Digitaal-analoogmuundur

Allikas: Vikipeedia

Digitaal-analoogmuundur (inglise keeles digital-analog converter, lühendina DAC) on elektrotehnikas seade, mis muundab digitaalsignaali analoogsignaaliks.

Tavaliselt on muundatav digitaalsignaal binaarne.

Informatsiooni on lihtne hoiustada ja edastada digitaalsel kujul, kuid inimese meeled ja analoogsed täiturid ei suuda lugeda digitaalset informatsiooni ilma analoogseks muundamiseta.

Levinuim kasutusala digitaal-analoogmuunduritele on audiosignaalide genereerimine digitaalsest informatsioonist muusikamängijates. Digitaalne videosignaal muundatakse analoogsignaalideks kaasaegsetes televiisorites ja nutitelefonides ning arvutikuvarites.

Tüüpiliselt on digitaal-analoogmuundurid koostatud integraalskeemidele, et hoida maksumus madalal ja saavutada ühilduvus erinevate seadmetega, kuhu külge nad ühendatakse. Digitaal-analoogmuundureid on mitmesuguse arhitektuuriga, sobitumaks erinevate ülesannete täitmiseks.

Digitaal-analoogmuunduri tähtsaimad näitajad on sämplimissagedus ja latentsus ning signaali ja müra suhe, millest lähtuvalt valitakse vajaliku operatsiooni täitmiseks sobiv muundur.

Digitaal-analoogmuundurile vastupidist operatsiooni teostab analoog-digitaalmuundur, mis muundab analoogsignaali digitaalsignaaliks.

Digitaal-analoogmuunduri töö põhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Digitaal-analoogmuundur muundab abstraktse lõpliku täpsusega arvu (tavaliselt fikseeritud pikkusega kahendarv) füüsikaliseks suuruseks (näiteks pingeks või laenguks). Eelkõige kasutatakse digitaal-analoogmuundurit ajas muutuva digitaalse informatsiooni muundamiseks ajas varieeruvaks pidevaks füüsikaliseks signaaliks. Tüüpiline digitaal-analoogmuundur konverteerib abstraktsed arvud konkreetseks impulsside jadaks, mis edasi töödeldakse rekonstruktsioonfiltriga, kasutades interpoleerimismeetodit impulsside vaheliste aukude täitmiseks (pulsi-kood modulatsioon). Teised digitaal-analoogmuunduri meetodid (näiteks meetodid, mis baseeruvad delta-sigma modulatsioonil) tekitavad pulsi-tihedus moduleeritud signaali (mõnikord reklaamitud kui 1-bitine signaal), mida filtreeritakse madalpääsfiltriga sujuva signaali saamiseks.[1]

Nyquisti-Shannoni sämplimisteoreemi järgi saab digitaal-analoogmuundur originaalse digitaalsignaali rekonstrueerida, kui originaalsignaal sisaldab vähemalt kaks korda rohkem informatsiooni ajas, mis tähendab, et digitaalse signaali sämplimissagedus peab olema vähemalt kaks korda suurem, kui taasesitatav analoog-väljundisignaali kõrgeim sagedus.[2]

Praktikas[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tavaliselt kasutatakse impulsside asemel numbrilisi jadasid tagamaks ühesuguste ajavahemikega sämplimisintervallid. Need numbrid kirjutatakse digitaal-analoogmuundurisse tüüpiliselt sisemise kella sagedusel, mille järgi lülitatakse muunduri väljundi signaali vastavalt digitaalselt saadud väärtusele. Väärtuseid hoitakse NOR-lülitusskeemides, kuni kella järgi järgmisel uuendusel see väärtus üle kirjutatakse. Sellise meetodi tulemuseks on ajas muutuv trepp-pinge väljundis. Kusjuures iga niinimetatud trepiastme pikkus on võrdne kella poolt antava ajavahemikuga. Selline muundamine on samastatav nullindat järku hoidmisoperatsioonile (matemaatiline mudel) ning paratamatult omab efekti taasesituse sageduskarakteristikale.

Tüüpiliselt treppsignaaliks muundamine toob endaga kaasa kõrgemad harmoonilised üle Nyquisti sageduse. Need harmoonilised kõrvaldatakse tavaliselt madalpääsfiltriga (filter, mis laseb läbi vaid madalsageduslikke signaale). Digitaalne sämplimine toob endaga kaasa kvantimisvea, mis tõlgendub väikese amplituudilise mürana.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Helitehnika[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänapäeval salvestatakse valdav enamus helisignaale digitaalsel kujul (näiteks mp3, CD). Selleks, et seda digitaalset infokogumit kõrvaga kuulata saaks, on vajalik see teha vastuvõetavaks valjuhäälditele või kõrvaklappidele, mis ise on analoogsed täiturmehanismid ja tahavad sisendiks analoogsignaali. Digitaal-analoogmuundureid leiab seetõttu CD-mängijatest, kaasaskantavatest muusikamängijatest ning arvuti helikaartide pealt.

