В душі у кожної людини «сидить» композитор, тільки вирватися назовні йому не завжди вдається Ось і доводиться задовольнятися прослуховуванням чужих мелодій да наспівуванням через караоке популярних пісень Тим не менш, будь електронник має всі шанси спробувати свій талант у створенні музики, використовуючи звукові можливості MK і зовнішній вузол ЦАП

Теоретично ЦАП призначений для перетворення цифрових кодів в аналогову величину, наприклад, в напругу, струм, опір Алгоритм роботи ЦАП полягає в підсумовуванні зразкових напруг і струмів пропорційно ваговим розрядами У двійковому коді, характерному для MK, «вага» від розряду до розряду змінюється рівно в 2 рази

Для розуміння фізики процесів, що відбуваються в звуковому ЦАП, іноді пропонують досить незвичайні порівняння і аналогії [2-92] Наприклад, треба подумки уявити собі змінний резистор, підключений крайніми висновками до джерела живлення Зі середнього виводу резистора напруга подається на звичайний навушник (Мал 260, а) Якщо дуже-дуже швидко крутити движок змінного резистора R1 в такт музиці, пропорційно частотою і гучності, то в навушнику BF1 зявиться високоякісний звук І це дійсно так

Рис 260 Схеми імітації звукового ЦАП: а) на змінному резисторі б) на ключах

Зрозуміло, нормальній людині виконати настільки швидке і точне обертання не під силу Потрібен робот або, на крайній випадок, MK, який разом із зовнішніми навісними елементами зможе зімітувати роботу ідеального «пеменніка» Для цього в схему заміщення вводяться численні постійні резистори і перемикачі (Мал 260, б)

Якщо згадати, всередині MK вже є електронні ключі, то залишається лише програмно коммутировать їх зі швидкістю, достатньою для відтворення звуку в діапазоні 20 .. 20 000 Гц У підсумку виходить перетворення номера електронного ключа (цифра) в напругу на навушнику (аналог)

Основою розглянутого ЦАП є резистори R1 .. Rn, які конфігуруються наступними способами:

• «Паралельно», на матриці резисторів «2R», де опір наступного і попереднього резисторів відрізняються рівно в 2 рази

• «Послідовно», на матриці «R-2R», де число резисторів вдвічі більше, зате в кожній половині вони мають однакові номінали: R і 2R

• «Нелінійно», з мінливими за певним законом резисторами

Розрядність ЦАП, як правило, кратна числу 4, наприклад, 8, 12, 16, 24, 32 Отже, MK повинен мати точно таку ж кількість вільних вихідних ліній При цьому чим більше розрядність, тим ближче форма вихідного сигналу до синусоїди, тим менше розмір «сходинок» імпульсів і тим простіше ФНЧ, їх згладжує, однак тим вище вимоги до точності резисторів

Завдання MK зводиться до того, щоб вибрати з памяті черговий відлік амплітуди, розкласти його на двійкові розряди, виставити отримані рівні на лініях порту, витримати паузу 5 .. 200 МК с, визначальну дискретизацію сигналу в часі, і повторити процедуру заново з новим відліком

Для довідки, в персональних компютерах використовують такі стандартні частоти дискретизації звукового сигналу: 5500 7333 8000 11025 16000 18900 22050 31250 31500 44056 48000 96000 192000 кГц Відповідно, пауза часу між між вибірками повинні складати 52 .. 180 МК с Швидкодія сучасних MK загального призначення дозволяє генерувати звук у всьому діапазоні зазначеного ряду, правда низький обсяг внутрішньої памяті різко обмежує тривалість звучання, особливо при високих бітрейтах

Схеми генерації звуку через зовнішній ЦАП можна розділити на три групи:

• паралельні резисторні (Мал 261, а .. з)

• послідовні резисторні (Мал 262, а .. з)

• з інтегральними мікросхемами (Мал 263, а .. д)

Рис 261 Схеми генерації звуку через паралельні резисторні ЦАП (початок):

а) класичний ЦАП з матрицею резисторів «2R» Резистори R1 .. R8через внутрішні ключі MK фактично зєднуються паралельно один з одним (звідси і назва «паралельний» ЦАП) Телефон BF1 служить навантаженням і одночасно виконує функцію ФНЧ На лініях MK виставляються ВИСОКІ / НАЙНИЖЧІ рівні чергового байта амплітуди сигналу Допускається замість НИЗЬКИХ рівнів переводити MK в режим входу з Z-станом, але при цьому зявляється амплітудна нелінійність («логарифмический» ЦАП) Тут і далі у всіх схемах зовнішніх ЦАП резистори в делителях бажано використовувати з допуском ± (05 .. 2)% Від цього залежить точність перетворення і температурна стабільність

б) додавання звукового сигналу від ЦАП у вже існуючий тракт RJ1, C2 Конденсатор C1 згладжує «сходинки» імпульсів Резистори R9, R10 визначають амплітуду сигналу Про

Про Рис 261 Схеми генерації звуку через паралельні резисторні ЦАП (продовження):

в) з колектора і емітера транзистора VT1 знімаються протифазні сигнали ЦАП Для згладжування сходинок імпульсів потрібен додатковий зовнішній ФНЧ Резистором R9 встановлюється робоча точка транзистора K77, щоб в сигналах на виході не спостерігалося обмежень по амплітуді

г) резистори Л / ..Л # задають напруга на базі транзистора VT1 Гучномовець BA1 виконує функцію ФНЧ (інерція дифузора) Змінним резистором ЛР регулюється гучність звуку Схема має вузький лінійним діапазоном ЦАП, оскільки при виставленні на виходах MK кодів вибірок, близьких до максимуму (11111111) або мінімуму (00000000), транзистор VT1 входить в насичення або в відсічення

д) імітатор «органного» звучання по 8 каналах, кожен з яких відрізняється за частотою в 2 рази Для формування партитури потрібне спеціальне компютерне програмне забезпечення Змішувач сигналів зібраний на ОП DA1 Пристрій можна також використовувати як ЦАП, правда, з низькою розрядністю через однакових опорів в 8 каналах Про

е) широкодіапазонний генератор «цифрового синуса» Шкала здвоєного змінного резистора R1 градуюється по частоті в трьох діапазонах: 20 .. 200 Гц, 02 .. 2 кГц, 2 .. 20 кГц Діапазони перемикаються НИЗЬКИМИ рівнями на трьох нижніх лініях MK Внутрішній АЦП MK вимірює напругу на резисторі R17, потім MK переводить напругу в частоту Після цього вісім верхніх ліній MK зверху-вниз заповнюються «біжучим стовпчиком ВИСОКИХ рівнів, потім« біжучим стовпчиком »НИЗЬКИХ рівнів і тд Разом утворюється 16 «сходинок» синусоїди, повний цикл якої дорівнює періоду генерується сигналу Резистор R12 синхронно змінює частоту зрізу ФНЧ, зібраному на елементах 7 72, R10, C1 . C3, що дозволяє знизити рівень побічних гармонік

ж) особливість даного ЦАП полягає в застосуванні резисторів 7 7 .. 7 Рсдопуском ± 5% Проте їх послідовне і паралельне включення забезпечує сумарну точність приблизно в 2 рази вище Резистором R10 регулюється амплітуда сигналу Ємність конденсатора фільтра C7 залежить від частоти генерації звуку Конденсатор повинен бути відсутній, якщо ЦАП використовується для формування телевізійного відеосигналу

з) генератор сигналів трикутної форми Матриця «2R» замінюється матрицею «R» з резисторами R однакового опору Кожній «сходинці» трикутника відповідає певне число ВИСОКИХ рівнів, виставлених на верхніх лініях MK Амплітуду трикутного сигналу можна зменшити на один або два порядки за рахунок комбінації рівнів на трьох нижніх лініях MK

Рис 262 Схеми генерації звуку через послідовні резисторні ЦАП (початок):

