Digitaal-analoogmuundur

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

Tavaliselt on muundatav digitaalsignaal binaarne.

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

Digitaal-analoogmuunduri levinuim kasutusala on audiosignaalide saamine digitaalsest informatsioonist muusikamängijates. Digitaalne videosignaal muundatakse analoogsignaalideks nüüdisaegsetes televiisorites ja nutitelefonides ning arvutikuvarites.

Digitaal-analoogmuundurid valmistatakse integraallülitusena (kiibilna), et neid oleks ühilduvus elektroonikaseadmetes hõlbus kasutada. Digitaal-analoogmuundureid on mitmesuguse riistvaralise ülesehitusega vastavalt kasutusotstarbele.

Digitaal-analoogmuunduri tähtsaimad näitajad on diskreetimissagedus, 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

Digitaal-analoogmuundur muundab lõpliku täpsusega arvu (tavaliselt fikseeritud pikkusega kahendarv) füüsikaliseks suuruseks (vooluks või pingeks). Eelkõige kasutatakse digitaal-analoogmuundurit ajas muutuva digitaalse informatsiooni muundamiseks ajas varieeruvaks pidevaks füüsikaliseks signaaliks.

Tüüpiline digitaal-analoogmuundur teisendab abstraktsed arvud impulsijadaks, mida edasi töödeldakse rekonstruktsioonfiltriga, kasutades impulsivahede täitmiseks interpoleerimismeetodit (pulsskood modulatsiooni). Teised digitaal-analoogmuunduri meetodid (näiteks meetodid, mis baseeruvad delta-sigma-modulatsioonil) tekitavad pulsitihedusmoduleeritud signaali (nn 1-bitise signaali), mida filtreeritakse madalpääsfiltriga sujuva signaali saamiseks.
	
Digitaalsignaali kahendnumbrite jadad kirjutatakse digitaal-analoogmuundurisse vastavalt taktsagedusele, mille järgi lülitatakse muunduri väljundsignaali. Väärtuseid hoitakse NOR-lülituses, kuni järgmise takti ajal see väärtus üle kirjutatakse. Sellise meetodi tulemuseks on ajas muutuv trepp-pinge väljundis, kusjuures iga nn trepiastme pikkus on võrdne taktsageduse poolt määratud ajavahemikuga. Selline muundamine mõjutab paratamatult taasesituse sageduskarakteristikut.

Tüüpiliselt toob treppsignaaliks muundamine kaasa kõrgemad harmoonilised (üle Nyquisti sageduse). Need harmoonilised kõrvaldatakse tavaliselt madalpääsfiltriga (filter, mis laseb läbi ainult tatavast piirsagedusest madalama sagedusega võnkumisi). Digitaalse diskreetimisega kaasneb kvantimisviga, mis tõlgendub väikese amplituudmürana.

Rakendused

Helitehnika

Tänapäeval salvestatakse helisignaale pea eranditult digitaalsel kujul (näiteks audiovormingus MP3, CD-plaadil). Selleks et seda digitaalset infot kuulata saaks, on vaja see teha vastuvõetavaks valjuhäälditele või kõrvaklappidele, mis ise on analoogsed täiturmehhanismid ja vajavad sisendiks analoogsignaali. Digitaal-analoogmuundureid leiab seetõttu CD-mängijatest, kaasaskantavatest muusikamängijatest ning arvuti helikaartidelt.

Spetsiaalseid eraldiseisvaid digitaal-analoogmuundureid leiab kõrgekvaliteedilise heli hindajate helisüsteemidest. Muundurile antakse digitaalsignaal siis harilikult optilise sidekaabli abil. Arvuti külge ühendatakse muundur 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-analoogmuundureid. Tavaliselt on neid seal rohkem kui üks erinevate helisignaalide samaaegse taasesitamise tarvis.

Audiotehnikas muutuvad aina populaarsemaks digitaalsed kõlarid, mis võtavad otse vastu digitaalsignaali. Digitaalkõlaris järgneb digitaal-analoogmuundurile helisagedusvõimendi valjuhääldile vajaliku võimsusega analoogsignaali andmiseks.

Videotehnika

Arvuti töötleb ainult digitaalset informatsiooni. Selleks et videoinformatsiooni näiteks analoogmonitoril kuvada, tuleb see informatsioon teisendada analoogseks. Iga ekraan on iseseisvalt analoogseade. Enamikul vedelkristallkuvareil on nii analoog- kui digitaalsisendeid. Analoogsisendisse antud signaal kodeeritakse kõigepealt digitaalseks ja siis analoogsignaaliks tagasi.

Video digitaal-analoogmuundur on igas videomängijas, millel on analoogväljund. Video digitaal-analoogmuundur on tavaliselt liidestatud mäluga, millest loetakse informatsiooni gamma korrigeerimiseks, kontrasti ja heleduse jaoks. Sellise signaalitöötlusüksuse ingliskeelne lühend on RAMDAC, tõlkes muutmälu-digitaal-analoogmuundur. RAMDAC-id on olemas arvutis igal videokaardil ja üldiselt igas tänapäevases videot mängivas digitaalseadmes.

Mehaanilised seadmed

Digitaal-analoogmuundur on vajalik osa täiturmootoritega automaatsüsteemis. Robotkäed ja muud automatiseeritud mehaanilised süsteemid saavad tänapäeval tegutsemisjuhiseid enamasti digitaalsel kujul, mis neis sisalduvatele elektrimootoritele ja releedele tehakse kättesaadavaks digitaal-analoog muundamise teel.

Moodsates autodes antakse juhtimissignaalid auto eri osadesse digitaalsete impulssidena, et hoida kokku energiakulu ja kaablite pealt. Analoogsignaalid vajaksid auto ühest osast teise jõudmiseks üpriski jämedaid vaskkaableid. Selle asemel liigub palju väiksemat voolu vajav digitaalinfo mööda peenikesi kaableid täituri (näiteks elektrimootori või relee) juurde, kus on lokaalne digitaal-analoogmuundur.

Digitaal-analoogmuunduri töökarakeristikud

Resolutsioon

Resolutsioon ehk kvantimissügavus näitab, kui palju signaali intensiivsuse astmeid (nivooväärtusi) suudab digitaal-analoogmuundur töödelda analoogsignaaliks. Kvantimistasemete väärtusi väljendatakse bittides. Näiteks 8-bitisel dsignaalil on 28 ehk 256 nivooväärtust.

Tüüpilistel videokaartidel arvutis on 8-bitine resolutsioon ühe RGB (punane, roheline, sinine) kanali kohta, mis koos annavad 24 bitti.

DVD video on 10-bitine ehk 1024 nivooväärtust iga YUV (heledus+ kaks värvusvektorit) kanali jaoks. Tavaline CD audio on 16-bitine, SACD ja DVD aga kuni 24-bitine (üle 16 miljoni pingeastme).

Diskreetimissagedus

Diskreetimissagedus määrab digitaal-analoogmuunduri operatsioonidede tegemise kiiruse. Nyquisti-Shannoni sämplimisteoreemi järgi saab digitaal-analoogmuundur originaalse digitaalsignaali rekonstrueerida, kui originaalsignaal sisaldab vähemalt kaks korda rohkem informatsiooni ajas, mis tähendab, et digitaalsignaali diskreetimissagedus peab olema vähemalt kaks korda suurem kui taasesitatav analoog-väljundisignaali kõrgeim sagedus. Selle tingimuse järgi peab näiteks inimesele kuuldavas sagedusalas töötav digitaal-analoogmuundur töötama diskreetimissagedusega vähemalt 40 kHz), sest inimese kuuldelävi on kuni 20 kHz.

Tavalise CD diskreetimissagedus on 44,1 kHz, seetõttu on laialt levinud just sellise diskreetimissagedusega muusikameedia ja digitaal-analoogmuundurid selle töötlemiseks reeglina töötavad sellel sagedusel või kordistavad diskreetimissagedust üles enda sisemisele töösagedusele, kui see on kõrgem kui 44,1 kHz. Leidub ka palju muusikameediat, mis on DVD standardse diskreetimissagedusega 48 kHz. Et mitte jääda hätta suurema sagedusega muusikapaladega, valmistatakse helikaartide digitaal-analoogmuundurid tavaliselt sellised, et on võimelised töötlema diskreetimissagedust kuni 96 kHz.

Videosignaali digiteerimisel kasutatavad analoog-digitaalmuundurid töötavad palju kõrgematel sagedustel, mitme megahertsi juures. Varajastes mängukonsoolides kasutati ligikaudu 3 MHz sagedust, mis andis tänapäevaste standardite kohaselt üsna kesise kvaliteedi. Kõrge kvaliteediga VGA-väljundiga videodekooder töötab sagedustel 250 MHz või kõrgematel sagedustel.

Müra

Tavaliselt mõõdetakse digitaal-analoogmuunduri väljundist mittelineaarmoonutuse ja müra summat (THD+N). Üldiselt esitatakse selle summa väärtus protsendina kogu signaali intensiivsusest. Müratase on väga oluline hoida madal, eriti kui väljundsignaal on väikese võimsusega.

Müra ilma signaalita käsitletakse tavaliselt kui müra nulltaset, mis on ühtlasi väikseim müra intensiivsus digitaal-analoogmuunduri töötamise ajal tema väljundis.

Dünaamikaulatus

Dünaamikaulatus on erinevus väikseima ja suurima signaali intensiivsuse vahel, mida digitaal-analoogmuundur on võimeline väljastama. Dünaamikaulatus sõltub peamiselt muunduri bitisügavusest ja müra nulltasemest. Mida suurem on bitisügavus ja väiksem müra nulltase, seda suurem on dünaamikaulatus.

Pulsskoodmoduleerimismeetodi rakendamisel saadakse iga diskreetimisbiti kohta 6 dB väljundamplituudi kasvu (vastavalt kaks korda suurem täpsus või võimsus). Seega tüüpiline 16-bitine digitaalne heliallikas annab teoreetiliselt dünaamikaulatuse kuni 96 dB. Praktikas aga tavaliselt seda teoreetilist väärtust ei saavutata, seda eelkõige põhjusel, et näiteks helikaardis mõõdetakse väljundsignaali pärast eelvõimendust, mis lisab nullmürale oma osa.

Allikad

Viited 

Elektroonika
Digitaaltehnika
Digitaalne signaalitöötlus