محول من رقمي إلى تناظري

تحتوي هذه المقالة على العديد من المشكلات. يُرجى المساعدة في تحسينها أو مناقشة هذه المشكلات على صفحة المناقشة . ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسائل ) تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق .الرجاء المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ابحث عن المصادر:  "محول رقمي إلى تناظري" - أخبار  · صحف  · كتب  · باحث  · JSTOR ( أغسطس 2016 )( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة ) هذه المقالة بصيغة قائمة ولكن قد يكون من الأفضل قراءتها على هيئة نثر .يمكنك المساعدة عن طريق تحويل هذه المقالة إذا كان ذلك مناسبًا. تتوفر مساعدة في التحرير . ( نوفمبر 2019 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

في الإلكترونيات ، المحول الرقمي إلى التناظري ( DAC ، D/A ، D2A ، أو D-to-A ) هو نظام يحول الإشارة الرقمية إلى إشارة تناظرية . يقوم المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) بأداء الوظيفة العكسية.

هناك العديد من بنيات المحول الرقمي التناظري ؛ ويتم تحديد مدى ملاءمة المحول الرقمي التناظري لتطبيق معين من خلال أرقام الجدارة بما في ذلك: الدقة ، وأقصى تردد أخذ العينات وغيرها. يمكن أن يؤدي التحويل من الرقمي إلى التناظري إلى تدهور الإشارة، لذا يجب تحديد المحول الرقمي التناظري الذي يحتوي على أخطاء غير مهمة من حيث التطبيق.

تُستخدم محولات DAC بشكل شائع في مشغلات الموسيقى لتحويل تدفقات البيانات الرقمية إلى إشارات صوتية تناظرية . كما تُستخدم في أجهزة التلفاز والهواتف المحمولة لتحويل بيانات الفيديو الرقمية إلى إشارات فيديو تناظرية . يستخدم هذان التطبيقان محولات DAC في طرفي نقيض من التوازن بين التردد والدقة. محول DAC الصوتي هو نوع منخفض التردد وعالي الدقة بينما محول DAC الفيديو هو نوع عالي التردد ومنخفض إلى متوسط ​​الدقة.

نظرًا للتعقيد والحاجة إلى مكونات متطابقة بدقة ، يتم تنفيذ جميع محولات DAC، باستثناء الأكثر تخصصًا، كدوائر متكاملة (ICs). تتخذ هذه الدوائر عادةً شكل رقائق دوائر متكاملة مختلطة الإشارات من أشباه الموصلات المعدنية والأكسيدية (MOS) والتي تدمج الدوائر التناظرية والرقمية .

عادةً ما تكون المحولات الرقمية التناظرية المنفصلة (الدوائر المصنوعة من مكونات إلكترونية منفصلة متعددة بدلاً من الدائرة المتكاملة المجمعة) من الأنواع التي تتطلب طاقة عالية السرعة ودقة منخفضة للغاية، كما هو مستخدم في أنظمة الرادار العسكرية. قد تستخدم أيضًا معدات الاختبار عالية السرعة للغاية، وخاصة أجهزة قياس الذبذبات ، محولات رقمية تناظرية منفصلة.

يقوم محول رقمي إلى تناظري بتحويل رقم تجريدي ذي دقة محدودة (عادةً ما يكون رقمًا ثنائيًا بنقطة ثابتة ) إلى كمية فيزيائية (على سبيل المثال، جهد أو ضغط ). وعلى وجه الخصوص، غالبًا ما تُستخدم محولات رقمي إلى تناظري لتحويل بيانات سلسلة زمنية ذات دقة محدودة إلى إشارة فيزيائية متغيرة باستمرار .

