорим о квантовании дискретного сигнала, то и на ошибки также будет дискретным. Понятно, что для того чтобы уменьшить шум квантования надо повышать разрядность АЦП, но из-за этого увеличивается стоимость, энергопотребление, могут понизиться другие характеристики.
Существует техника уменьшения влияния шума квантования без увеличения разрядности, и с ними вы можете ознакомиться самостоятельно при желании.
Джиттер
Джиттер это фазовый шум вызванный нестабильностью задающего генератора. Когда мы рассматриваем идеальный процесс дискретизации непрерывного сигнала, шаг временной сетке или период дискретизации неизменен, но в реальности импульсы задающего генератора могут идти не через равные промежутки времени, это приводит к тому что мы передаем устройству выборки и хранения не совсем то значение, которое должны были бы передать в случае идеально ровной временной сетки.
Эти отклонения, от так называемых реальных значений, также можно представить в виде дискретного шума. Нестабильность генераторов обычно измеряется в пика и фемпто секундах, поэтому на медленный АЦП она особо не влияет.
Шум квантования вносит гораздо больший вклад, но если сам сигнал изменяется очень быстро, если мы говорим о частотах дискретизации в сотни мегагерц и единицах гигагерц, то в этом случае уже джиттер может стать главной проблемой.
На вход устройства поступают дискретные отсчеты в виде цифрового кода, которые затем преобразуются в напряжение. Напряжение это соответствует набору уровней, как и случае с АЦП, многие ЦАП, используют равномерный уровни при преобразовании.
Уровень напряжения остается неизменным до момента прихода следующего отсчета на вход, таким образом формируется ступенчатый непрерывный сигнал, который в дальнейшем может быть сглажен фильтром нижних частот.
Один из простейших видов ЦАП широтно-импульсный модулятор (ШИМ) он часто используется для управления скоростью электромоторов.
Что такое ЦАП и какие они бывают
За последние несколько лет аббревиатура ЦАП буквально заполнила собой медийное пространство. Даже компания Apple, анонсируя Hi-Res качество в своем сервисе Apple Music, рекомендует для прослушивания именно данный класс устройств. Так что же такое эти ЦАП и какие они, собственно, бывают?
Вообще, аббревиатура ЦАП дословно обозначает цифро-аналоговый преобразователь, то есть устройство, превращающее цифровой сигнал в аналоговый. Используется подобное преобразование много где, но в данном конкретном случае речь идет только о звуке. И говорим мы не о микросхеме, которая также называется ЦАП, а о полноценном устройстве с полноценными входами и выходами.
В качестве источников цифрового сигнала может выступать ваш смартфон, планшет, телевизионная или игровая приставка, компьютер, ноутбук и много чего еще. К примеру, с официальной странички музыканта или какого-то стриммингового сервиса мы получаем файл целиком или его представление в виде последовательно поступающего цифрового потока. Для воспроизведения этой информации используются мультимедийные приложения, которые, в свою очередь, обращаются к драйверам операционной системы, отвечающим за непосредственно воспроизведения звукового потока.
Кто-то, конечно, возмутится, что музыка у него воспроизводится и без приобретения всяких ЦАПов, но это происходит исключительно потому, что простейшая его реализация изначально присутствует во всех перечисленных выше устройствах. Следовательно, ЦАП в вашем телефоне или компьютере уже есть и называется встроенной звуковой картой. О том, что это совсем уж базовый уровень, надеюсь, никому дополнительно пояснять не нужно. Как бы не старался производитель, но аудио часть, размещенная на материнской плате, всегда будет иметь искажения, да и вкладываться в хороший тракт там попросту никто не будет. Потому что не выгодно, да и мало пока спроса на высокое качество.
