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数模转换的原理(转发)2007-04-09 20:53:00

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 Cathy's Blog!    

                                                   

慢慢地被习惯所掩盖,被时间所迷离,被惰性所消磨;

一切都变得无所畏,无所为,无所谓……自己只不过是一个一无所有的人而已,喜欢的就留在我的身边,不喜欢的就离开我……

 


数模转换的原理
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      数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量,实现该功能的电路或器件称为数模转换电路,通常称为D/A转换器或DAC(Digital Analog Converter)。

      我们知道数分可为有权数和无权数,所谓有权数就是其每一位的数码有一个系数,如十进制数的45中的4表示为4×10,而5为5×1,即4的系数为10,而5的系数为1, 数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换为十进制的数。 最原始的DAC电路由以下几部分构成:参考电压源、求和运算放大器、权产生电路网络、寄存器和时钟基准产生电路,寄存器的作用是将输入的数字信号寄存在其输出端,当其进行转换时输入的电压变化不会引其输出的不稳定。时钟基准产生电路主要对应参考电压源,它保证输入数字信号的相位特性在转换过程中不会混乱,时钟基准的抖晃(jitter)会制造高频噪音。二进制数据其权系数的产生,依靠的是电阻,CD格式是16bit,即16位。所以采用16只电阻,对应16位中的每一位。参考电压源依次经过每个电阻的电流和输入数据每位的电流进行加权求和即可得出模拟信号。这就是多比特DAC。 多比特与1比特的区别之处就是,多比特是通过内部精密的电阻网络进行电位比较,并最终转换为模拟信号,好处在于高的动态跟随能力和高的动态范围,但是电阻的精度决定了多比特转换器的精度,要达到24bits的转换精度,对电阻的要求高达0.000015,即便是理想的电阻,其热噪音形成的阻值波动都会大于此值,多比特系统目前广泛采用的是R-2R梯形电阻网络,对电阻的精度要求可以降低,但即便如此,理想状态的电阻达到的转换精度也不会达到24bits,23bits已经是极限多比特系统的优点在于设计简单,但受制于电阻的精度,成本也高 单比特的原理:依靠数学运算的方法在CD的脉冲代码信号(PCM)中插入过取样点,插入7个取样点就是18倍过取样,这些插入的取样点与原信号通过积分电路进行比较,数值大的就定为1,数值小的就定为0,原先的PCM信号就变成了只有1和0的数据流,1代表数据流较密集,0代表数据流较稀疏,这就是脉冲密度调制信号(PDM),脉冲密度调制信号经过一个开关电容网络构成的低通滤波器,1就转换为高电压信号,0就转换为低电压信号,然后通过级联积分,最终转换为模拟信号。插入取样信号会制造出许多高频噪音,所以还要经过一个噪音整形电路处理,将这些噪音推移到人耳听不到的频域。 1bit的优点在于转换精度不受制于电阻,转换精度可以超过24bits,成本也低,但是设计过取样和噪音整形的电路难度很大。因为电阻在精密程度(光刻)和热噪音(材料)上对音质影响相对小些,而1比特的电容和积分电路对音质影响则相对大些对于CD的数据格式,单从声音素质上应该说多比特优于1比特,多比特对16比特的CD信号直接进行转换,而单比特还要经过一个PCM信号转换为PDM信号的程序,还要经过开关电容的充放电过程,虽然从理论上来说,最终得到模拟信号的速度和多比特相比不会慢到可以比较的程度,但是实际听感上,单比特不如多比特听起来更有活力,单比特似乎要慢一点,中频厚一点,音色比较浓郁。 