dac0832模数转换，音频模数转换芯片

由于它在音频系统中占有重要地位，因此爱好音频的朋友和音频爱好者都热衷于选择一款好的“解码器”（DAC），而“解码”技术始终是大家谈论的话题。哪种技术更好、更有优势、适合大家使用？

在本文中，我们将简要列出和整理音频DAC 的基本技术，并分析一些亮点。我希望这能为有需要的朋友提供一些有用的信息和提示，或者解决您可能遇到的任何问题。

“解码器”不是解码器

第一步是统一名称和术语。 DAC，我们习惯称之为“解码器”，英文写为“Digital-To-Analog Converter”。换句话说，它是一个从数字到模拟的转换器，解码器的实际英文表示法是“Decoder”。为了统一和避免混淆，下文中我们将DAC称为其英文缩写（DAC）或数模转换器（有时简称转换器），并代指俗称的“解码”作为数模转换器它被称为转换器。 – 模拟转换。

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早期的转换器不是电动的

最早有记录的数模转换器可能是18世纪土耳其奥斯曼水坝中使用的二进制水测量系统，但它并不是在电力领域。

摘自18 世纪二元重量水系统，《The Data Conversion Handbook》 ANALOG DEVICES

第一次音频数模转换是通过电话线完成的，采样频率为4kHz。

自1753年电报机的出现和1825年左右的大规模发展以来，各种电子数模转换技术在通信系统中得到了广泛的应用。 1853 年，美国发明家M.B. Farmer 提出了时域分布式复用(TDM) 的概念，以对电报线的使用进行时分。贝尔于1875 年发明电话后，数模转换于1903 年首次用于语音。

早期的PCM 只有5 位

数模转换算法是由美国Western Electric公司的Paul M. Rainey于1921年发明的，他发明了PCM（脉冲密度调制）技术，该技术仅使用利用光和光电管的5位数字信号。 1937 年，法国国际电话电报公司(ITT) 的Alec Hurley Reeves（再次）使用真空管发明了PCM，创造了有记录以来第一个全电子数模转换器。

数模转换器的加工技术（实现方式）也逐渐从早期的机械发展到机电、光电、真空管，再到薄膜电阻、晶体管、CMOS集成电路，再到现在大规模CMOS的使用。已发展成为集成电路（芯片）。大规模集成电路为数据处理提供了极大的便利和空间。

美国ANALOG DEVICES的混合信号端子，摘自《The Data Conversion Handbook》 ANALOG DEVICES

数模转换器有不同的结构

看看数模转换器的结构，最简单的就是串式DAC（也称为开尔文分压器）。它是一系列电阻器，添加了电压并连接了不同的抽头（电阻器）。通过一系列数控开关获得不同的输出电压。它是由开尔文勋爵在1800年代中期提出的，直到1920年代才实施。它首先是用电阻器和继电器实现的，后来是用电子管实现的。以下是一长串数模转换器的演变。

电流输出分压器DAC，

二进制加权电阻DAC，

R-2R电阻梯形网络DAC，

分段DAC，

过采样插值DAC，

乘法DAC，

预测非线性DAC，

PWM（脉宽调制）DAC，

环形串行DAC，

DAC 和SAR（逐步方法） ADC（模数转换器）

西格玛德尔塔DAC，

ETC

技术发展有很多名称。下面我们重点讨论。

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R-2R 电阻梯网络DAC

数模转换是由B.D. Smith 于1953 年首次提出的。该技术的核心是通过电阻分压器获取输出信号的数值，并通过数字量控制电阻分压网络，实现数字量到模拟量的转换。

摘自Structure of a Classic R-2R Ladder Resistor Network (8 Bits),《数字音频技术（第6版）》 [US] 作者：Ken.C.Pohlmann，译者：夏天

这是一个聪明的设计；每个电阻回路（步骤）的电阻是前一个回路的一半。这导致使用加权电阻器的数模转换器需要比电阻器更多的电阻器。R-2R数模转换器实现仅需要两个电阻值，使其简单可靠。

如今的R-2R DAC以单芯片解决方案为特色（如TI的PCM1704，采用精密激光校正制造，动态范围高达112dB），有的采用定制模块，有的采用电路板（直接安装在PCB上） ）。根据制造商的不同，每个卖家的成品DAC 设计都会有很大差异。它们用于音频数模转换，对转换操作和电阻精度有非常高的要求，这对设计方案和制造工艺提出了很高的要求。

TI 的PCM1704 (R-2R) DAC 原理图，摘自“PCM1704 数据表”，Burr-Brown，1999 年2 月。

R-2R DAC 的优点

1) 电阻是线性的

R-2R是长期传承下来的PCM数模转换的代表技术。它被应用于高性能音频数模转换器是有原因的。理论上，电阻器不会引入失真或额外噪声，因为转换是由电阻分压器执行的。这里的中心概念是阻力是线性的。

2）避免过采样和数字滤波

R-2R DAC只需切换网络中的电阻即可进行数模转换，无需使用过采样、插值、抽取等数字滤波器技术，避免了数字滤波器的使用。有些人认为（未经证实）数字过滤会产生所谓的“数字声音”。

虽然这项技术看似合理，但R-2R DAC 作为传统的数模转换技术存在一些问题。

R-2R DAC 问题

1) 微分非线性误差

R-2R 数模转换将模拟波形表示为幅度信号。如果信号很小，效果就不大。与信号相关的微分非线性误差是不可忽视的，不可避免地会出现并导致失真。非线性程度随信号幅度的变化而变化，使得后续处理变得更加困难。

2) 零交叉失真

R-2R数模转换也不可避免地引入过零失真。当最高有效位电阻器两端的电压发生变化（从0 变为1 或反之亦然）时，电阻器的存在必然会改变输出电压的极性（从正变为负，反之亦然）。开关内阻同时产生微分非线性失真和过零点处的短期浪涌，从而导致过零失真。

摘自《R-2R DAC 零交叉失真》，《数字音频技术（第6版）》 [美国] 作者：Ken.C.Pohlmann，夏天译

3) 定量准确度

对于R-2R DAC，数字音频信号深度每增加一位，理论上就会增加6dB 的动态范围。 DAC 可实现的最大动态范围直接由量化精度决定。

CD 通常使用16 位数字信号，理论动态范围为96dB。当R-2R DAC处理此类信号时，最大位阻误差为最大幅度值的1/65536。它必须远小于该比率，以便最低有效位信号有意义。目前精密电阻的误差为1/1000，相当于10位数字信号的最低有效位的值（1/2^10=1/1024）。 – 使用精密电阻使R-2R成为DAC的最高有效位，深度超过10位的数字信号是没有意义的。这些位上的信号被最高有效位电阻中的误差淹没，DAC 的动态范围小于60dB。目前，经常再现32位数字信号，最小信号幅度为1/2^32=1/4,294,967,296。那么电阻网络如何才能达到如此精度呢？

对于R-2R转换，公司可以在制造过程中提高电阻的精度，或者修改或补偿电阻网络（尤其是最高或最高的电阻）以尽可能提高精度，例如让。提高性能。事实上，R-2R DAC 必须克服许多挑战才能实现高性能音频数模转换。

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Delta调制技术预示着新时代的开始

1950年，与PCM的发明类似，法国ITT公司的实验室提出了Delta调制技术（从量化值变为量化值的增量），这是因为我需要支持。高速数字信号技术的出现标志着数字音频转换技术新时代的开始，尽管各种限制阻止了该技术（以及随后的-调制技术）应用于高品质音乐Ta。技术手段从量化信号幅度转变为量化信号变化，关注焦点从幅度转向时间。

西格玛德尔塔DAC

同年，美国贝尔电话实验室的C.C.卡特勒也获得了差分PCM调制技术的专利（增量调制可以被认为是差分PCM调制的一种简单形式）。 1952年和1953年，荷兰飞利浦研究所发现了同样的原理，并提供了多项单比特和多比特的研究成果。 1954 年，卡特勒获得了一项关于过采样和噪声整形的非常重要的专利。 1962年，ATT在20世纪70年代正式提出了一种基于Delta调制的改进型Delta-sigma（主要是加了sigma积分）技术。工程师将名称更改为Sigma-Delta（可能是准确的）。从此，数字音频技术正式进入Sigma Delta时代。

Sigma Delta是一种使用低位（一个或几个位）量化和高速采样的技术简单来说，Sigma Delta是一种使用低位（一个或几个位）量化和高速采样来计算的技术。比较并获取采样输入信号和原始样本之间的累积量化信号差（Delta）。该差值（增加或减少，1 位量化时为1 或0）与最后累积的量化差值（sigma）相加，形成音频信号的数字量。它采用PCM 编码，由于采样频率高，可以很好地跟踪输入信号的波形。

数模转换是该过程的逆操作。

Sigma Delta 技术图，摘自《The Data Conversion Handbook》 ANALOG DEVICES

现代的数模转换芯片如著名的TI的PCM1794、Cirrus Logic的CS4398、AKM的AK4490等都采用了这种技术，并且每个公司都基于这种技术开发了多种产品来实现自己的差异化。

分段DAC的应用示例

区分的一个例子是TI在sigma-delta调制的基础上添加分段调制，将原始多比特数字信号分解为高比特和低比特部分（段）。它们是不同的，可以根据您的目的单独处理。 PCM1794数模转换芯片就是这样设计的，可以提供卓越的动态性能并提高抗抖动能力。

TI 的PCM1794 数模转换芯片，摘自德州仪器“PCM1794 数据表”，2006 年11 月。

PCM1794 数模转换原理图，摘自德州仪器“PCM1794 数据表”，2006 年11 月。

Sigma Delta 是R-2R 的替代品

Sigma-Delta数模转换技术取代了传统的PCM（基于幅度的量化）数模转换。来自美国的Ken.C.Pohlmann介绍了该技术与之前的R-2R技术的比较。 30000（第6版）本书有生动的描述，例如：

“传统的电阻梯形网络转换器就像一串灯泡，每个灯泡都连接到一个开关，例如，如果您有16 个灯泡，每个灯泡都有不同的亮度和不同组合的照明，则可以实现两种亮度级别：^。 16 或65536 个不同的亮度级别；但是，各个灯泡的光强度差异会导致输出亮度级别出现错误，同样，使用电阻梯形网络转换器时，重建信号时也可能会出现错误。

Sigma Delta 技术采用了完全不同的方法。无需使用多个灯泡和开关，只需使用一个灯泡和开关，只需打开和关闭灯泡即可改变亮度。例如，如果灯泡打开和关闭的时间相同，则其输出亮度将减半。灯泡打开的时间越长，它就会变得越亮。类似地，理想情况下，-转换器只需使用非常快的开关和非常精确的定时就能够以单个比特表示音频的幅度。 Sigma-Delta 技术本身是一种表示音频波形的准确方法。 ”

或者更简单地解释两者之间最基本的区别：R-2R 数模转换是以量化幅度作为基线，而sigma-delta 不会改变幅度（1 位调制）。或基本不变（多位调制：通常为4 至6 位），并且转换是基于时间执行的。

因此，Sigma Delta技术可以克服R-2R数模转换技术的缺点。主要好处是：

1）提高量化精度，在不同幅度下保持精度恒定。该错误与信号本身无关，并且可以在后期轻松处理。

2）由于信号仅在时间上进行划分，因此不存在过零误差（失真）。

3）通过过采样（插值）、数字滤波（提取）、噪声整形，降低可听范围内的噪声，动态范围轻松达到超过120dB的水平。

4) 避免使用砖墙模拟滤波器来最大限度地减少相移和失真。

Sigma-Delta 转换技术点，修改自《数字音频技术》 ANALOG DEVICES

Sigma-Delta技术通过使用数倍于正常采样频率的高采样频率，将奈奎斯特频率提高了许多倍。采样定理指出，奈奎斯特频率必须至少是采样信号最高频率(40kHz) 的两倍。对于音频。例如，CD中使用的采样频率是44.1kHz，因此有一定的余地。通过过采样，奈奎斯特频率可以达到数百kHz或更高，数字滤波可以清除奈奎斯特频率和音频频带之间的较宽范围，并且将整形噪声滤除至高于奈奎斯特频率的频率。这使您可以轻松消除不需要的噪声，同时使用简单、平坦、低阶模拟滤波器最大化信号的幅度和相位。

过采样和数字滤波器效果，修改自《The Data Conversion Handbook》 [US] 作者：Ken.C.Pohlmann，译者：夏天

克服缺点的策略：

1) 背景噪音

在sigma-delta技术中，一位的量化本身是线性的，但是使用多个位（例如4位）会导致相对较高的本底噪声，但代价是分量不匹配（失配）。 ）。 捻。一种解决方案是使用动态组件自适应（DEM）技术来随机旋转不一致的组件。这使得平均失配误差减少到接近于零，将失配（失真）转换为通过整形生成的带内噪声。即使在带外移动时，动态范围也可以保持在较高水平。这通常需要芯片制造商做出后续安排。

2) 频域非线性

这可以理解为不同频率下行为不一致的现象。美国ESS公司提出，在频域仿真中，-调制器是高度非线性系统，只能给出近似的性能。其中之一被描述为调制深度问题。大多数sigma-delta调制无法达到100%的调制深度（总幅度只能达到50%），并且随着调制深度的增加，产生的直流分量噪声也随之增加。另一种情况是噪声整形。瞬态非线性问题：当信号快速变化时，噪声整形反馈电路会表现出瞬态非线性行为。

ESS 还设计了具有各种细节的sigma-delta 调制器，级联独立的稳定低阶调制器，并仔细选择积分器区域中的相对增益，以最大限度地减少削波的发生。这样，即使调制深度接近100%，ESS的HyperStream商标的Sabre系列DAC（ES90xx、ES90xxPRO DAC芯片等）中的调制器也能确保每个低阶调制器都可以达到90%的稳定。最大振幅值可解决上述问题。

四

DSD 最初已存档

我想谈的另一件事是DSD。最初，DSD 并不是一种现成的格式。 1988年，索尼收购了CBS/哥伦比亚唱片公司，获得了许多优秀的录音带。索尼希望将所有磁带文件转换为数字格式文件，但目前尚不清楚新格式未来何时发布。为了保持灵活性，新格式在位深度和频率方面采用了新的1 位格式，并被称为直接流数字(DSD)。

DSD与PCM的关系

PCM 是一种通用音频信号格式，最常使用- 调制器，将音频信号调制和调制为时序脉冲密度调制(PCM) 数字量（16、20、24 或32 位） . 编码。采样频率决定了数字量在时间上的放置密度。 CD 音频格式于1981 年发布，为16 位数字，采样频率为44.1kHz。

DSD 是另一种音频信号格式，它使用非常高的频率，并使用- 调制器将音频信号调制和编码为1 位脉冲密度调制(PCM) 数字量。 SACD（超级音频CD）由飞利浦和索尼于1999年发布，采用1位DSD编码（双声道或多声道），采样频率为2.8224MHz。比较CD的16位数和44.1kHz的采样频率，SACD的DSD信号的比特率是CD的四倍。

从上面可以看出，DSD和PCM实际上属于同一个PCM，只是目前的约定俗成的名称含义不同。

随着存储介质的多样化，音频格式不再局限于CD或SACD标准，相应的DSD信号也可以转换为各种标准的PCM信号。沟通：

渠务署的优点

1）DSD可以在音频频段内实现120dB的动态范围和100kHz的平坦频率响应。

2）DSD采用了较高的采样频率，如SACD的2.8224MHz，而奈奎斯特频率也很高，为1.4112MHz，因此在录音过程中不需要进行抽取数字滤波或者PCM量化，也不会出现溢出播放时使用采样（插值）的数字滤波器可以直接播放，无需进行数模转换。