И вот тут возникает вопрос: можно ли сказать, что ЦАП — это звуковая карта? И да, и нет. Звуковая карта или как ее еще любят называть аудиоинтерфейс — это гораздо более сложное устройство, поскольку умеет не только воспроизводить, но и записывать (получать) звук. А значит, внутри у нее установлено два преобразователя: прямой (ЦАП) и обратный (АЦП). То есть ЦАП, говоря по-простому, представляет из себя половину звуковой карты и предназначен только для воспроизведения звука. Об исключениях поговорим чуть позже. То есть фактически ЦАП — это внешняя звуковая карта для вашего смартфона, планшета, компьютера или приставки. Понятно, что внешнее устройство как-то должно подключаться и значит у него есть входы, а далее уже из него надо как-то получать звук, то есть имеются и выходы.
Для простоты, все ЦАПы можно разделить на портативные и стационарные. Портативный может поместиться в карман вместе с телефоном, а следовательно, в качестве входа у него Type C или Lightning, а на выходе один или несколько выходов для наушников. Питаться же они могут от батареи источника, такие обычно называют мобильными, или же от собственного аккумулятора — это более габаритные и тяжелые портативные решения. Ну и отдельным классом идут настольные стационарные ЦАПы, которым нужна розетка. Предназначены они для чего-то, что мы не носим с собой, а значит не ограничены по мощности и по реализации.
Из входов там привычный нам USB порт, а выход на паре (XLR или RCA) для подключения усилителя или сразу активной акустики. Джек для наушников у них тоже может присутствовать, такие решения называются ЦАП со встроенным усилителем для наушников или просто ЦАПоУсь. Однако своем классическом исполнении у ЦАПа должен быть только вход и выход, а усилители уже производители добавляют по вкусу. Из моего личного опыта, ничего хорошего от встроенного усилителя ждать не приходится, поэтому оправданы они исключительно в каких-то недорогих решениях до 12000 рублей.
Кстати, существуют и беспроводные ЦАПы, которые в качестве источника используют блютуз подключение. У таких девайсов просто обязан быть свой аккумулятор и работать они способны исключительно через один из существующих беспроводных кодеков типа AAC, AptX, LDAC или любой другой. Откровенно говоря, ваши беспроводные наушники — это и есть ЦАП в миниатюре, но с усилителем и динамиком сразу.
Однако здесь мы имеем очевидный минус — все представленные сегодня кодеки заметно упрощают звучание, поскольку при кодировании теряют часть информации. Обратите внимание, часть информации в блютуз просто выбрасывается и происходит это даже в самых крутых и современных кодеках. Следовательно, блютуз решения физически не способны передать вам то самое Hi-Res качество. А если нет разницы, то зачем переплачивать за дорогую подписку? Поэтому-то Apple и говорит, что для максимального качества вам понадобится ЦАП, единственное она умалчивает, что это должен быть исключительно проводной ЦАП.
Ну и бывают, конечно, ЦАПы с поддержкой гарнитуры или даже микрофонным входом, но это либо специально встроенный блок для геймеров, как в Burson Plamate, или же внутри установлен не ЦАП, как микросхема, а так называемый кодек. Кодек — это ЦАП и АЦП в одном чипе. Лет 5 назад все сделанное на кодеке звучало очень посредственно, поэтому меломаны обходили такие устройства стороной и, кстати, именно такие бюджетные кодеки используются как встроенное решение в телефонах и компьютерах.
Но время идет и сегодня кодеки от ESS уже практически не уступают микросхемам ЦАП. Так что если вам нужен маленький удобный ЦАП для смартфона или планшета с поддержкой гарнитуры, то это только реализация на кодеке. Выбирайте в таком случае решение на чипах ESS и можете рассчитывать на отличный меломанского уровня звук. RealTek, Conexant и Qualcomm, при всем к ним уважении, так не умеют.
