Цифро аналоговый преобразователь звука

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-1r

Цифро-аналоговый преобразователь звука

Цифро-аналоговый преобразователь звука на основе резисторной матрицы R-2R улучшает характеристики и того, и другого. Такой гибрид значительно снижает пульсации ШИМ и увеличивает разрешение ЦАП. В этой статье восемь резисторов и три выхода управляющей микросхемы образуют модифицированную R-2R матрицу резисторов (Рисунок 1). Модификация состоит в том, что конец лестничной резисторной цепочки подключен к выходу ШИМ, а не к земле.

Матрица делит напряжение VCc на восемь ступеней, каждая из которых заполняется ШИМ с уровнем от 0% до 100%. Это в восемь раз снижает пульсации и одновременно увеличивает разрешение на три старших бита. В качестве альтернативы вы можете взять эти три бита от верха исходного значения коэффициента заполнения ШИМ, умножив его частоту на восемь. Вы по-прежнему получите снижение пульсаций в отношении 8:1, но теперь увеличенная тактовая частота сдвинет шумы ШИМ в область, где фильтр будет подавлять их лучше.

Моделирование

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-1



Цифро-аналоговый преобразователь звука гибридную схему, которого я промоделировал, показана ниже. Сравнивая ее с обычным фильтром нижних частот (Рисунок 2), вы должны помнить, что выходное сопротивление матрицы R-2R равно R. Поскольку сопротивление R я получал параллельным соединением двух резисторов 2R (10 кОм), выходное сопротивление равно 5 кОм.

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-2

Именно такой резистор я и использовал в обычной схеме наряду с таким же конденсатором 1 мкФ. Коэффициент заполнения ШИМ я установил равным 50%, поскольку при таком значении пульсации имеют наибольший уровень. Результаты моделирования показывают (Рисунок 3), что при традиционном подходе пульсации составляют примерно 4 мВ.



Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-3

Тогда как первый вариант гибридного ЦАП (добавление трех новых бит к исходным восьми) дает результат 493 мкВ, то есть, примерно одну восьмую. Второй вариант (увеличение частоты ШИМ в восемь раз при сохранении исходных восьми бит) позволяет снизить пульсации всего до 61 мкВ. Это примерно до одной шестьдесят пятой от пульсаций обычной схемы. На Рисунках 4а (ШИМ + ФНЧ) и 46 (11-битная гибридная схема) представлены результаты комплексного моделирования для случая медленного ступенчатого увеличения напряжения от О В до 5 В.

Читайте также:  Цифровой аналоговый преобразователь Alpha DAC Reference

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-4



Емкости конденсаторов фильтров преднамеренно выбраны очень низкими, чтобы иметь возможность видеть пульсации в этом масштабе. Обычная матрица R-2R добавляет ступенчатую зависимость (красный цвет на Рисунке 46), чтобы показать, как ШИМ переходит от одного уровня к другому.

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-5

Эта схема может работать также, если вместо ШИМ использовать генератор с цифровым управлением (NCO). NCO (прибавляйте значение к аккумулятору и выводите бит переноса на выход) имеет преимущество перед ШИМ. Поскольку снижает пульсации в области средних значений коэффициента заполнения (за счет увеличения частоты переходов), где пульсации ШИМ максимальны. Кроме того, подобная схема может работать и с любым другим ЦАП: просто подключите сигнал ШИМ или NCO к старшему значащему биту.

Проверка

Теперь о некоторых испытаниях, в следствии чего цифро-аналоговый преобразователь звука дал результаты. Резисторы, которые я использовал в матрице, имели допуск ±2%, но лишь потому, что других не нашлось под рукой. Вы можете взять более точные резисторы. Таймер 1 микроконтроллера ATmega328, работающего на частоте 16 МГц, я использовал для 8-битной ШИМ, а измерения выполнял с помощью 10-битного АЦП. Поскольку опорным уровнем для всех узлов — ШИМ, R-2R и АЦП — служит VCC, мы можем исключить это напряжение из рассмотрения и анализировать только значения, считываемые из АЦП для каждого из восьми уровней со скважностью ШИМ, устанавливаемой от 0% до 100%. В идеале 100% каждого предыдущего уровня должны быть равны 0% следующего уровня (с оговоркой, что согласно справочным данным на ATmega328, общая ошибка нелинейности может достигать двух бит). Реальные результаты измерений приведены в Таблице 1.

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-8

Они кажутся вполне разумными. Затем я воспользовался технологией, названной мною «Медленноскопия», которая основана на способности ATmega328 выполнять аналого-цифровые преобразования по сигналам таймера — того же таймера, который участвует в формировании ШИМ. Таким образом мы можем измерять пульсации в заданном цикле ШИМ. На Рисунке 5 представлен объединенный график для обычного ШИМ с фильтром нижних частот (зеленый) и гибридного ЦАП (черный + красный). В обоих случаях, чтобы разглядеть пульсации, использовались конденсаторы очень небольшой емкости.

Читайте также:  Фонокорректор Huei от компании Chord Electronics

Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-6 Объединение ШИМ с лестничным ЦАП-7

В конце концов, мы увидели, что в зависимости от вашего желания, можно заполнять импульсами ШИМ промежутки между уровнями R-2R ЦАП, или значительно сократить пульсации обычной комбинации ШИМ и фильтра с помощью матрицы R-2R. Или же сделать и то, и другое. И, наконец, на Рисунке 6 показаны графики для несинхронизируемого аналого-цифрового измерения обоих гибридных ЦАП, позволяющего сделать их пульсации более или менее случайными. Для более реалистичных результатов здесь использовался конденсатор большей емкости.

Скачать Файлы моделирования

Не нашли что искали? Смотрите еще: