Funktionsweise von ADC- und DAC-Wandlern: Alles, was Sie wissen müssen

  • DAC-Wandler wandeln digitale Daten in analoge Signale um und verbessern so die Audioqualität.
  • ADCs wandeln analoge Signale in digitale Signale um und sind für die Audio- und Bilderfassung unerlässlich.
  • Es gibt verschiedene Arten von ADCs und DACs, beispielsweise sukzessive Approximationen oder Sigma-Delta, die jeweils Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit oder Präzision bieten.
  • Diese Geräte sind in industriellen Anwendungen und der alltäglichen Unterhaltungselektronik unverzichtbar.

DAC und ADC

DAC- (Digital-Analog-) und ADC-Wandler (Analog-Digital-Wandler) sind wesentliche Komponenten in vielen elektronischen Geräten, die wir täglich verwenden, da sie die Umwandlung digitaler numerischer Informationen in analoge Signale wie Ton und umgekehrt ermöglichen. Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie digitale Musik von einer Reihe von Einsen und Nullen zu etwas wird, das Ihre Ohren hören können, oder wie ein Mikrofon Ihre Stimme in Daten umwandelt, die ein Computer verarbeiten kann, finden Sie die Antwort in diesen Konvertern. Zu verstehen, wie es funktioniert, ist nicht nur faszinierend, sondern auch von entscheidender Bedeutung für diejenigen, die in den Bereich Elektronik und Audio einsteigen oder einfach mehr technisches Wissen über die Technologie, die uns umgibt, haben möchten.

Obwohl diese Geräte komplex klingen, führen sie einen Prozess aus, der recht einfach zu beschreiben ist, in der Praxis jedoch hohe Präzision und fortschrittliche Technologie erfordert. In diesem Artikel werden wir seine Funktionsweise, seine Hauptmerkmale, die existierenden Typen und den Einsatzort im Alltag aufschlüsseln, damit Ihnen alles klar ist.

Was ist ein DAC-Wandler und wozu dient er?

DAC

Un Digital-Analog-Wandler, auch als DAC (Digital-Analog-Konverter) bekannt, ist ein Gerät, das digitale Informationen, die normalerweise im Binärcode (einer Folge von Nullen und Einsen) dargestellt werden, in ein kontinuierliches analoges Signal umwandelt, beispielsweise ein Audiosignal Signal. Dieses analoge Signal können Sie dann über Lautsprecher, Kopfhörer oder jedes andere Audioausgabegerät hören.

La Auflösung eines DAC ist einer der wichtigsten Parameter, da er die Genauigkeit des resultierenden analogen Signals bestimmt. Die Auflösung steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Bits des Wandlers: Ein 8-Bit-DAC hat beispielsweise eine geringere Präzision als ein 16-Bit-DAC. Ein guter DAC kann die digitale Audioqualität deutlich verbessern, wie es bei High-Fidelity-Musikplayern der Fall ist.

Ein weiterer relevanter Aspekt ist Reaktionszeit, also die Geschwindigkeit, mit der Sie die Konvertierung durchführen können. Dies ist bei hochwertigen Audioanwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen die Latenz minimal sein muss. Darüber hinaus können DACs auch unterschiedliche Ausgangstypen haben: Einige können Strom sein, andere Spannung, und in den Spezifikationen des Herstellers sind diese Unterschiede detailliert aufgeführt.

Was ist ein ADC-Wandler?

ADC

By einer anderen Seite, die Digital-Analog-Wandler (ADC, Analog-Digital-Wandler) führt den umgekehrten Vorgang aus. Es nimmt ein analoges Signal auf, beispielsweise Ihre von einem Mikrofon erfasste Stimme, eine von einem Sensor gemessene Temperatur oder ein Spannungssignal, und wandelt es in digitale Daten um, die von einem Computer oder einem anderen elektronischen Gerät verarbeitet werden können.