В сухом остатке, ЦАП — это внешняя звуковая карта для вашего смартфона, компьютера или приставки, способная воспроизводить звук высокого качества. Некоторые решения умеют его еще и записывать, но то уже полноценная звуковая карта, хотя и их часто называют ЦАПами. В пару к мобильным девайсам лучше брать компактные решения с питанием от батареи источника или, если ее очень жалко, со встроенным питанием, но в последнем случае вы поплатитесь габаритами и весом устройства, он будет куда брутальнее. Для приставок или стационарного компьютера лучше взять столь же стационарный ЦАП, хотя это необязательно. Я вот сейчас пишу с ноутбука к которому подключен мобильный ЦАП iBasso DC06. Компактный, мощный — что еще нужно? Подключаю его как к телефону, так и к ноутбуку, по необходимости.
Однако, если говорить о возможностях, то чем больше ЦАП по габаритам, тем лучше соотношение цена-качество. Впрочем, устройства этого года показывают класс и затыкают за пояс плееры в 5 или 6 раз дороже. И это никакие не чудо, просто данные девайсы прогрессируют с просто космической скоростью. Отсюда еще совет — брать только что-то актуальное, максимум прошлого года.
Ну и беспроводной ЦАП практически бесполезен, так как высокое качество звука обеспечить неспособен. Да, более современные кодеки дают на том же iPhone выше качество, но это все равно будет уровень mp3 файла, а значит переплата за Hi-Res будет не оправдана. Лучше уж тогда купить дорогие TWS-наушники. А вот с проводами готовьтесь к совершенного новому для себя опыту восприятия привычных уже вам музыкальных произведений. Без лишних слов — это будет погружение в совершенно новый для вас мир музыки и звуков. Да, звуковое сопровождение в играх и сериалах вас тоже не мало удивит, причем даже от недорогого ЦАПа за условные 3000 рублей. Всем отличного звука!
Также рекомендую свои подборки ЦАПов:
Мой чат на тематику звука в Телеграмм — syncerchat, а все мои обзоры в Телеграмм — syncertech.
А для тех, кто ценит время и деньги: приглашаю на свой телеграмм-канал KVPokupok (его можно найти поиском или перейти по ссылке ниже, из раздела «Об авторе»). Там я делюсь промокодами, купонами и лучшими скидками с Алиэкспресс и с других площадок.
Заглядывайте и присоединяйтесь!
Отдельный ЦАП
Внешние ЦАП/усилители выигрывают у встроенных за счёт качества компонентов и схемотехники. В отдельных специализированных устройствах производители следят, чтобы ЦАП был изолирован от помех, и ищут способы уменьшить уровень шума: помещают чипы в отдельный отсек от усилителя и процессора. Также возможности чипов в обработке звука у отдельных аудиодевайсов намного выше: они запросто работают с Hi-Res Audio, которое чаще всего недоступно для воспроизведения на смартфонах или ноутбуках.
Какие ЦАП бывают?
Отдельные преобразователи отличаются по форм-фактору: одни можно положить в карман и пойти гулять, а другие устанавливаются стационарно в домашнюю аудиосистему. Разберемся подробнее.
Портативные USB-ЦАП
Компактный преобразователь, напоминающий флешку, который можно подключить напрямую или по кабелю к разъему ноутбука или смартфона. На борту такого ЦАП есть выходы на наушники и встроенный усилитель.
Отличный вариант из этой категории — Lotoo PAW S2 — портативный ЦАП/усилитель в металлическом корпусе, который способен обрабатывать цифровой звук в высоком разрешении до 32 бит/384 кГц и подавать на наушники внушительную мощность до 150 мВт при балансном подключении. Модель можно использовать даже с полноразмерными наушниками с большим сопротивлением.
XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2022
В настоящее время компьютеры широко применяются в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Обработка звуковой информации и музыка не стали исключением.
Рассмотрим процессы преобразования звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Примерное представление о том, что происходит в звуковой карте, может помочь избежать некоторых ошибок при работе со звуком
Звуковые волны при помощи передающего устройства преобразуются в аналоговый непостоянный электрический сигнал. Он попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, переводящее звуковой сигнал в числовую форму.
