Anatomia di un DAC (anzi di molti DAC)

[gimmetto]

1 ora fa, Andrea Mori ha scritto:

In questo thread parlerò di tecnologia e non di misure

La tecnologia si misura con...le misure!

[Andrea Mori]

Innanzitutto un po' di storia. 

I DAC basati su tecnologia di conversione PCM R2R sono quelli che hanno fatto la storia dell'era digitale.

I DAC presenti sul mercato all'inizio dell'era digitale si basavano tutti su questa tecnologia, TDA1540 (14 bit)-TDA1543 (16 bit) e TDA1541A (16 bit) di Philips, AD1856 (16 bit)-AD1865 (18 bit) e AD1862 (20bit) di Analog Devices, PCM56 (16 bit)-PCM63 (20 bit) fino al PCM1704 (24 bit), e via dicendo.

Il principio di funzionamento è visibile nell'immagine allegata, dove per semplicità sono visibili solo 8 bit.

Il cosiddetto "ladder" è composto da una rete di partitori resistivi che seguono appunto la regola di base R2R, dove R è in serie all'uscita mentre 2R é in serie alla porta logica di comando dei vari bit, tipicamente un flip-flop del quale parlerò più avanti.

Il bit meno significativo, ossia quello che meno incide sulla tensione analogica in uscita si chiama per convenzione LSB (Least Significant Bit), mentre quello che incide maggiormente è denominato MSB (Most Significant Bit).

Ai dispositivi di comando rappresentati come interruttori è applicata alternativamente la tensione di alimentazione (corrente continua, DC) della porta (detta Vref, tensione di riferimento) oppure 0V (massa, Ground).

I dati applicati alla logica di controllo sono la parola di bit alla quale avevo accennato precedentemente, in questo caso, essendo 8 bit, su base 0, si va da D0 (LSB) a D7 (MSB).

La particolarità di una rete R2R siffatta è quella che ad ogni decremento di un bit la tensione di uscita analogica viene dimezzata, oppure ad ogni incremento di un bit viene raddoppiata.

Questo rende assai facile il pilotaggio della conversione direttamente con le parole di bit codificate nei files audio.

Come avevo già accennato, il formato PCM necessità di due clock per funzionare correttamente.

Il primo è il bit clock, che si occupa di caricare, facendoli scorrere, i bit che compongono una parola (D7-D0), mentre il secondo detto LRCK (o Latch) si occupa di cambiare lo stato di tutti gli interruttori che compongono il DAC simultaneamente, ovvero dopo che è stato caricato l'ultimo bit della parola, il bit LSB, dato che la codifica del PCM normalmente è di tipo MSB First (il primo bit che arriva è il più significativo).

Dal punto di vista elettronico, normalmente, il DAC implementa uno o più registri a scorrimento (shift register) nei quali vengono caricati i bit che compongono la parola PCM per mezzo del bit clock.

I dati caricati presenti all'uscita dei registri a scorrimento si muovono anche nei flip-flop che operano come interruttori nel DAC e vengono immagazzinati in questi ultimi.

Siccome la particolarità di un flip-flop è quella di caricare un dato ma di non presentarlo immediatamente all'uscita, una volta che i registri saranno completamente caricati con tutti i bit che compongono la parola, i flip-flop effettueranno simultaneamente la commutazione di tutte lo loro uscite in base al dato ricevuto per mezzo del clock denominato Latch.

Conseguentemente le varie resistenze del ladder, in base al valore del dato in ingresso, si troveranno commutate verso la tensione di riferimento (quando il bit vale 1) oppure verso massa (quando il bit vale 0) in funzione del dato ricevuto.  

[scroodge]

ma.. domanda assolutamente non porovcatoria: in questo thread si può parlare di proprie esperienze di ascolti comparati con dac diversi? O è OT?

chiedo prima così mi so regolare se postare o meno..

[Berico]

@scroodge niente ascolti niente misure, è un topic sul funzionamento dei dac con le  varie scelte tecniche   applicabili. Così ho capito. 

[Andrea Mori]

13 minuti fa, scroodge ha scritto:

ma.. domanda assolutamente non porovcatoria: in questo thread si può parlare di proprie esperienze di ascolti comparati con dac diversi? O è OT?

chiedo prima così mi so regolare se postare o meno..

Non sono io a decidere di cosa parlare, io ho solo detto che personalmente non parlerò di misure.

Non che gli altri non possano parlarne, tra l'altro ho già postato il link ad ASR con le misure del DAC che analizzerò. E se qualcuno vuole commentarle è liberissimo di farlo.

Altrettanto vale per le percezioni di ascolto, nessun problema.

La mia regola personale è che non effettuerò misure, visto che le ha già fatte ASR, e non le commenterò in alcun modo in relazione all'ascolto. Pertanto è perfettamente inutile chiederle a me.

[CDJ]

Il 24/2/2024 at 08:40, duecalzini ha scritto:

Seguo   con  interesse (  elettroniche   audio-costruite  )  

Mi associo (elettroniche autocostruite anche se R.F.)

[Andrea Mori]

10 minuti fa, CDJ ha scritto:

Mi associo (elettroniche autocostruite anche se R.F.)

Allora forse sarai più interessato quando parlerò di oscillatori più avanti.

[max]

1 ora fa, gimmetto ha scritto:

La tecnologia si misura con...le misure!

 la moderazione ha detto stop non una ma più volte per questo tipo di interventi in questo thread...poi ovviamente vedi tu 

[paolosances]

È espressa volontà dell'opener Andrea Mori non voler scrivere in prima persona di misure .

 

[Andrea Mori]

Tornando all'argomento, di seguito 4 immagini tratte da una simulazione elettronica che dimostrano empiricamente il funzionamento della rete ladder alla quale ho accennato precedentemente. In questo caso è un ladder R2R a 16 bit.

Nella prima immagine tutti i bit che compongono la rete resistiva sono accesi (tutti con valore 1), per cui l'uscita analogica sarà esattamente uguale alla tensione di riferimento, pari a 4 volt nel circuito. Questa è la massima tensione di uscita che si può ottenere dal DAC in quella configurazione e con quei valori.

Nella seconda immagine soltanto l'Msb è acceso, e tutti gli altri bit sono spenti, ed infatti la tensione di uscita si dimeza esattamente (2 Volt).

Nella terza immagine è acceso solo il bit D14, ossia quello che precede immediatamente l'Msb, anche in questo caso, seguendo la regola che ho enunciato precedentemente, il valore della tensione di uscita si dimezza ulteriormente, passando ad 1 Volt.

Nell'ultima immagine è acceso soltanto il primo bit, l'LSB, e la tensione di uscita vale 61,04 uV, ossia la tensione di riferimento divisa per il numero massimo di livelli disponibili con la quantizzazione a 16 bit, ossia 65536 (4V / 2^16 = 61,04 uV). 

Questo è il principio di funzionamento basico di un DAC PCM R2R a 16 bit (come ad esempio il TDA1541A).

Più avanti descriverò alcune varianti e tecnologie volte a migliorare le prestazioni di un siffatto DAC.

[scroodge]

41 minuti fa, Andrea Mori ha scritto:

Questo è il principio di funzionamento basico di un DAC PCM R2R a 16 bit (come ad esempio il TDA1541A).

Più avanti descriverò alcune varianti e tecnologie volte a migliorare le prestazioni di un siffatto DAC.

Interessante, quali prestazioni andrebbero a migliorare?

[Andrea Mori]

9 minuti fa, scroodge ha scritto:

Interessante, quali prestazioni andrebbero a migliorare?

La linearità (accuratezza e conseguentemente distorsione armonica) ed il rumore di commutazione (glitch).

[ilmisuratore]

3 minuti fa, Andrea Mori ha scritto:

La linearità (accuratezza e conseguentemente distorsione armonica) ed il rumore di commutazione (glitch).

Come mai i DAC MSB (ad esempio il "vecchio" Platinum e/o Analog) venivano apprezzati molto nonostante la distorsione armonica veniva prodotta in quantità sufficienti da non superare i 14 bit di risoluzione effettiva ?

Gusti o tecnologia scarsa ?

[Andrea Mori]

La qualità delle prestazioni di un DAC PCM R2R, dal punto di vista tecnologico, dipende essenzialmente da due fattori, anche se il secondo è comune a tutti i DAC.

Il primo fattore è la precisione dell'ampiezza della tensione di uscita analogica, in modo che la regola del raddoppio della tensione ad ogni incremento di bit venga perfettamente rispettava, ossia che la tensione di uscita sia esattamente quella campionata per ogni parola di bit (a parità di Vref).

Questa linearità dell'ampiezza, in un DAC PCM R2R dipende essenzialmente dalla tolleranza più o meno elevata delle resistenze impiegate nella rete ladder. Questo è il motivo per cui nei DAC monolitici che hanno fatto la storia dell'era digitale, fino al PCM1704, ogni resistenza che compone la rete resistiva viene calibrata con processi che utilizzano il laser per il trimming. Ovviamente questo non sarebbe possibile in un DAC a componenti discreti, dove l'unica strada sarebbe quella di usare le resistenze con la più bassa tolleranza presenti sul mercato (molto costose) ed eventualmente procedere ad una ulteriore selezione.

Tanto per dare un'idea usando resistenze con una tolleranza allo 0,01% si raggiunge matematicamente un'accuratezza di circa 13-14 bit ((1 / 8.192) * 100 = 0.0122 ossia poco più dello 0,01% di tolleranza ammessa), mentre con una tolleranza dello 0,001% si raggiungono circa 16-17 bit ((1 / 65.536) * 100 = 0.0152 ossia poco più dello 0,001% di tolleranza ammessa).

Resistenze con una tolleranza dello 0,001% costano qualche Euro l'una anche se acquistate in grandi quantità, e per comporre la rete resistiva ce ne vogliono molte.

Nel prossimo commento descriverò sommariamente (l'argomento è complesso) una tecnologia implementata per correggere questi errori di non linearità, ossia quella brevettata ed implementata da Holo nei propri DAC.

Accennerò anche ad una possibile alternativa.

[Andrea Mori]

15 minuti fa, ilmisuratore ha scritto:

Come mai i DAC MSB (ad esempio il "vecchio" Platinum e/o Analog) venivano apprezzati molto nonostante la distorsione armonica veniva prodotta in quantità sufficienti da non superare i 14 bit di risoluzione effettiva ?

Gusti o tecnologia scarsa ?

Chiedilo a chi li ha posseduti.