بشرط أن يفي عرض النطاق الترددي للإشارة بمتطلبات نظرية أخذ العينات نيكويست-شانون (أي إشارة النطاق الأساسي بعرض نطاق أقل من تردد نيكويست ) وتم أخذ عينات منها بدقة لا نهائية، يمكن إعادة بناء الإشارة الأصلية نظريًا من البيانات التي تم أخذ العينات منها. ومع ذلك، لا يمكن لتصفية المحول التناظري الرقمي القضاء تمامًا على جميع الترددات فوق تردد نيكويست، والتي ستدخل في نطاق تردد النطاق الأساسي. وتقدم عملية أخذ العينات الرقمية للمحول التناظري الرقمي بعض أخطاء التكميم (خطأ التقريب)، والتي تتجلى في ضوضاء منخفضة المستوى. يمكن إبقاء هذه الأخطاء ضمن متطلبات التطبيق المستهدف (على سبيل المثال تحت النطاق الديناميكي المحدود للسمع البشري لتطبيقات الصوت).

المحولات الرقمية إلى التناظرية والمحولات التناظرية إلى الرقمية هي جزء من تقنية تمكينية ساهمت بشكل كبير في الثورة الرقمية . لتوضيح ذلك، ضع في اعتبارك مكالمة هاتفية طويلة المسافة نموذجية. يتم تحويل صوت المتصل إلى إشارة كهربائية تناظرية بواسطة ميكروفون ، ثم يتم تحويل الإشارة التناظرية إلى دفق رقمي بواسطة محول تناظري إلى رقمي. ثم يتم تقسيم الدفق الرقمي إلى حزم شبكة حيث يمكن إرساله مع بيانات رقمية أخرى ، وليس بالضرورة صوت. ثم يتم استلام الحزم في الوجهة، ولكن قد تأخذ كل حزمة مسارًا مختلفًا تمامًا وقد لا تصل حتى إلى الوجهة بالترتيب الزمني الصحيح. ثم يتم استخراج بيانات الصوت الرقمية من الحزم وتجميعها في دفق بيانات رقمي. يحول المحول الرقمي إلى رقمي هذه مرة أخرى إلى إشارة كهربائية تناظرية، والتي تعمل على تشغيل مكبر صوت ، والذي بدوره يعمل على تشغيل مكبر صوت ، والذي ينتج الصوت في النهاية.

يتم تخزين معظم الإشارات الصوتية الحديثة في شكل رقمي (على سبيل المثال ملفات MP3 والأقراص المضغوطة )، ولكي يتم سماعها عبر مكبرات الصوت، يجب تحويلها إلى إشارة تناظرية. لذلك، توجد محولات DAC في مشغلات الأقراص المضغوطة ومشغلات الموسيقى الرقمية وبطاقات الصوت للكمبيوتر الشخصي .

يمكن أيضًا العثور على محولات رقمية إلى تناظرية مستقلة متخصصة في أنظمة الصوت عالية الجودة . تأخذ هذه المحولات عادةً الإخراج الرقمي من مشغل أقراص مضغوطة متوافق أو جهاز نقل مخصص (وهو في الأساس مشغل أقراص مضغوطة بدون محول رقمي إلى تناظري داخلي) وتحول الإشارة إلى إخراج على مستوى الخط التناظري يمكن بعد ذلك إدخاله في مكبر للصوت لتشغيل مكبرات الصوت.

يمكن العثور على محولات رقمية تناظرية مماثلة في مكبرات الصوت الرقمية مثل مكبرات الصوت USB ، وفي بطاقات الصوت .

في تطبيقات نقل الصوت عبر IP ، يجب أولاً تحويل المصدر إلى صيغة رقمية للإرسال، لذلك يخضع للتحويل عبر محول تناظري إلى رقمي ثم يتم إعادة بنائه إلى صيغة تناظرية باستخدام محول رقمي إلى تناظري على نهاية الطرف المتلقي.