Во время аналого-цифрового преобразования физического преобразования не происходит. С электрического сигнала будто бы снимается отпечаток, представляющийся цифровой модификацией колебаний напряжения в аудиотракте. Если такое представить в форме схемы, то эта модификация представлена в виде очередности столбиков, каждый из которых подходит назначенному числовому значению. Цифровой сигнал по своей природе дискретен — то есть прерывист, следовательно цифровая модель не совсем точно соответствует форме аналогового сигнала.
Далее нам предстоит познакомиться с понятием семпл. Семпл — это отрезок времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала.
Сам процесс преобразования называют семплированием. Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал нужной амплитуды.
Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность, так как если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Собственно поэтому нормальная частота для звукового компакт-диска — это частота 44. 1 кГц. Так как спектр колебаний звуковых волн располагаться в границах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду обязано быть больше, чем количество колебаний за тот же интервал времени. В том случае если частота дискретизации существенно меньше частоты звуковой волны, амплитуда сигнала успевает некоторое количество раз измениться за время между измерениями. При цифро-аналоговом преобразовании подобный семпл не передает основной сигнал, а лишь выдает шум. В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т. используют частоту семплирования 96 кГц.
Если в виде графика представить один и тот же звук высотой 1 кГц, но семплированный с разной частотой, то будут видны различия. Одно разделение на горизонтальной оси, которая изображает время, соответствует 10 семплам. Возможно увидеть, что на частоте 11 кГц примерно пять колебаний звуковой волны доводится на каждые 50 семплов, то есть один период синусоиды отображается только с помощью 10 значений. Это довольно неточная передача. В то же время, если испытывать частоту оцифровки 44 кГц, то на каждый период синусоиды доводится уже почти 50 семплов. Это позволяет получить сигнал неплохого качества.
Разрядность указывает, с какой верностью проистекают изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны.
Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал обязательно должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов . Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. От частоты дискретизации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискретизации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио- CD.
Современные методы используют более сложные алгоритмы преобразования. Помимо представления звуковых колебаний в цифровом виде, применяется также создание специальных команд для автоматического воспроизведения на различных электронных музыкальных инструментах. Ярчайшим примером такой технологии является MIDI.
Преимущества битового кода используются при передаче кодированного сигнала на расстояние, шифровании сигнала, цифровой подписи сигнала, восстановлении потерь, вызванных помехами при передаче, а также в прочих приложениях.
Аналого-цифровой преобразователь переход к записи звука в компьютерном виде потребовал принципиально новых подходов. При цифровой записи зависимости интенсивности звука от времени возникает принципиальная трудность: исходный сигнал непрерывен, а компьютер способен хранить в памяти только дискретные. Отсюда следует, что в процессе сохранения звуковой информации она должна быть “оцифрована”, т.е. из аналоговой непрерывной формы переведена в цифровую дискретную. Данную функцию выполняет специальный блок, входящий в состав звуковой карты компьютера, который называется АЦП — аналого-цифровой преобразователь.
АЦП производит дискретизацию записываемого звукового сигнала по времени. Это означает, что измерение степени интенсивности звука в поставленные фиксированные моменты времени. Частоту, характеризующую периодичность измерения звукового сигнала, принято именовать частотой дискретизации. Её выбор в значительной степени зависит от частотного диапазона удерживаемого сигнала: имеется особая теорема Найквиста, согласно которой частота оцифровки звука обязана как минимум в 2 раза превышать максимальную частоту, входящую в состав диапазона сигнала. Считается, человек слышит звук частотой не больше 20 000 Гц = 20 кГц, следовательно для высококачественного воссоздания звука верхний предел обычно с кое-каким резервом принимают равной 22 кГц. Частота при подобных условиях должна быть не меньше 44 кГц. Такая частота чаще всего используется, при записи музыкальных компакт-дисков. Впрочем часто подобное высокое качество не требуется, и частоту дискретизации позволено существенно снизить.
Качество воспроизведения тем лучше, чем выше частота дискретизации, но в то же время и размер занимаемое памяти звуковых данных при этом также возрастает, так что оптимального значения частоты нет и частота всегда выбирается из расчета что более авторитетно качество или объем занимаемой памяти.