3）使用更简单的转换器可以降低播放设备的成本。

渠务署的缺点

1）噪音

DSD信号中含有大量的高频噪声，是重要的噪声整形成分，分布在20kHz以上的频段。理论上，如果不经过处理直接播放，人耳会过滤掉音频频段之外的内容，但实际上，用于播放的模拟放大器会因这些信号而产生非线性调制，从而产生声音。带内分量可能会影响带内信号，或者这些大量的高频分量可能会导致放大器和扬声器过载或饱和，例如在将DSD 信号转换为模拟信号之后。在处理过程中，必须使用更陡峭、更高阶的模拟滤波器来消除有限频带空间内的大量高频噪声。信号的显着相移发生在频带内。

DSD信号的噪声频谱，修改自《数字音频技术（第6版）》 [US] 作者：Ken.C.Pohlmann，夏天：译

2）难以处理

DSD是1位数字信号，理论上无法处理。例如，如果采用添加抖动的方法来优化性能，就会变得非常复杂（必须转换1位信号）。有些是因为它们执行复杂的转换操作，例如8位DSD宽或其他深度信号，这需要处理器更多的处理能力（DSD信号的密度需要更多的处理能力可能无法处理）。

3) 转换器限制

当DSD 推出时，性能最高的转换器是1 位- 转换器，但后来的多位- 转换器具有更好的动态范围性能。这些技术的性能低于许多现代PCM 系统。

4）失真

DSD 的最大问题是它给信号带来的失真。 DSD 使用1 位信号格式。事实上，噪声整形在1 位系统上并不有效。事实上，整形后的噪声是信号固有的失真。

五

FPGA 是下一代替代方案吗？

FPGA 最近在音频处理领域受到了广泛关注。 FPGA是自1985年美国Xilinx公司发布全球第一个产品以来广泛流行的一项新技术。它的本质是逻辑电路，由于信号是由硬件直接操作的，因此可以改变逻辑电路的组合。它比常规芯片（需要软件计算的芯片，例如CPU）快得多。

FPGA可以理解为一种处理技术，一种实现特定技术的手段，而不是特定技术本身。实现音频数模转换和音频调制算法需要实现FPGA编程，其中一系列音频处理问题需要新的处理技术：FPGA。

有些人找到了使用FPGA 和R-2R 梯形电阻网络的新方法来实现更复杂或高性能的R-2R 数模转换。 ETC

作为一个新的热点话题，核心问题是：采用FPGA芯片实现的数模转换性能是否优于专用数模转换芯片？这种处理技术代表着音频转换技术的怎样的突破？或者说你要解决什么问题？可以预见的是，FPGA在信号处理能力方面可能具有优势。目前，这些似乎还没有统一的说法，音频调制、转换等一系列问题的解决方案应该也没有明确的模型。因此，其有效性难以判断，也难以在此进一步讨论。

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概括

为了实现高质量的音频转换性能，R-2R转换器需要解决很多问题。在通用FPGA 芯片发明70 多年之后，其性能是否优于专用转换器芯片仍不清楚。是最先进的音频转换技术，并且随着从1位到多位的进步，转换器性能在高品质音乐领域仍然占据主导地位。随着半导体（芯片）处理技术的进步，未来可用数字音频信号的密度也可能不再是问题。看看。

如果您发现任何错误、补充或不同意见，请告诉我们。 2023.02.01

参考：

1. 数据转换手册，ANALOG DEVICES，Walt Kester，编辑，ELSEVIER 2005；

2. 数字音频技术（第6 版）[美国] 作者：Ken.C.Pohlmann

夏田

人民邮电出版社2012年译。

3. 《为音频工程师解释数字音频》，作者Nika Aldrich，第2 版，Sweetwater Sound Inc，2005 年。

4. PCM1704，24 位、96kHz BiCMOS 符号幅度数模转换器，Burr-Brown，1999 年2 月。

5. PCM1794A，24 位，192 kHz 采样，高级段，音频立体声数模转换器，德州仪器(TI)，2006 年11 月。

6. CS4398，带音量控制的120 dB、192 kHz 多位DAC，Cirrus Logic, Inc. 2005；

7. AK4490EN Premium 32位2ch DAC，旭化成，2015/12；

8. Sabre Audio DAC 技术细节，Martin Mallinson 和Dustin Forman，ESS 技术技术人员。

9. 信号处理装置和方法，美国专利7,058,464B2，2006 年6 月6 日。