تميل عملية أخذ العينات من الفيديو إلى العمل على نطاق مختلف تمامًا بفضل الاستجابة غير الخطية للغاية لكل من أنابيب أشعة الكاثود (التي استهدفت الغالبية العظمى من أعمال تأسيس الفيديو الرقمي) والعين البشرية، باستخدام "منحنى جاما" لتوفير مظهر لخطوات السطوع الموزعة بالتساوي عبر النطاق الديناميكي الكامل للشاشة - ومن هنا تأتي الحاجة إلى استخدام RAMDACs في تطبيقات الفيديو على الكمبيوتر بدقة ألوان عميقة بما يكفي لجعل هندسة قيمة مبرمجة في DAC لكل مستوى إخراج لكل قناة غير عملي (على سبيل المثال، تتطلب Atari ST أو Sega Genesis 24 قيمة من هذا القبيل؛ ستحتاج بطاقة فيديو 24 بت إلى 768...). ونظرًا لهذا التشويه المتأصل، فليس من غير المعتاد أن يزعم جهاز تلفزيون أو جهاز عرض فيديو بصدق أن نسبة التباين الخطية (الفرق بين أغمق وألمع مستويات الإخراج) تبلغ 1000:1 أو أكبر، وهو ما يعادل 10 بت من دقة الصوت على الرغم من أنه قد يقبل فقط إشارات بدقة 8 بت ويستخدم لوحة LCD تمثل 6 أو 7 بت فقط لكل قناة.

يجب تحويل إشارات الفيديو من مصدر رقمي، مثل الكمبيوتر، إلى شكل تناظري إذا كان من المقرر عرضها على شاشة تناظرية. اعتبارًا من عام 2007، كانت المدخلات التناظرية أكثر استخدامًا من الرقمية، ولكن هذا تغير مع انتشار شاشات العرض المسطحة مع توصيلات DVI و/أو HDMI . ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، يتم دمج محول رقمي إلى تناظري للفيديو في أي مشغل فيديو رقمي بمخرجات تناظرية. عادةً ما يتم دمج محول رقمي إلى تناظري مع بعض الذاكرة ( RAM )، والتي تحتوي على جداول تحويل لتصحيح جاما والتباين والسطوع، لإنشاء جهاز يسمى RAMDAC .

الجهاز الذي يرتبط ارتباطًا بعيدًا بـ DAC هو مقياس الجهد الذي يتم التحكم فيه رقميًا ، والذي يستخدم للتحكم في الإشارة التناظرية رقميًا.

يتخذ المحرك الميكانيكي أحادي البت وضعين: وضع التشغيل ووضع الإيقاف. ويمكن دمج حركة العديد من المحركات أحادية البت ووزنها باستخدام آلية شجرة الويفل لإنتاج خطوات أدق. وتستخدم الآلة الكاتبة IBM Selectric مثل هذا النظام. ^[1]

تُستخدم المحولات الرقمية إلى التناظرية على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات الحديثة مما يتيح توليد إشارات إرسال محددة رقميًا. تُستخدم المحولات الرقمية إلى التناظرية عالية السرعة في الاتصالات المتنقلة ، وتُستخدم المحولات الرقمية إلى التناظرية فائقة السرعة في أنظمة الاتصالات البصرية .

أكثر أنواع المحولات الرقمية إلى التناظرية الإلكترونية شيوعًا هي: ^[2]