Der ADC arbeitet durch einen Prozess, der als bekannt ist Probenahme y Quantifizierung. Bei der Abtastung wird das Signal in verschiedenen Zeitintervallen „aufgeschnitten“ und der Wert des analogen Signals an jedem dieser Punkte aufgezeichnet. Als nächstes wird die Quantifizierung durchgeführt, die darin besteht, diesen Wert mithilfe eines Kodierungssystems einer digitalen Zahl zuzuordnen. Die in kHz gemessene Abtastrate ist ein entscheidender Faktor für die Qualität der Konvertierung; Je höher die Abtastrate, desto genauer ist die Konvertierung.

Der Probenahme- und Quantifizierungsprozess im ADC

Das erste, was ein ADC tut, ist, das analoge Signal in periodischen Intervallen zu messen, die wir „ Probenahme. Dies wird in der Abtastfrequenz ausgedrückt und hängt davon ab, was Sie konvertieren möchten. Für Audio beträgt die Standardfrequenz beispielsweise normalerweise 44.1 kHz, die in CDs verwendet wird, und ist doppelt so hoch wie die maximale Frequenz, die Menschen hören können, 20 kHz. Hier wenden wir die an Nyquist-Abtasttheorem, die besagt, dass die Abtastrate größer als das Doppelte der maximalen Signalfrequenz sein sollte, um Verzerrungen zu vermeiden.

Als nächstes die Quantifizierung, was im Grunde darin besteht, jeden abgetasteten Wert einer digitalen Zahl zuzuordnen. Die Anzahl der Bits, die zur Darstellung jedes Samples verwendet werden, bestimmt die Bit-Tiefe. Je mehr Bittiefe der ADC hat, desto genauer wird das ursprüngliche analoge Signal dargestellt.

Arten von ADC und DAC: Wie viele gibt es?

Es gibt mehrere Arten von ADC und DAC, und jede hat ihre Vor- und Nachteile, abhängig von den Anforderungen an Präzision und Konvertierungsgeschwindigkeit. Zu den häufigsten ADCs gehören sukzessive Annäherungen, Sigma-Delta y Kanalisation.

Der sukzessive Approximations-ADC (SAR) ist einer der beliebtesten, da er eine bietet geringer Stromverbrauch und es ist ruhig richtig, obwohl es nicht das schnellste ist. Dabei wird das analoge Signal Schritt für Schritt mit den Werten eines internen DAC verglichen, bis die bestmögliche digitale Schätzung erreicht ist. Sie eignen sich perfekt für Anwendungen, bei denen keine ultraschnelle Konvertierung erforderlich ist.

Der Sigma-Delta-ADC hat seinerseits den Vorteil, dass er Folgendes bietet: sehr hohe AuflösungDamit eignet es sich ideal für Audioanwendungen oder präzise Messungen. Allerdings ist die Konvertierungsgeschwindigkeit langsamer.

Schließlich sind Pipeline-ADCs die schnellsten und werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen große Datenmengen in kurzer Zeit verarbeitet werden müssen, beispielsweise in Telekommunikationssystemen oder in der Ultraschallbildgebung. Diese sind komplexer und verbrauchen typischerweise mehr Strom als andere Arten von ADCs.

Die gängigsten DACs

Bei DACs können wir zwischen denen von unterscheiden Leiter R-2R, The Widerstandskette und binär gewichtet. Binär gewichtete DACs sind die grundlegendsten und basieren auf einer Kombination von Widerständen, die die Umwandlung binärer Werte in entsprechende analoge Spannungen ermöglichen. Bei der Arbeit mit sehr hohen Zahlen stellen sie jedoch Präzisionsprobleme dar.

Der R-2R-Leiter-DAC ist hingegen präziser und skalierbarer, da er nur zwei Widerstandswerte verwendet, was ihn zu einem sehr beliebten Modell in der Branche macht. Verschiedene Versionen dieses DAC-Typs sind in einer Vielzahl elektronischer Geräte vorhanden.