АЦП производит дискретизацию амплитуды звукового сигнала. Это значит , что при измерении имеется “сетка” стандартных уровней, и текущий уровень измеряемого сигнала округляется до ближайшего из них. В результате возникает линейная зависимость между величиной входного сигнала и номером уровня . То есть в том случае, когда, например, громкость увеличивается в 2 раза, то ожидается, что и соответствующее ему число вырастет двукратно. Но такое распределение применяется только в простейших случаях. Чаще всего при записи звука применяют неровные распределения степеней громкости, в основе которых лежит счетный закон. Таким образом, в ходе оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, притом количество числа соответствует мощи звука в этот момент.
Устройства для преобразования данных из цифрового формата в аналоговый и обратно.
Для того, чтобы компьютер смог осуществить обработку сигналов, требуется сначала реализовать преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую. А по завершении обработки необходимо выполнить обратное преобразование, так как практически все бытовые устройства управляются при помощи аналоговых сигналов.
Блок-схема цифровой обработки сигнала в общем виде может быть представлена следующим образом:
Рисунок 1. Блок-схема цифровой обработки сигнала. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
Аналого-цифровое преобразование сигналов состоит из следующих этапов:
- Процесс дискретизации сигнала (во времени или пространстве).
- Процесс квантования сигнала по уровню.
На этапе дискретизации следует брать отсчёты сигнала с определённым периодом дискретизации (Т). Частота дискретизации может быть определена по следующей формуле:
Процесс считывания отсчёта входного сигнала необходимо выполнить так, чтобы он занимал сравнительно небольшую часть периода дискретизации. Это позволяет уменьшить динамические ошибки преобразования, которые обусловлены изменениями сигнала за время снятия отсчёта.
Частота дискретизации должна выбираться согласно теореме Котельникова. А именно, для того чтобы по отсчётам сигнала имелась возможность достаточно точного восстановления непрерывного сигнала, необходимо чтобы частота дискретизации была по крайней мере в два раза больше верхней частоты спектра сигнала, подлежащего дискретизации.
Каждый сигнал обладает своим спектральным представлением. Каждое представление сигнала является представлением в формате суммы (или интеграла) гармонических составляющих, то есть набора синусоид и косинусоид, различных частот, которые взяты с определёнными весовыми коэффициентами, то есть, обладающими определённой амплитудой. Для периодических сигналов это будет сумма, а для непериодических сигналов, это будет интеграл. Переход к спектру сигнала может быть осуществлён при помощи прямого преобразования Фурье.
А принцип действия ЦАП состоит в нахождении суммы аналоговых сигналов (тока или напряжения). Вычисление суммы выполняется с коэффициентами, которые могут быть равны нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь формат тока, напряжения или заряда. ЦАП с токовыми выходами применяются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.
ЦАП с выходным напряжением являются самыми распространенными. Следует отметить, что максимальное выходное напряжение на один МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Отдельные ЦАП предоставляют возможность использования всей шкалы.
Самыми важными характеристиками ЦАП являются:
- Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и уровень точности преобразования.
- Передаточная характеристика, то есть, зависимость выходного сигнала ЦАП от входной информации.
- Разрядность (N), то есть, количество бит во входном коде.
- Разрешением является выходное напряжение, которое соответствует одному МЗР. Оно зависит от числа разрядов и способно определять точность преобразования сигнала.
- Частота дискретизации или частота Найквиста, является максимальной частотой, на которой ЦАП способен работать, посылая на выход корректные результаты.
- Полная шкала, то есть весь диапазон значений выходного сигнала.
- Монотонность, то есть участок на передаточной характеристике, где наклон является постоянным. На данном участке ЦАП имеет линейную характеристику.
- Время установления, то есть, интервал времени от точки начала изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в определённый диапазон отклонения.
- Выходным выбросом является переходный процесс, который возникает во время смены входных данных. Величина выброса может зависеть от числа переключаемых разрядов.