• معدل عرض النبضة حيث يتم تحويل تيار أو جهد ثابت إلى مرشح تناظري منخفض التردد بمدة يتم تحديدها بواسطة رمز الإدخال الرقمي. تُستخدم هذه التقنية غالبًا للتحكم في سرعة المحرك الكهربائي وتعتيم مصابيح LED .
• تستخدم محولات رقمي إلى تناظري ذات أخذ عينات زائدة أو محولات رقمي إلى تناظري استيفاء مثل تلك التي تستخدم تعديل دلتا سيجما ، تقنية تحويل كثافة النبضة مع أخذ عينات زائدة . تُباع محولات رقمي إلى تناظري دلتا سيجما الصوتية بمعدل أخذ عينات 384 كيلوهرتز ودقة 24 بت، على الرغم من أن الجودة أقل بسبب الضوضاء المتأصلة (انظر § أرقام الجدارة). تستخدم بعض الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية نوعًا من محولات رقمي إلى تناظري ذات أخذ عينات زائدة يشار إليها باسم محول رقمي إلى تناظري 1 بت .
• محول رقمي إلى تناظري مرجح ثنائيًا، والذي يحتوي على مكونات كهربائية فردية لكل بت من محول رقمي إلى تناظري متصل بنقطة جمع، وعادةً ما تكون مكبرًا تشغيليًا . كل مدخل في الجمع له وزن قوى اثنين مع التيار أو الجهد الأكثر أهمية عند البت الأكثر أهمية . هذه واحدة من أسرع طرق التحويل ولكنها تعاني من ضعف الدقة بسبب الدقة العالية المطلوبة لكل جهد أو تيار فردي. ^[3]
  • يحتوي محول DAC للمقاومات المبدلة على شبكة مقاومات متوازية. يتم تمكين المقاومات الفردية أو تجاوزها في الشبكة بناءً على المدخلات الرقمية.
  • محول رقمي إلى تناظري لمصدر التيار المبدل ، والذي يتم من خلاله اختيار مصادر تيار مختلفة استنادًا إلى المدخلات الرقمية.

    

  • يحتوي محول DAC للمكثف المبدل على شبكة مكثفات متوازية. يتم توصيل المكثفات الفردية أو فصلها بمفاتيح بناءً على المدخل.
  • محول رقمي إلى تناظري R -2R هو محول رقمي إلى تناظري ثنائي الأوزان يستخدم بنية متتالية متكررة من قيم المقاومات R و2R. وهذا يحسن الدقة بسبب السهولة النسبية لإنتاج مقاومات متطابقة القيمة ومتساوية.
• التقريب المتتالي أو المحول الرقمي التناظري الدوري، ^[4] الذي ينشئ الناتج بشكل متتالي أثناء كل دورة. تتم معالجة البتات الفردية للمدخلات الرقمية في كل دورة حتى يتم احتساب المدخلات بالكامل.
• محول رقمي إلى تناظري مشفر بمقياس الحرارة ، والذي يحتوي على مقاومة متساوية أو جزء مصدر تيار لكل قيمة ممكنة لإخراج محول رقمي إلى تناظري. يحتوي محول رقمي إلى تناظري بمقياس الحرارة 8 بت على 255 جزءًا، ويحتوي محول رقمي إلى تناظري بمقياس الحرارة 16 بت على 65535 جزءًا. هذه بنية محول رقمي إلى تناظري سريعة وأعلى دقة ولكن على حساب الحاجة إلى العديد من المكونات التي تتطلب عمليات تصنيع عالية الكثافة لتطبيقات عملية . [ ^5]
• محولات رقمية إلى تناظرية هجينة، تستخدم مزيجًا من التقنيات المذكورة أعلاه في محول واحد. معظم الدوائر المتكاملة لمحولات رقمية إلى تناظرية من هذا النوع بسبب صعوبة الحصول على تكلفة منخفضة وسرعة عالية ودقة عالية في جهاز واحد.
  • محول رقمي إلى تناظري مجزأ، يجمع بين مبدأ ترميز الترمومتر للبتات الأكثر أهمية ومبدأ الترجيح الثنائي للبتات الأقل أهمية. وبهذه الطريقة، يتم الحصول على حل وسط بين الدقة (باستخدام مبدأ ترميز الترمومتر) وعدد المقاومات أو مصادر التيار (باستخدام مبدأ الترجيح الثنائي). يعني التصميم الكامل بالترجيح الثنائي تجزئة بنسبة 0%، بينما يعني التصميم الكامل بالترموميتر تجزئة بنسبة 100%.
• تعتمد أغلب محولات DAC الموضحة في هذه القائمة على جهد أو تيار مرجعي ثابت لإنشاء قيمة خرجها. بدلاً من ذلك، يأخذ محول DAC المضاعف ^[6] جهد أو تيار دخل متغير كمرجع تحويل. وهذا يفرض قيود تصميم إضافية على عرض النطاق الترددي لدائرة التحويل.
• تتميز محولات DAC عالية السرعة الحديثة ببنية متداخلة، حيث يتم استخدام نوى DAC متعددة بالتوازي. يتم دمج إشارات خرجها في المجال التناظري لتحسين أداء محول DAC المدمج. ^[7] يمكن إجراء دمج الإشارات إما في مجال الوقت أو في مجال التردد.

