DA-muunnin


DA-muunnin on komponentti, joka muuntaa digitaalisen signaalin analogiseen muotoon, eli tavallisesti virraksi tai jännitteeksi. Esim. datan cd-levyltä musiikiksi. D/A-muuntimia löytyykin lähimpänä kännyköistä, CD-soittimista ja äänikorteista. A/D-muunnin on paljon monimutkaisempi kuin D/A-muunnin. Se toimii käytännössä samalla tavalla, mutta käänteisesti. DA-muunnosta hyödynnetään myös audiomaailman ulkopuolella. Muunnetulla ulostulojännitteellä voidaan esimerkiksi ohjata sähkömoottoria.

Digitaaliset signaalit


On erilaisia digitaalimoduloituja signaaleita. Pulssinleveysmoduloitu (PWM, Pulse-width Modulation) on helppo muuntaa alipäästösuodattimella analogiseksi, koska PWM:n signaalijännitteen tehollisarvo on suoraan verrannollinen alkuperäiseen mittausarvoon. Myöskin
PWM signaalin synnyttäminen, eli sen AD-muunnos, on helpohko prosessi. PWM-signaali soveltuu lähinnä reaaliaikaiseen systeemiin, sen sijaan huonommin talletettuun tietoon. [1]

Yleisin talletettu digitaalinen tieto on tavalla tai toisella pulssikoodimoduloitua (PCM, Pulse Code Modulation). Kun modulaatiota ohjataan digitaalisesti, eri vaihtoehtoja on rajallinen määrä. Käytössä olevien signaalitasojen (tai jännitetasojen) lukumäärää nimitetään resoluutioksi, joka on siis näytteenottotarkkuus.

Rakenne ja toteutustavat


D/A-muuntimet perustuvat yleensä yhden mikropiirin sisään integroituun bipolaaritekniikkaan. Muunnos analogiseksi signaaliksi toteutetaan binääripainotetuilla vastusarvoilla ja se toteutetaan niiden sarjaan- ja rinnankytkennällä. Tällöin se voi viedä paljon komponentteja ja pinta-alaa. Tekniikka on kehitetty virta-jännite-muuntimesta.

Binääripainotetussa muuntimessa, jonka tarkkuus on n bittiä, on rinnankytketty vastuksia arvoilla R, 2R, 4R, …, 2^nR. Kytkimien avulla näitä summaamalla, saadaan ulostuloksi oikeansuuruinen jännite. Tämä on nopein tapa toteuttaa muunnos, mutta tarkkuus ei ole paras mahdollinen. [2]

da-muunnin_piiri1.gif

Binääripainotetuilla vastuksilla toteutettu piiri

Myös R-2R-tikapuuverkko on näppärä tapa toteuttaa muunnin, koska käytännössä on vaikea rakentaa suoraan painoarvoja sähköksi muuntavia piirejä. Pienen ongelman kummassakin vaihtoehdossa luo vastusten sovittamisesta aiheutuvat lineaarisuusvirheet. [3]

Kolmas tapa toteuttaa DA-muunnin on sarjamuotoinen muunnin. Se on yleensä 1-bittinen muunnin, joka kuitenkin voi muuntaa myös n-bittisen signaalin siten, että data kiertää n kertaa piirin läpi. Tämä on mahdollista, koska nykyään integroidut piirit pystytään tekemään niin nopeiksi, että data ehtii kiertää piirin läpi monta kierrosta yhden näytteenoton aikana.

Komponentti reaalimaailmasta


PCM1796 on Texas Instrumentsin BurrBrown-tuotteisiin lukeutuva esimerkkikomponentti tämän päivän tekniikasta. Kyseinen DA-muunnin tuottaa 24 bitin levyisestä numeerisesta datasta 192 000 muunnosta sekunnissa. Bittileveyden ja näytteenottotaajuuden kasvattaminen tuottaa aina lähemmäs oikean signaalin. PCM1796 on integroitu CMOS-piiri, jonka köntissä on 28 johdinta. [4]

Kvantisointivirhe


AD- ja DA-muunnosta epätarkentaa käytännön lineaarisuusvirheet, mutta itse signaalin muutosprosessin mukana tulevat väistämättä myös kvantisointivirhe, kvantisointikohina ja kvantisointisärö. Särön osuus voidaan ilmoittaa prosentteina varsinaisesta signaalista. Koska nykyään särön osuus on hyvin alhainen, on sen suuruus havainnollisempaa ilmoittaa desibeleinä.

Kvantisointivirhe määrää ko. systeemin signaali-kohina–suhteen. Näytteenottotaajuudesta riippuen digitaalisella signaalilla on aina äärellinen määrä muotoja, kun taas analoginen signaali voi saada äärettömän määrän arvoja samalla näytevälillä. Tätä eroa kutsutaan kvantisointivirheeksi eli kohinaksi. [5]

Särö häiritsee signaalissa enemmän kuin satunnainen kohina. Ihmiskorvalla tämä väite on havaittavissa, koska äänentoistossa särö erottuu signaalista paljon selvemmin. DA-muunnoksesta aiheutuvan särön häiritsevyyttä pehmentää dither-menetelmä, jossa analogiseen sisääntulosignaaliin on lisätty sopivasti kohinaa, joka satunnaistaa kvantisointivirheen. [6]

da-muunnin.jpg
DA-muunnin äänikortissa

DA-muuntimien asema yhteiskunnassa


Käytännön täytyy turvautua tarkoituksenmukaisiin keinoihin, jos DA-muunnin on kiteytetty aatteeseen, jossa pohditaan nykysukupolvia henkisesti rasittavaa elämäntyyliä. Yksilötasolla luulisi olevan selvää, että digitaalinen signaali asettaa tahomme tukalaan tilanteeseen ajateltaessa hyvinvoivan yhteiskunnan rinnalle muodostuneita epäkohtia. Nykyajan viihde-elektroniikka pohjautuu AD- ja DA-muunnoksiin. Todellinen audiofiili kokee digitaalista alkuperää olevan äänen aiheuttavan kuunteluväsymystä. Kun taas analoginen vinyyli suorastaan virkistää. Tätä ei ole rottakokein verifioitu, mutta ero on sama kuin puusaunalla ja sähkösaunalla.
  1. ^ Wikipedia, Pulse-width modulation, katsottu 3.2.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation
  2. ^ Elektroniikka II, TKK, katsottu 3.2.2010 http://www.ecdl.tkk.fi/education/020/LKALVOT/K07/ele2_10.pdf
  3. ^ 8-bit Digital to Analog converter(DAC), katsottu 10.1.2010 http://www.ikalogic.com/dac08.php
  4. ^ Datalehti, katsottu 4.2.2010 http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pcm1796.html
  5. ^ A/D- ja D/A-muuntimet, katsottu 5.2.2010 http://media.oulu.fi/TAKOMO/ESP/esp_harj_08/esp_harj_08_f.pdf
  6. ^ AD/DA-muunnos, TTY, http://www.cs.tut.fi/~digaudio/adda.pdf