- Погрешность смещения нуля является разностью между фактическим и идеальным выходным сигналом, при нулевом сигнале на входе.
- Погрешностью полной шкалы считается разница между фактическим выходным напряжением и напряжением полной шкалы.
- Погрешностью усиления является отклонение наклона передаточной характеристики от идеального наклона.
- Дифференциальной нелинейностью является разность приращений выходных сигналов, которые соответствуют смежным соседним кодам.
- Интегральной нелинейностью является максимальное отклонение реальной передаточной характеристики от прямой линии.
- Цифро-аналоговые преобразователи подразделяются по виду входных данных на последовательные и параллельные. По количеству разрядов следует выделить ЦАП, имеющие повышенную точность, то есть с большой разрядностью, N≥14, а также ЦАП, которые имеют высокое быстродействие при разрядности от шести до восьми.
Статья о цапах, зачем нужны, какие бывают. (в факе не видел)
Самое главное ЗЫ, товарищи, я специально прятал ссылки в текст, чтоб было более менее удобно смотреть о чем говорю и откуда взята инфа, к сожалению не все ссылки открывали. В ссылках есть список ЦАПов, инфа от производителей описание карточек и тд.
Собирая себе комп в машину, пришлось рыть просторы инета, думаю что инфа будет полезна в данном сообществе.
Причем не только обладателям CarPC но и обладателям ГУ.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.
Звуковой ЦАП о… бла бла бла оч длинная статья на вики ()
На что там (вики) обращаем внимание
Применение
ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт дисков…
Наиболее общие типы электронных ЦАП:
Широтно-импульсный модулятор— простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;
ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.
Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются
требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;
ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.
• Разрядность — количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах; количество бит есть логарифм по основанию 2 от количества уровней. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (2 в первой степени) уровня, а восьмибитный — 256 (2 в восьмеой степени) уровней. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.
• Максимальная частота дискретизации — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста — Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.
Когда посетила первая мысль поставить вместо ГУ кар писишку, первым плюсом, надо сказать основным (для меня), было то что можно менять звуковые карты, мне показалась данная возможность более интересной чем менять головы целиком.
Во первых потому что в головы как не крути, лепят одно и тоже, т.е. если утрировать, у производителея Х есть линейка голов, начальная цена 1000 вымешленных едениц, конечная, за топ модель 10 000 едениц.
На моменты выбора, больше по слухам чем по собственной практике, сделал вывод, что в большинстве случаев, что в дешевой что в дорогой голове, скорее всего один и тот же ЦАП, а ценник растет из-за функционала, более удобные кнопочки, на те еще +500 к цене, несколько подсветок еще 500 к цене, дизайн ваще бесценен и т.д., а цап как был так и остался прежним, если же речь идет о хорошем ЦАПе, то ты заплатишь и за дизайн и за подсветку и еще за кучу всякой ненужной фигни, в итоге голова «золотая» и очень зависимая от того же допустим привода, сдох привод, не смогли починить, купи новую бошку.
Не прельщало честно, тем более была практика, когда при попытке третий раз починить мой альпайн 9845 RB, мастер сказал что все, уже шансов нет, тупо выкинь. Толи мастер такой был, толи альп ставить в копейку было не рационально, это не важно. Он мне был оч дорог, первый более менее хороший аппарат, который я слушал.
Так вот провел небольшое расследование.
Имеем список (я почему-то назвал таблицей) ЦАПов (кликабельно)
Подопытным был выбран Pioneer DEX-P99RS вроде неплохая голова, сам не слушал, но хвалят и претензий к ней никаких. Ценник аппарата по яндексмаркету 30-35 рублей, вполне стоящий (могут быть конечно отклонения но не о цене щас речь), из описаний везде пестрит
«Число бит ЦАП 24»
» 16-битные цифровые данные с CD напрямую передаются 4 x 24-битными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) с минимальным искажением»
Далее нужно чуть попариться поискать какой же ЦАП (он же DAC) установлен в данном ГУ, логичнее искать datasheet но получилось найти только по словосочетанию servise manual Pioneer DEX-P99RS, открываем смотрим
Сразу скажу что я в такой документации неочень ориентируюсь но вроде нашел все правильно, ну по крайней мере я нашел 4 ЦАП-а скорее всего это они и есть.