أهم خصائص المحول الرقمي التناظري هي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

دقة

عدد مستويات الإخراج الممكنة التي تم تصميم المحول الرقمي التناظري لإعادة إنتاجها. وعادة ما يتم ذكر ذلك على أنه عدد البتات التي يستخدمها، وهو اللوغاريتم الثنائي لعدد المستويات. على سبيل المثال، تم تصميم المحول الرقمي التناظري أحادي البت لإعادة إنتاج مستويين (2 ¹ ) بينما تم تصميم المحول الرقمي التناظري ثماني البتات لإعادة إنتاج 256 (2 ⁸ ) مستوى. ترتبط الدقة بعدد البتات الفعال وهو مقياس للدقة الفعلية التي حققها المحول الرقمي التناظري. تحدد الدقة عمق اللون في تطبيقات الفيديو وعمق بت الصوت في تطبيقات الصوت.

الحد الأقصى لمعدل أخذ العينات

السرعة القصوى التي يمكن أن تعمل بها دوائر المحولات الرقمية إلى التناظرية مع الاستمرار في إنتاج خرج صحيح. تحدد نظرية أخذ العينات نيكويست-شانون العلاقة بين هذه السرعة وعرض النطاق الترددي للإشارة التي تم أخذ العينات منها.

الرتابة

قدرة المخرج التناظري لمحول رقمي إلى تناظري على التحرك فقط في الاتجاه الذي يتحرك فيه المدخل الرقمي (أي إذا زاد المدخل، لا ينخفض ​​المخرج قبل تأكيد المخرج الصحيح). هذه الخاصية مهمة جدًا لمحولات رقمي إلى تناظري المستخدمة كمصدر إشارة منخفضة التردد أو كعنصر تقليم قابل للبرمجة رقميًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

التشوه التوافقي الكلي والضوضاء (THD+N)

قياس التشوه والضوضاء التي يسببها المحول الرقمي التناظري للإشارة. يتم التعبير عن ذلك كنسبة مئوية من إجمالي قوة التشوه والضوضاء التوافقية غير المرغوب فيها التي تصاحب الإشارة المطلوبة.

النطاق الديناميكي

قياس الفرق بين أكبر وأصغر الإشارات التي يمكن لمحول رقمي إلى تناظري إعادة إنتاجها، معبرًا عنها بالديسيبل . يرتبط هذا عادةً بالدقة ومستوى الضوضاء .

يمكن أن تكون القياسات الأخرى، مثل تشوه الطور والاهتزاز ، مهمة جدًا أيضًا لبعض التطبيقات، وبعضها (مثل نقل البيانات اللاسلكي والفيديو المركب) قد يعتمد حتى على الإنتاج الدقيق للإشارات المعدلة الطور.

تحاول ترميزات PCM غير الخطية (قانون A / قانون μ، ADPCM، NICAM) تحسين نطاقاتها الديناميكية الفعّالة من خلال استخدام أحجام خطوة لوغاريتمية بين قوى إشارة الإخراج التي يمثلها كل بت بيانات. وهذا يستبدل تشوه التكميم الأكبر للإشارات الصاخبة بأداء أفضل للإشارات الهادئة.