Anwendungen von ADCs und DACs

DAC- und ADC-Wandler haben eine Vielzahl praktischer Anwendungen. Im Fall der DAC, sind in Audiogeräten wie z. B. von entscheidender Bedeutung CD-Spieler, Soundkarten für Computer und moderne High-Fidelity-Musikplayer. Der Externe DACs Sie werden häufig von Audiophilen verwendet, die die Audioqualität ihrer Systeme verbessern möchten. Sie werden oft an CD-Player oder Computer angeschlossen und dann an einen Verstärker angeschlossen, um digitale Signale mit größerer Präzision und Qualität in analoge umzuwandeln.

Ferner die ADC Sie sind unverzichtbar in Geräten wie z Mikrofone, Digitalkameras und jedes System, das ein analoges Signal erfasst und es im digitalen Format verarbeiten muss. Ein Computer allein kann ein rein analoges Signal nicht verstehen; Vor der Verarbeitung wäre ein ADC erforderlich, der die Daten in digitale Daten umwandelt.

In vielen Systemen, wie z Audio-Interfaces In Aufnahmestudios arbeiten ADC und DAC zusammen. Der ADC nimmt das Signal vom Mikrofon auf und wandelt es in digitale Daten um, damit die Software es verarbeiten, Effekte anwenden usw. kann. Der DAC nimmt dann die verarbeiteten Daten auf und wandelt sie wieder in analoge Signale um, sodass sie über Kopfhörer oder Lautsprecher wiedergegeben werden können.

Geschichte und Entwicklung der Konverter

Der erste große Schritt in der Entwicklung von ADCs und DACs in der Audioindustrie war die Erfindung der Tonbandaufzeichnung. Obwohl ursprünglich analog, ermöglichte die Natur dieser Technologie den Ingenieuren, mit verschiedenen Möglichkeiten der Signaldigitalisierung zu experimentieren. Die ersten kommerziellen ADC/DAC-Anwendungen begannen in den 70er Jahren, als Unternehmen wie Sony fortschrittliche digitale Rekorder auf den Markt brachten, mit denen Audio aufgezeichnet, bearbeitet und digital verarbeitet werden konnte. Die Ankunft von CD in den 80er Jahren war mit seiner 44.1-kHz-Qualität ein Schlüsselmoment für die Popularisierung dieser Technologie und kurz danach professionelles Studium Sie begannen, diese Konverter systematisch einzusetzen.

Dank der Fortschritte in der Halbleitertechnologie sind ADCs und DACs heute so weit miniaturisiert, dass sie in kleine integrierte Schaltkreise passen, was sie schneller, genauer und für die breite Öffentlichkeit zugänglicher macht. Mittlerweile finden wir auch auf Mobilgeräten hochwertige Konvertierungssysteme, die bisher nur auf sehr teuren Profigeräten möglich waren.

Schlüsselfaktoren für die Auswahl eines ADC oder DAC

Wählen Sie das aus passenden Konverter Es hängt weitgehend davon ab, was Sie tun müssen. Für hochwertige Audioanwendungen ist es zwingend erforderlich, nach einem DAC mit einem zu suchen hohe Abtastrate (mindestens 44.1 kHz für CD-Qualität) und ausreichend Bit-Tiefe (16 oder 24 Bit). Darüber hinaus ist es wichtig, die Option eines DAC in Betracht zu ziehen asynchron, was eine Fehlerreduzierung ermöglichen kann, indem es unabhängig von der Hauptuhr des Computers arbeitet.

Andererseits benötigen Sie für Industrie- oder Steuerungsanwendungen einen ADC, der Signale schnell verarbeiten kann und wahrscheinlich robuster und energieeffizienter aufgebaut ist. Bei dieser Art von Anwendungen, beispielsweise der Temperaturregelung eines HVAC-Systems, ist es entscheidend, dass der Konverter variable analoge Eingänge verarbeiten und in digitale Signale umwandeln kann, die von einem Computer verarbeitet werden, der das System steuert.


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