Spetsiaalseid eraldiseisvaid digitaal-analoogmuundureid leiab kõrgkvaliteetse heli hindajate helisüsteemidest. Selliseid saab ühendada digitaalse heliallikaga standardiseeritud optilise digitaalside kaabli abil, koaksiaalkaabli abil või arvuti külge otse USB või Firewire (IEEE1394) kaabli abil. USB või Firewire ühendus eeldab digitaal-analoogmuunduris vastava vastuvõtja olemasolu ning arvuti peab olema võimeline seadet ära tundma.

Ka arvutist eraldiseisvad helikaardid sisaldavad digitaal-analoogmuundurit. Tüüpiliselt on neid seal rohkem kui üks erinevate helisignaalide samaaegse taasesitamise tarvis.

Tehnikas saavad aina populaarsemaks digitaalsed kõlarid, mis võtavad otse vastu digitaalset signaali. Digitaalne kõlar sisaldab valjuhääldit, millel on lõppvõimendi valjuhääldi liigutamiseks, eelvõimendi ja digitaal-analoogmuundur. Eelvõimendi saab analoogsignaali digitaal-analoogmuundurilt ja see võimendatakse üles, et saata edasi lõppvõimendile.

Videotehnika[muuda | redigeeri lähteteksti]

Video signaalid tuleb konverteerida analoogseks, et neid saaks analoogsel kuvamisseadmel esitada. Arvuti genereerib või hoiustab ainult digitaalset informatsiooni. Selleks, et videoinformatsiooni näiteks analoogmonitoril kuvada, tuleb see informatsioon analoogseks konverteerida. Iga ekraan on iseseisvalt analoogseade. Valmisproduktidena sisaldavad enamik vedelkristallkuvareid või plasmaekraane nii analoog- kui digitaalsisendeid. Reeglina kodeeritakse kõigepealt analoog-sisendsignaal digitaalseks ja siis analoogsignaaliks tagasi.

Video digitaal-analoogmuundur on igas videomängijas, millel on analoogväljund. Video digitaal-analoogmuundur on tavaliselt liidetud mäluga, millest loetakse gamma korrekteerimiseks, kontrasti ja heleduse jaoks informatsiooni. Sellise seadeldise inglise keelne lühend on RAMDAC, mis tõlkes oleks muutmälu-digitaal-analoogmuundur. RAMDAC-id on olemas igal videokaardil arvutis ja üldiselt igal tänapäevasel videot mängival digitaalseadmel.

Mehaanilised seadmed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Digitaal-analoogmuundur on vajalik osa automaatses täiturmootoritega süsteemis. Robotkäed ja muud automatiseeritud mehaanilised süsteemid saavad tänapäeval instruktsioonid töö tegemiseks enamasti digitaalsel kujul, mis neis sisalduvatele elektrimootoritele ja releedele tehakse kättesaadavaks digitaal-analoog muundamise teel. Valdavas osas modernsetes autodes juhitakse juhtimissignaalid erinevatesse auto osadesse mitte analoogvooluna, vaid digitaalsete impulssidena, et hoida kokku energia kulu ja kaablite pealt. Analoogsignaal peab auto ühest otsast teise liikuma mööda üpriski jämedat vaskkaablit, et käivitada näiteks tagumise akna kojamehemootorit. Selle asemel liigub info mööda peenikest kaablit palju väiksema voolutugevusega täituri (näiteks elektrimootori või relee) juurde, kus on lokaalne digitaal-analoogmuundur.

Digitaal-analoogmuunduri töökarakeristikud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Resolutsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Näitab, kui palju väljundi intensiivsuse astmeid suudab digitaal-analoogmuundur väljastada. Tavaliselt näitab resolutsiooni ära muunduri ribalaius bittides. Resolutsioon on kahe aste ribalaiusest, näitelks 24-bitisel muunduril on 224=16777000, 8-bitisel muunduril on 28 ehk 256 erinevat väljundinivoo väärtust.