а) класичний ЦАП з матрицею резисторів «R-2R» Резистори R1 .. R16могут мати інші номінали, але головне, щоб опору резисторів Л/..Л9билі рівно в 2 рази більше, ніж R10 .. R16 Для згладжування «Сходинок» імпульсів потрібен зовнішній ФНЧ На виходах MK, на відміну від паралельного ЦАП, виставляються ВИСОКІ / НАЙНИЖЧІ рівні без Z-стану

б) уніфікація опорів резисторів R1 .. R25пріводіт до підвищення точності перетворення, оскільки опір двох послідовно включених резисторів матиме статистично менший відхід від номіналу, ніж у одного резистора Рекомендована точність резисторів ± (1 .. 2)% Для зменшення габаритів матриці слід застосувати чіп-резистори

в) повторювач напруги на ОУ DA11 забезпечує високий вхідний опір для матриці «R-2R» Першим ФНЧ служить конденсатор С /, друга – інтегратор на ОУ DA12 з паралельною ланцюжком R18, C2, визначальною частоту зрізу Про

Про Рис 262 Схеми генерації звуку через послідовні резисторні ЦАП (продовження)

г) організація стереозвучания через дві однакові резисторні матриці «R-2R» і два ідентичних пасивних ФНЧ на ланцюжках R33, C3 і R34, C4 \

д) ЦАП на інтегральній збірці високоточних резисторів R3 Частота зрізу ФНЧ задається конденсаторами C7, C3, які підключаються до загального проводу через транзистори VT1, VT3 Емітерний повторювач на транзисторі КГ2сужаетдінаміческій діапазонВИх на 07 В Для його розширення слід перейти на двухполярной харчування аналогічно Рис 261, в

е) застосування потужного буферного повторювача DA1 підвищує (хоча і не набагато) інструментальну точність ЦАП за рахунок меншого впливу навантаження на вихідні рівні

ж) аналогічно Рис 262, б, але з меншим числом резисторів, оскільки застосовується їх паллельное, а не послідовне включення Про

Про Рис 262 Схеми генерації звуку через послідовні резисторні ЦАП (закінчення):

з) емітерний повторювач на транзисторі VT1 і MK живляться від різних напруг Це дозволяє підвищити лінійність перетворення ЦАП і розширити динамічний діапазон, оскільки транзистор VT1 працюватиме без насичення і відсічення

Рис 263 Схеми генерації звуку через зовнішні інтегральні ЦАП (початок):

а) восьмизарядний ЦАП на мікросхемі DA1 (фірма Texas Instruments) має вхід «R» для плавного регулювання амплітуди вихідного сигналу Транзистор VT1 служить емітерний провторітелем, що дозволяє використовувати високоомний резистор R2 \

б) програмно-апаратний ЦАП на базі інтегратора DA2, охопленого зворотним звязком через внутрішній 10-разряднийАЦП MK Напруга 6 вих формується зарядом / розрядом конденсатора C1 Динамічний діапазон становить 0 .. 31 В Ключі мікросхеми DA1 включаються короткочасно тільки в ті моменти, коли напруга f /BbIX треба змінити Про

Про Рис 263 Схеми генерації звуку через зовнішні інтегральні ЦАП (закінчення):

в) підключення до MK зовнішнього «японського» ЦАП DA1 (16 біт, стерео, але використовується режим моно) ОУ DA21 служить повторителем, а ОУ DA22 – активним фільтром Sallen-Key

г) DA1-12-розрядний послідовний ЦАП фірми Burr-Brown Підсилювач на мікросхемі Д42обеспечівает вихід на навушники ( Науши) І сигнал в лінію (UmH)

д) восьмизарядний ЦАП на мікросхемі DA1 (фірма National Semiconductor) працює в парі з ОУ DA2 Діапазон частот генеруються 0 .. 30 кГц, вихідна напруга 4 В, нерівномірність АЧХ не більше 03 дБ, КНІ = 00076% на частоті 1 кГц

Джерело: Рюмік, С М, 1000 і одна мікроконтролерна схема Вип 2 / С М Рюмік – М: ЛР Додека-ХХ1, 2011 – 400 с: Ил + CD – (Серія «Програмовані системи»)