DAC R-2R audio stereo a 8 bit, è questo un modo giusto per farlo?

Sono nuovo nell'ingegneria elettrica e il primo progetto che vorrei fare è realizzare un audioconvertitore da digitale ad analogico. Ho scoperto che un buon modo per farlo è usare una struttura R-2R per la conversione.

Vorrei sfidare me stesso e ricominciare da capo con la parte digitale del circuito, oltre al fatto che non riesco davvero a trovare alcuna soluzione sul web per aiutarla a costruirlo. Ho un programma di simulazione del circuito e ho iniziato a progettare, mentre cercavo sul web tutti i diversi tipi di elettronica che potresti usare per questo.

Ora penso che potrei essere da qualche parte nelle vicinanze della comprensione del principio di un DAC, ma sarebbe utile se qualcuno con esperienza potesse aiutarmi a verificare se effettivamente lo capisco. È questo un posto giusto per chiederlo?

Se è così, ecco il circuito che ho progettato:

Ho usato un registro a scorrimento con fermo di uscita per ciascun canale e ho collegato Q7S l'uno all'altro per alimentare i dati. È giusto che i file audio alternino i canali sinistro e destro, o viceversa, in blocchi? ad es. in un file a 8 bit: 0010 0111 per sinistra dopo 0010 0110 per destra?

I registri a scorrimento che ho usato qui sono 74HC595s. Quando si spostano i bit di innesto, non i pin saranno (momentaneamente) attivi. Quando viene attivato il latch [pin STCP], i bit vengono trasferiti dal registro a scorrimento nel registro di memorizzazione, dove emetteranno direttamente il loro valore sui pin corrispondenti e rimarranno attivi fino a quando non saranno consentiti i successivi 16 bit.

Poi c'è il cristallo, per il quale ho usato un segnale ad onda quadra per imitarne uno con la giusta frequenza di oscillazione: 24.576MHz. Alimenta il contatore in cui la frequenza viene divisa per emettere le frequenze di cui il mio DAC ha bisogno. In questo caso la frequenza di campionamento deve essere 192.000 kHz e quindi la frequenza alla quale vengono spostati i dati deve essere di 3,02 MHz (192.000 x 16 bit). La velocità di clock di 192.000 kHz viene utilizzata per attivare STCP.

La prossima cosa che voglio fare è capire come caricare i dati da una sorgente (ad esempio Raspberry) attraverso forse I2C in un buffer nel DAC e da lì sincronizzare i bit nel circuito che vedi qui.

Se pensi che io sia o non sia sulla strada giusta, sarebbe molto utile farmelo sapere.

Grazie! Rogier

A proposito, ho dimenticato di dire che il DAC che vorrei costruire è di almeno 24 bit per canale a 96kHZ. Occupa solo molto spazio su questa minaccia e non dovrebbe essere difficile aggiungerli in seguito. È lo stesso principio.

• Sì, questo è esattamente il posto giusto per porre la tua domanda.
• Sì, la topografia R-2R è il modo più semplice di progettare (e penso sia meglio) per creare un DAC homebrew (senza usare PWM).
• Per quanto riguarda la tua sfida, mi sembra che tu possa essere masochista quanto me (complimenti per avere il fegato!). Questo è un progetto davvero coinvolgente per un principiante.
• Le stringhe di resistori R-2R (e probabilmente gli amplificatori operazionali collegati) SONO in realtà i tuoi DAC a 8 bit

Ecco cosa sto pensando:

Sfortunatamente, la pagina di Wikipedia sui DAC del ladder R-2R non è corretta quando dice che il ladder R-2R funziona come un divisore corrente in questa applicazione. Mentre una scala R-2R può essere utilizzata come divisore di corrente, qui funziona effettivamente come divisore di tensione. Ecco un'analisi dettagliata.

Considera solo l'LSB della scala da solo:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Indipendentemente dalla posizione dell'interruttore, la resistenza di Thevenin di questo semplice divisore di tensione è solo R. Il valore della sorgente di tensione di Thevenin è 0V o 1/2 × Vref.

Ora, considera cosa succede quando aggiungi la fase successiva della scala R-2R:

^{simula questo circuito}

Puoi vedere che questo è lo stesso tipo di divisore di tensione che abbiamo avuto nel primo caso, tranne per il fatto che il numero di combinazioni di tensione è aumentato. Tuttavia, la resistenza di Thevenin di questo circuito è ancora solo R, e la sorgente di tensione di Thevenin è ora 0/4, 1/4, 2/4 o 3/4 × Vref.

Per induzione, puoi vedere che puoi aggiungere qualsiasi numero di stadi alla scala e l'unico effetto è che il numero di scelte per il valore della sorgente di tensione di Thevenin viene moltiplicato per 2 per ogni stadio. La resistenza della sorgente rimane esattamente la stessa per qualsiasi numero di stadi.

Se l'impedenza di carico è infinita, la tensione di uscita della scala corrisponderà esattamente alla tensione di Thevenin. Ma se il carico ha un valore finito di resistenza, l'unico effetto sarà quello di creare un partitore di tensione con la resistenza della sorgente di Thevenin, ridimensionando la tensione di uscita di un rapporto fisso, ma senza altri effetti sulla precisione o linearità di base del DAC.

Si noti che nel circuito originale di Rogier (quello nella domanda), gli opamp sono in una configurazione invertita, il che significa che l'uscita della scala R-2R è collegata direttamente a una terra virtuale. Ciò significa che il valore di uscita è in realtà la corrente che scorre attraverso Rth (che è solo R) e questa corrente scorre anche attraverso il resistore di retroazione dell'opamp. La tensione di uscita dall'opamp è la tensione necessaria per rendere uguali quelle due correnti e raggiunge -Rfb / R × Vth. Poiché usa una resistenza di retroazione di 2R, l'uscita finisce per essere -2 × Vth.

Sembra esserci un po 'di confusione sul fatto che la scala R-2R sia utilizzata come partitore di tensione o partitore di corrente, quindi ecco un'illustrazione di come quest'ultimo può funzionare, al fine di mostrare le differenze chiave tra questo e il circuito dell'OP.

^{simula questo circuito}

Si noti che le correnti che scorrono attraverso i resistori 2R sono ponderate in modo binario. Questo funziona perché la resistenza effettiva che guarda a destra da una qualsiasi delle tre giunzioni è esattamente 2R. Pertanto, la corrente che scorre da sinistra si divide sempre equamente tra il ramo giù e il ramo destro.

Si noti che un presupposto chiave qui è che tutte le gambe sono legate alla stessa tensione (zero, in questo caso). È anche interessante notare che anche le tensioni sui nodi di giunzione sono ponderate in binario.

Questo può essere usato per costruire un DAC in uscita nel modo seguente:

^{simula questo circuito}

Le correnti nei resistori in questo circuito sono esattamente le stesse del diagramma precedente, poiché indipendentemente dalla posizione in cui si trova ciascuno degli interruttori, il resistore corrispondente è collegato a una terra reale sul $\overline{\text{Iout}}$ bus o verso un terreno virtuale sul $\text{Iout}$autobus. Le correnti sui due bus si sommano sempre a Iref. Un opamp può convertire la corrente di uscita in una tensione e l'intervallo di tensione è semplicemente -Iref × R7.