• الأداء الثابت:
  • تظهر اللاخطية التفاضلية (DNL) مدى انحراف قيمتي الكود التناظريتين المتجاورتين عن خطوة LSB المثالية 1. ^[8]
  • يُظهِر اللاخطية التكاملية (INL) مدى انحراف خاصية نقل DAC عن الخاصية المثالية. أي أن الخاصية المثالية عادةً ما تكون خطًا مستقيمًا؛ ويُظهِر اللاخطية التكاملية مدى اختلاف الجهد الفعلي عند قيمة رمز معينة عن ذلك الخط، بوحدات LSB (خطوة LSB واحدة). ^[8]
  • خطأ الكسب ^[8]
  • خطأ الإزاحة ^[8]
  • في النهاية، يتم الحد من الضوضاء من خلال الضوضاء الحرارية التي تولدها المكونات السلبية مثل المقاومات. بالنسبة لتطبيقات الصوت وفي درجات حرارة الغرفة، تكون هذه الضوضاء عادةً أقل بقليل من 1 μV (ميكروفولت) من الضوضاء البيضاء . وهذا يحد عمليًا من الدقة إلى أقل من 20~21 بت، حتى في محولات DAC ذات 24 بت. 
• أداء مجال التردد
  • يشير النطاق الديناميكي الخالي من الإشارات المزعجة (SFDR) إلى النسبة بين قوى الإشارة الرئيسية المحولة وأكبر نتوء غير مرغوب فيه بالديسيبل. ^[8]
  • تشير نسبة الإشارة إلى الضوضاء والتشويه ( SINAD ) بالديسيبل إلى النسبة بين قوى الإشارة الرئيسية المحولة ومجموع الضوضاء والنتوءات التوافقية الناتجة ^[8]
  • يشير التشويه التوافقي رقم i (HDi) إلى قوة التوافقي رقم i للإشارة الرئيسية المحولة
  • التشويه التوافقي الكلي (THD) هو مجموع قوى جميع التوافقيات لإشارة الإدخال ^[8]
  • إذا كان الحد الأقصى لـ DNL أقل من 1 LSB، فمن المؤكد أن محول D/A رتيب. ومع ذلك، قد يكون لدى العديد من المحولات الرتيبة حد أقصى لـ DNL أكبر من 1 LSB. ^[8]
• أداء المجال الزمني:
  • منطقة نبضات الخلل (طاقة الخلل) ^[8]

• I²S  – بروتوكول اتصال تسلسلي للصوت الرقمي ثنائي القناة

• كستر، والت (2005)، دليل تحويل البيانات، نيونس، رقم ISBN 0-7506-7841-0
• إس نورسوورثي، ريتشارد شراير، غابور سي. تيميس، محولات بيانات دلتا سيجما . ردمك 0-7803-1045-4 . 
• مينجليانج ليو، كشف غموض دوائر المكثفات المبدلة . ISBN 0-7506-7907-7 . 
• بهزاد رضوي ، مبادئ تصميم نظام تحويل البيانات . ISBN 0-7803-1093-4 . 
• فيليب إي. ألين، دوغلاس آر. هولبيرج، تصميم الدوائر التناظرية CMOS . ISBN 0-19-511644-5 . 
• روبرت ف. كوفلين، فريدريك ف. دريسكول، مكبرات التشغيل والدوائر المتكاملة الخطية . ISBN 0-13-014991-8 . 
• أ. أناند كومار، أساسيات الدوائر الرقمية . ISBN 81-203-1745-9 ، ISBN 978-81-203-1745-1 .  
• ندجونتشي تيرتولين، "الدوائر المتكاملة التناظرية CMOS: تصميم عالي السرعة وكفء في استخدام الطاقة". ISBN 978-1-4398-5491-4 . 

• "قاموس ADC و DAC". مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2009.
• تتعامل محولات DAC متعددة الدقة مع إشارات التيار المتردد
• تم شرح محول رقمي إلى تناظري R-2R Ladder DAC مع مخططات الدائرة.
• التقييم الديناميكي لمحولات D/A عالية السرعة وعالية الدقة يوضح قياسات HD وIMD وNPR، ويتضمن أيضًا اشتقاق ضوضاء التكميم