1bit始创于飞利浦,分为三派,一派是以飞利浦为代表的比特流Bitsream,一派是以松下为代表的MASH,但是MASH的创始者是NTT公司,还有一派就是今天非常流行的Delta-Sigma.Bitsream采用最传统的 三阶或四阶噪音整形,MASH (Multi Stage Noise Shaping)就是多级噪音整形,它将最初的量化值与原信号的误差保留下来,下一次量化时先将上次量化值与误差从原信号中减去,这样重复数次,可以将二进制信号变换为脉冲宽度调制(PWM)的信号(PWM和PDM几乎一样)还可以将量化制造的噪音推到甚高频段,从而减少可闻频段的噪音。但是似乎只有松下公司大量采用这种技术。现在MASH已经很少见了,但从理论上来说它是很优秀的。 1987年,飞利浦公司首次推出采用数字比特流技术(Bitsream)的单比特DAC芯片, 它为高性能低价格CD唱机的出现奠定了坚实的基础。1991年9月推出的DAC-7将比特流技术发挥到淋漓尽致的地步,同时还保持了合理的价格。音响史上有众多采用DAC-7的名机。如飞利浦的LHH-900R,800R,300R,951。马兰士的CD-72,CD-17,CD-23。麦景图的MCD-7007。先锋的早年旗舰PD-T07。meridian的602/603,还有几乎所有欧洲数字音源厂家如Rotel,Altis,Deltec,Revox,Studer等都在其旗舰系统中采用DAC-7。进入21世纪之后,TDA1547依然锋芒未减,目前世界上最高级的SACD唱机——马兰士的SA-1仍然采用DAC-7,令世人不得不对DAC-7再次侧目。 迄今为止,DAC-7仍然是飞利浦最高级的比特流DAC芯片。在飞利浦的产品手册里,是这样评价DAC-7的;拥有顶级性能的双声道数字比特流DAC芯片,1Bit数字模拟转换器专用,使用DAC-7可以轻而一举获得高保真的数字音频再生。DAC-7非常适合用于要求高质量的CD和DAT播放器,或者用于数字放大器和数字信号处理系统之中。这样的评价非常中肯。 DAC-7包括TDA1547和SAA7350 , 因为过取样和噪音整形电路制造出的大量高频数字信号会对TDA1547中的模拟电路造成干扰和调制。所以将配合TDA1547的三阶噪音整形和24倍过取样电路单独设计于SAA7350之中。这也是TDA1547成功的最关键之处。现在飞利浦又对SAA7350加以全面改进,将数字滤波器也集成进来,新型号定为TDA1307,仍然是专门配合TDA1547的芯片。不过TDA1547和TDA1307合起来叫DF7。 TDA1547采用了双极组合型金属氧化物半导体工艺。在数字逻辑电路方面,采用最佳的时钟频率,可以减少数字噪音的产生。在模拟电路方面采用双极型晶体管,可以使运算放大器获得较高的性能。在电源供应方面,TDA1547费尽心机,首先是模拟电路与数字电路分开供电,在数字电路里面,高电平逻辑电路与低电平逻辑电路分开供电,并且都是左右声道独立供电。内部总体结构方面,TDA1547采用双单声道设计,彻底分离,输出也是左右声道独立输出。 TDA1307可以接收16、18、20bits格式的信号,输出音频格式32bits。内置接收界面,去加重滤波器,采用8倍过取样有限脉冲响应(FIR)滤波器,3阶或4阶可选型噪音整形电路。标准型芯片信噪比达致当今最高的142dB,动态范围高达137dB。 马兰士的SA-1将DAC-7最完美的运用,它采用四片TDA1547和TDA1307构成全平衡电路。模拟放大部分采用马兰士高级机型里大量使用的HDMA。 插入TDA1307和TDA1547的图片 今天Delta-sigma 1bit非常流行,它包括两部分电路,一部分是Delta电路,它将量化后的信号与初始信号进行比较求差,这些插值信号接下来进入Sigma电路,此电路将这些插值信号进行误差求和,然后与量化前的信号相迭加。然后再进行量化。通常采用飞利浦开发的动态元素配对(DEM)量化技术,此种量化包含一个极高精度的电流源和多个1/2镜像电流源,由于集成电路最擅长镜像电流源电路,所以对元器件精度的要求可以降低,提高了性价比。量化以后的信号通过开关电容网络转换为模拟信号。需要指出并非所有的Delta-sigma 转换都是单比特。Delta-sigma的优势在于它的高性价比,从而在中低档数字音源市场上非常流行。即便是那些坚持采用多比特的厂家,中低价位也得采用Delta-sigma。 坚持使用Delta-sigma的恐怕非CRYSTAL莫属,CRYSTAL的cs4390,4396在业界也有大量使用,其中也不乏极品如mbl1611hr,还有发烧天书A级的Meridian 506.20 、 Meridian 508.24、 Meridian 506.24还有国内新德克的 DAC-1 。CS4390于1998年6月发售,是CRYSTAL第一块Delta-sigma DAC芯片。它是一块完整的立体声DAC解码芯片,信号先进入128倍内插值电路,然后经过128倍过取样Delta-sigma数模变化,接着输出模拟信号和经过调制的基准电压, 最后进入一个超级线性的模拟低通滤波器。其中Delta-sigma数模变换部分还没有采用飞利浦的DEM技术。CS4390的信噪比为115dB,动态范围是106dB,总谐波失真加噪音为—98dB,转换精度为24bits,对时基抖晃敏感程度较低。其后又在CS4390的基础上增加了音量控制,改名为CS4391。插入CS4390的图片 一年以后的1999年7月,CRYSTAL推出CS4390的升级产品——CS4396,CS4396与CS4390最大区别之处就是采用了DEM技术,CS4396也是一块完整的立体声DAC芯片,信号在经过内插值和Delta-sigma变换后,进入DEM程序块,然后通过开关电容网络,最后通过模拟低通滤波器,输出级采用了高音质的差分电路。DEM的采用使CS4396的失真和噪音都有所降低,达到了—100dB,动态范围也提高到120dB,转换精度还是24bits,最高取样频率升至192KHz,但是不在提供信噪比的参数。同时推出的CS4397是在CS4396的基础上支持外接PCM(对应DVD-AUDIO)和DSD(对应SACD)内插式滤波器。 半年多以后,CRYSTAL公司又推出CS4396的升级产品——CS43122,与CS4396不同之处一个是采用了第二代的DEM技术,另一个是Delta-sigma调制器不再采用1bit而采用了5bits三阶调制。对于内插值电路也加以改进,达到了102dB的阻带衰减性能。CS43122与CS4396的性能参数基本一样,只有动态范围达到了122dB,这也是目前动态范围最高的DAC芯片。2000年9月20日,CRYSTAL公司又推出CS4392,一款对应DVD-AUDIO和SACD的DAC芯片,动态范围有114dB,总谐波失真加噪音为—100dB,但是只OEM,暂不流通销售,每片售价仅2.8美元。(注意CRYSTAL从头到尾都不在提信噪比,因为它的信噪比只有CS4390达到了115dB) 日本的NPC公司同样以Sigma-Delta变换技术闻名于世,我们对NPC的高性能数字滤波器一定很熟,最出名的SM5842,乃是公认的极品。同样SM5865则是Sigma-Delta 极品解码芯片,虽然不为人知,但是在不久的将来,SM5865也会被公认为极品。 SM5865是今年2月份推出的, 首先它是单声道芯片,内部是真真正正的全平衡电路,信号先经过插值电路,然后进入三阶多比特Sigma-Delta变换程序,接着经过31级DEM量化,最后经过开关电容网络变为模拟信号,SM5865的DEM量化级数极高且非常成功,从而使得量化导致的可闻频域噪音可以完全忽略,所以最后一级的模拟低通滤波可以省掉,从而得到理想状态的失真程度和噪音量。SM5865是目前世界上失真最低噪音最小的DAC芯片,总谐波失真加噪音只有0.0003%,即—110.5dB。同时仍然做到了120dB的信噪比和117dB的动态范围,接受数据格式在20-24bits之间,最高取样频率也是192KHz,从而顺利登上今日DAC之王的宝座。 多比特DAC分为两大名家,一是UltraAnalog公司,另一个就是Burr-Brown公司。大多数人对UltraAnalog可能会比较陌生,因为它在1998年12月被Wadia收购了,从此再也没有它的消息。但是它在DAC历史上的地位远非Burr-Brown可比,使用UltraAnalogDAC芯片有汇点(Conterpoint)的旗舰解码器 DA-10,宝丽音Parasound的旗舰解码器 d/ac-2000,Mark Levinson的早年旗舰解码器 NO.30和 N0.30.5 还有日本静电耳机名厂Stax的起见解码器 DAC-x1,Kinergetics的高级解码器 kcd-55 而Manleylab、 Sonic Forntiers、Camelot、Entech、Aragon、Audio Synthesis 的旗舰解码器都采用UltraAnalog的芯片。基本上采用UltraAnalog芯片的解码器都会是发烧天书的A级品。并且几乎1998年以前所有的美国顶级解码器都采用的是UltraAnalog的芯片。虽然UltraAnalog的产品很好但是利润低,因为UltraAnalog只有这一种产品,对集成电路生产厂家来说这样根本无法维持下去,UltraAnalog 可以活到1998年就已经不错了,Wadia将其收购以后,没有将UltraAnalog的技术资源吸收并转化。同时Wadia也认为UltraAnalog是个包袱,渐渐地UltraAnalog香消玉陨了,今天仍有UltraAnalog的死终派如 Manleylab、 Sonic Forntiers、Camelot、Entech、Aragon、Audio Synthesis仍坚持采用UltraAnalog的芯片,可能库存还不少,Sonic Forntiers 还和UltraAnalog有合作关系。可能也生产UltraAnalog的芯片。UltraAnalog公司是世界上第一家对时基抖晃加以仔细研究的厂家,同时UltraAnalog的产品时基抖晃也是世界最低,UltraAnalog还提出一种可以大幅减少时基抖晃的数字音频信号接口界面。1993年UltraAnalog还发明了非常廉价的时基抖晃分析仪。 UltraAnalog的芯片主要是D20040,我们对其知之甚少,只知道是20bits的转换精度,内部是两个19bits的DAC并联而成。其他就不知道了。相信再过10年,还有谁知道UltraAnalog?技术和商业绝对不是一会事。 Burr-Brown在今天的DAC芯片市场上份额甚大,声誉颇隆。Burr-Brown成立于1993年,和UltraAnalog一样是多比特的死终派,建厂伊始推出PCM58,PCM63,也是好评如潮,但仍无法与UltraAnalog匹敌。1995年推出PCM1702终于可以于UltraAnalog一争高下,直到今天采用PCM1702的高级CD机也不在少数,Linn在2000推出的Sondek CD机采用PCM1702售价高达20000美元,发烧天书评为A级。 这之后沉寂4年,1999年2月,推出多比特DAC的终极产品PCM1704。此时UltraAnalog已经被Wadia收购,渐渐式微。Burr-Brown也被TI(德州仪器)公司收购,依托TI的强大实力,Burr-Brown得到了良好的发展,成为今日DAC芯片市场上的龙头老大。 PCM1702推出于1995年6月,当时市场上1bit声誉甚隆,Burr-Brown对1bit提出挑战,Burr-Brown指出1bit插入取样点的做法会导致许多高频噪音的产生虽然这些噪音的频率比较高,但是仍有可能对可闻频域造成调制,并且这些人为制造的噪音还需要噪音滤波器来消除,滤波器的加入对信噪比的衰减较大,低电平时响应也不够好而Burr-Brown认为信噪比这个特性几乎是最重要的特性。多比特的唯一缺点就是过零失真,PCM1702采用了信号数值型(sign magnitude)结构完美解决了这一问题,在1702内部互补并联了一对DAC,并联的好处一是提高了信噪比,二是提高了转换精度,1702内部并联了两个19bits的DAC,转换精度就是20bits。这两个DAC共用一个参考电压,共用一个R-2R梯形电阻网络,梯形电阻网络的位电流源由双平衡电流级供应,确保位电流源具备完美的跟踪特性。每个DAC内部都采用激光微调的钼铬电阻,确保高精度,两个DAC经过精确微调确保相位一致。最终两个DAC的正负半周转换完美解决了过零失真。而传统的R-2R形电阻数模转换则取得了高信噪比和低失真,还有近乎理想的低电平表现和高电流输出能力。PCM1702的信噪比为120dB,这个数值直到现在也没有谁能打破,在当时更使人难以想象。1702的总谐波失真加噪音为—96dB,在当时也是非常好的特性。 PCM1704推出于1999年2月,是多比特DAC的终极产品,恐怕再也不会有多比特DAC超过它,Burr-Brown用它最擅长的电阻制造工艺制造出了达致理想精度的电阻,从而得到了世界上最高精度的多比特DAC,高达23bits。两个并联之后达到24bits。至于内部结构与PCM1702基本上没有差别。1704的信噪比还是120dB,动态范围112dB(K级),总谐波失真加噪音为-101dB(K级)。插入PCM1704的图片 至1704后到现在,Burr-Brown再也没有推出比1704更高等级的多比特DAC,Burr-Brown也无法打破自己创造的记录,2001年4月30日,Burr-Brown推出新一代的顶级DAC—PCM1738,采用了先进层次结构型DAC,Burr-Brown也知道传统的多比特走到了尽头。先进层次型结构先用一个24bits,八倍取样频率下工作的数字内插值滤波器对数字信号进行分流,分为上6bits信号,下18bits信号。上6bits信号进行反向互补位移型二进制译码,转换为62级数字信号,下18bits信号则进行三阶15级Delta-sigma调制,调制频率是取样频率的64倍,最终转换为4级数字信号,然后两者相加为66级数字信号,再加上1级LSB信号,总共67级数字信号,这67级数字信号然后通过数据加权平均(DWA)程序,以减少模拟元件不配对引起的噪音,实际上DWA就是第二代的DEM。经过DWA处理后,最后进入电流型数模转换器,将二进制脉冲信号变为脉冲电流信号,再由芯片外的运算放大器进行电流电压转换,并最终取得模拟信号。应该说这种DAC不是单比特也不是多比特,应该叫它电流脉冲型DAC。插入PCM1738的图片 PCM1738的信噪比和动态范围都是117dB,总谐波失真加噪音为-108dB,应该说胜过PCM1704,但它的价格远低于PCM1704(K级)的25美元,只要5美元。 Analog Device公司也非常擅长制作极品级的DAC芯片,象金嗓子从来都是只用Analog Device的芯片,在DAC芯片的理论设计上,Analog Device拥有至高无上的地位,Analog Device早在1998年就发明了多比特Delta-sigma调制,因为传统的单比特Delta-sigma调制,导致离散到连续的边界每步尺寸过大,从而对主时钟的稳定程度要求极高,例如要想在可闻频域内达到100dB以上的信噪比,那么主时钟的时基抖晃不能大于10PS,可这是不可能的,所以高信噪比的取得必须放弃单比特Delta-sigma调制。多比特Delta-sigma调制的缺点是不方便采用DWA程序,模拟元件引起的噪音无法避免,如果采用DWA程序,那么要求输入信号的格式低于18bits,可是现在是24bits的天下。显然无法接受。Analog Device另觅蹊径,采用了分段噪音整形技术解决了这一难题。而Burr-Brown则在一开始就将信号分流。 传统的单比特解码必须采用开关电容,并且大约每增加一比特的转换精度,电容就要增加四倍,要知道每个电容都会制造噪音,并且大电容会对配合开关电容网络的运算放大器要求更高的转换速率,所以采用开关电容网络的DAC芯片,高转换精度会造成一定限度的声音品质下降,如果设计不良,有可能越高的转换精度声音越差,听感上声音过于清丽以致声音单薄。Analog Device采用电流脉冲型DAC,电流型DAC的脉冲电流输出上升与下降时间不平均,要采用一般的电压电流转换运算放大器会导致转换线性下降,对时基抖晃也很敏感,Analog Device采用双回转零开关电路解决了 。此技术是于SONY联合开发的,最早用于SONY的顶级ES系列。因为电流脉冲型采用一个异常纯净的瞬间电流源,电流脉冲不会再有任何波纹,几乎可以等同于完美的方波。音质会非常纯净。 自1999年以后,Analog Device发现音响市场萎缩,于是转而对SHARC型通用DSP芯片的开发与研究,没有再对DAC作进一步的研究,尽管如此,Analog Device在1998年推出的DAC芯片AD1853,仍旧是目前最高级的DAC芯片,丝毫不比PCM1738或SM5865差,虽然这些芯片都是2001推出的,但无论在性能还是技术上,AD1853都不差。并且AD1853还是世界上第一块取样频率为192KHz的DAC芯片,它还是世界上对时基抖晃敏感程度最低的DAC芯片,它的信噪比为120dB,动态范围是117dB,总谐波失真加噪音为—107dB,和SM5865相比应该说旗鼓相当,不分高下。插入AD1853的图片 对于目前新兴的音频格式的DAC芯片也应该有所了解。 DVD-AUDIO格式仍然使用PCM编码,所以DVD-AUDIO的DAC解码芯片与CD的解码芯片原理相同,只是要求更高的转换精度和取样频率以及输入格式宽度。 SACD就不同了,它在录制的时候,将输入的模拟信号经过Delta-sigma调制变为单比特取样频率为2822.4kHz的二进制数字信号,并且这时的数字信号已经是脉冲密度调制信号(PDM),所以在进行单比特解码时不必再加取样点和噪音整形电路,只要通过开关电容网络和模拟低通滤波器,就可以得到模拟信号。所以电路非常简单,并且在数模转换级没有任何数字运算电路更没有时钟基准产生电路,也就不会有任何数字噪音的混入,声音的 纯净度极高。SONY的SACD机没有采用开关电容网络,而是采用了最高等级的电流脉冲型数模转换。 顺便提一下,CD信号也是先将输入的模拟信号经过Delta-sigma调制变为16比特取样频率为44.1kHz的二进制信号,然后还得经过一个数字抽选滤波器,任何数字滤波器都会制造无法忽略的噪音,还有通频带内纹波和铃振的现象,降低了声音的纯度。SACD无论是录制还是重放系统中都没有一个数字滤波器,而CD不仅在录制时还是在重放时都有,单比特系统还要再加一个内插取样点滤波器。音质的纯度根本无法与SACD相比,SACD是现阶段声音纯度最高的记录媒体和重放系统,最接近与真实的声音。 目前世界上有三片SACD用的DAC芯片,一是SONY的SACD机上用的DSD1700,由Burr-Brown公司制造。二是NPC公司的SM5866,三是CRYSTAL的CS4392,但没有公开发售。 由于SACD考虑到要有现阶段最优秀的声音表现,所以一般都采用电流脉冲型数模转换电路,这种电路一般都用分离元件构成,故DSD1700和SM5866内部实际上主要就是模拟低通滤波器,严格地说DSD1700和SM5866不是DAC芯片,而是模拟低通滤波器芯片。DSD设计只能用于SACD系统,它的内部主要是四组模拟低通滤波器,分别是热端正向和反向滤波和冷端正向和反向滤波,每组滤波器内部是8个三端无限脉冲响应滤波器。四组滤波器最终输出双差分电路。DSD动态范围是110dB,信噪比是110dB,总谐波失真是—100dB,高频响应为100KHz(—3dB)。插入DSD1700的图片 NPC公司的SM5866推出于2000年9月22日,它可用于SACD和DVD-AUDIO系统。其内部资料没有公布。它的信噪比为120dB,总谐波失真加噪音为—109dB,高频响应为100KHz(—1dB)。很明显要比DSD1700高一个级别。 相信你对DAC芯片已经有很深入的了解了,但在科技飞速发展的今天,对于新知识的学习怎能放松?

by Catherine 发表于 2005-12-3 15:31:00

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