Tüüpilistel videokaartidel arvutis on 8-bitine ribalaius ühe RGB (punane, roheline, sinine) kanali kohta, mis kokku annab 24-bitise värvikava. DVD standardi video on 10-bitti täpsusega, ehk 1024 astet iga YUV (valgustatus+värvusevektorit) kanali jaoks. Tavaline CD ja DAT audio on 16-bitise lahutusega, SACD ja DVD-ga on võimalik kuni 24-bitine (üle 16 miljoni astme) heliresolutsioon.[3]

Sämplimissagedus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Määrab digitaal-analoogmuunduri operatsioonide tegemise kiiruse. Vajaliku väljundkiirusse saavutamiseks tuleb arvestada, et digitaal-analoogmuundur peab töötama vähemalt kaks korda kiiremini, et originaalne signaal oleks reprodutseeritav (Nyquist-Shannoni sämplimisteoreemi alusel). Selle tingimuse järgi peab näiteks inimesele kuuldavas sagedusalas töötav digitaal-analoogmuundur töötama sisemise sämplimissagedusega vähemalt 40 kS/s (ehk 40 kHz), kuna inimese kuuldelävi on kuni 20 kHz.

Tavalise CD standardsämplimissagedus on 44,1 kHz, seetõttu on laialt levinud just sellise sämplimissagedusega muusika meedia ja digitaal-analoogmuundurid muusika töötlemiseks reeglina töötavad sellel sagedusel või kordistavad sämplimissagedust üles enda sisemisele töösagedusele, kui see on kõrgem kui 44,1 kHz või kordistavad oma töösageduse maha (mahasämplimine). Tänapäeval enam madalama sämplimissagedusega kui 44,1 kHz audio digitaal-analoogmuundurit komertskasutusest ei leia, seega muunduri sisemist ülessämplimist pole üldiselt muunduri sisemuses vaja, üldjuhul annaks see ka halva tulemuse suurenenud mürataseme tõttu.

Siiski leidub juba palju muusika meediat, mis on DVD standardse sämplimissagedusega 48 kHz. Selleks, et mitte jääda hätta suurema sagedusega muusikapaladega, valmistatakse helikaartide digitaal-analoogmuundurid tavaliselt võimelised saavutama sämplimissagedust 88,1 kHz või 96 kHz (viimane on rohkem levinud). Kõrgemalt sageduselt mahasämplimine ei too kaasa olulist müra suurenemist ja info kadu. Video konverteerimisel kasutatavad analoog-digitaalmuundurid töötavad palju kõrgematel sagedustel, mitmete megahertside juures. Varajastes mängukonsoolides kasutati ligikaudu 3 MHz sagedust, mis andis üpriski kesise kvaliteed tänapäeva standardite kohaselt. Kõrge kvaliteediga VGA väljundiga video dekooder töötab sagedustel 250 MHz või kõrgematel sagedustel.[1][3]

Müra[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tavaliselt mõõdetakse digitaal-analoogmuunduri väljundist kogu harmoonilise moonutuse (harmooniline moonutus) ja müra summat (THD+N). Üldiselt esitatakse sellise müra summa väärtus intensiivsuse protsendina kogu signaali intensiivsusest. Kogumüra osakaal on väga oluline hoida madal, kui väljuv signaal on väikese võimsusega. Müra ilma signaalita käsitletakse tavaliselt kui müra nulltaset (noise floor), mis on ühtlasi väikseim müra intensiivsus digitaal-analoogmuunduri töötamise ajal tema väljundis.[3][4]

Dünaamiline ulatus[muuda | redigeeri lähteteksti]

On erinevus väikseima ja suurima signaali intensiivsuse vahel, mida digitaal-analoogmuundur on võimeline väljastama. Dünaamiline ulatus sõltub reeglina muunduri resolutsioonist ja müra nulltasemest. Mida suurem resolutsioon ja väiksem müra nulltase, seda suurem on reeglina dünaamiline ulatus. Pulsi-kood moduleerimismeetodi rakendamisel saadakse iga biti kohta 6 dB väljundiamplituudi kasvu (peaaegu täpselt kaks korda suurem täpsus või võimsus). Seega kõige tüüpilisem digitaalne heliallikas 16-bitise resolutsiooniga annab teoreetiliselt kuni 96 dB dünaamilise ulatuse. Praktikas aga tavaliselt seda teoreetilist väärtust ei saada. Seda eelkõige põhjusel, et näiteks helikaardis mõõdetakse väljundit pärast mingisugust eelvõimendust, mis lisab nullmürale oma osa. Teine levinud tehnika, mis vähendab dünaamilist ulatust, on diitering (inglise keeles: dither), ehk meelega lisatud müra, eesmärgiga vähendada kvantimisviga.[3]

Allikad[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 Lavry Engineering, Digital Audio: An Introduction (kasutatud 7.12.2011) (Inglise keeles)
  2. Lavry Engineering, Sampling Theory (kasutatud 7.12.2011) (Inglise keeles)
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 ADC and DAC Glossary (kasutatud 7.12.2011) (Inglise keeles)
  4. Minimizing Noise (kasutatud 7.12.2011) (Inglise keeles)