ЦАП под номером AK4396VF.
Сначала меня сбило с толку что его нет в таблице, приведенной выше, но потом он нашелся чуть пониже в аппарате » MYTEK DIGITAL STEREO96 DAC» сам цап выделен синим цветом, т.е. для автора особо неприметный чип, но P99RS играет же хорошо, значит ищем где есть такой же цапик.
Что дальше…а решил загуглить AK4396VF, дабы найти где этот ЦАП засветился, в надежде найти звуковую карточку с ним, как результат:
1. HT Omega Claro Halo XT HiFi soundcard
2. HT Omega Claro Plus+ AD8620BR Op Amp Sound Card
3. Auzentech X-fi Forte 7.1 Soundcard
Можно конечно и поболее инфы нарыть, но цель статьи не найти что-то, а показать логику поиска, ну и так сказать подтолкнуть к поиску звуковых карт на тех ЦАП которые считаются супер пупер нереальными.
Да конечно я понимаю что карта может не заиграть как тот же Pioneer DEX-P99RS, хотя я тут вообще ничего не скажу, нужно пробовать, но я думаю если вставить карточку с более продвинутым ЦАПом, а если она еще будет хорошо исполнена, то полюбому заиграет лучше чем некоторые топовые головы.
А да, ценник на карту в пределах 9 тыщ рублей, правда наверное будут проблемы с покупкой, в России не нашел, хотя опять же не сильно искал, да и заказать например на амазоне не проблема.
Само собой после карты не должно быть процессора, я так понимаю это все понимают 🙂
И роде как, по словам производителя
Using AKM’s multi bit architecture for its modulator the AK4396 delivers a wide dynamic range while preserving linearity for improved THD+N performance
это реальный мультибитник, причем 24х.
Ну и ковыряясь в просторах, решил еще проверить Alpine PXI-H990, надож дать повод для флуда 🙂
По даннным с офф сайта ALPINE
ALPINE F#1 STATUS
Для обеспечения высочайшего качества звучания и поддержки возможностей формата DVD-Audio в процессоре Alpine PXI-H990 используются восемь сверхдорогих ЦАПов Burr-Brown Sign Magnitude 96 кГц/24 бит К-Grade и сложнейший цифровой фильтр типа GIC.
гуглим Burr-Brown Sign Magnitude получаем :
Маркировка PCM1704
Производитель Burr-Brown Corporation (www.burr-brown.com)
Комментарий 24-Bit, 96kHz BiCMOS Sign-Magnitude DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER
Функционал Цифро-аналоговые конверторы (DAC (Digital to Analog Converters))
PCM1704 20 бит, то же, что PCM1702, но только способный принимать 24-битный поток (преобразование все-равно 20-битное)
Т.е. если не наврали с предыдущим «кроликом» у альпа стоит 20 битный а у пионера 24-х 🙂
Но есть одно важное НО
» Грейды :
«L» — самый низкий (Low) — хуже, чем вообще без грейда
«J» — отобранный, лучше, чем безгрейдовый
«K» — отобранный, самый лучший по качеству (лучше «J»)»
PCM1704-K т.е. данный ЦАП очень хорош.
Подводя итоги, не знаю даже что сказать.
Когда вы спрашиваете, или пытаетесь выбрать самостоятельно ГУ, но незнаете на что обратить внимание, яб порекомендовал обратить его именно на то какой внутри ЦАП. Конечно речь идет о выборе не бюджетного варианта.
По идее поиск хороших цапов доступен не только кар писишникам, но и юзерам обычных ГУ, просто нужно рыть даташыты, ну а если твикать, то тут вообще открываются безграничные просторы.
В мануалах сообщества подобной инфы не нашел, надеюсь будет полезна.
