Endüstriyel Otomatik Kontrol Sistemleri Dönüştürücüler. Mustafa Türker GÜLTEPE mturkergultepe.com

Transkript

1 Endüstriyel Otomatik Kontrol Sistemleri Dönüştürücüler Mustafa Türker GÜLTEPE mturkergultepe.com

2 İÇİNDEKİLER D D.A.C Nedir? D.A.C Kavramlar D.A.C Yapısı D.A.C Devreleri A.D.C Nedir? A.D.C Yapısı 2

3 İÇİNDEKİLER A.D.C Çalışması A.D.C Devreleri A.D.C Karşılaştırmalar A.D.C Kullanım Alanları F/V Dönüştürücüler F/V Yapısı 3

4 İÇİNDEKİLER F/V Devreleri Yararlanılan Kaynaklar 4

5 D.A.C. nedir? D.A.C., DAC veya D-to-A (Digital to Analog Converter) dilimize dijitalden analoğa dönüştürücü olarak çevirilebilecek özel bir tanımlamadır. Özellikle CD'nin ortaya çıkmasından itibaren, bu medyalara kaydedilen verinin dijital olması sebebi ile, verinin analoğa çevrilmesi amacı ile kullanılmaya başlanmıştır. Bir CD çaların kasasına monte edilmiş halde olabileceği gibi ayrı bir cihaz olarak da kullanılabilir. Özellikle ayrı kullanım profesyonel cihazlarda karşımıza çıkar. Buradaki amaç CD okuma mekanizmasının mekanik titreşimlerinin ve cihaz içerisindeki diğer elektronik bileşenlerin dijitalden analoğa çevirim sırasında etkileşimini minimuma indirmektir. Farklı teknolojilere sahip olsa da, CD, SACD, DVD gibi tüm dijital kayıt platformlarında mutlaka kullanılır. Şekil 0 - D.A.C. Dijital/Analog Çeviriciler (DAC), girisindeki sayısal değerlere karsılık analog bir gerilim veya akım üretmektedir. ADC lerde olduğu gibi bit çözünürlüğü, adım büyüklüğü gibi bir çok kavram DAC lar için de geçerlidir. Fakat DAC ları kullanmak ADC leri kullanmaya nazaran daha kolaydır. Bir çok DAC da, ADC lerde olduğu gibi çevrime baslama, çevrimin bitmesini bekleme gibi kontrol islemleri yoktur. DAC lar sayesinde sayısal olarak çalısan mikroislemci ve mikrodenetleyiciler ile analog mantıkla çalısan cihazların kontrolünü gerçeklestirmek mümkündür. Bilgisayar ve dijital sistemler lojik değerler olan 1 ve 0 değerleri ile çalışır. İkilik sistemin basamakları olan bu değerler analog sistemler için anlamlı değildir. Ayrıca dijital değerlerin insanlar için daha anlamlı olan analog değerlere çevrilmesi gerekir.örnek vermek gerekirse bilgisayarımızda sakladığımız MP3 formatındaki ses dosyaları dijital verilerden oluşur.bu dosyaları dinlemek istediğimizde bilgisayar sistemimize bağlı olan bir ses kartına ve ona bağlı olan bir hoparlör sistemine gereksinim duyarız.bu örnekte ses kartının yaptığı işlem sabit sürücülerimizde saklı olan MP3 dosyasındaki dijital verileri (çok sayıda lojik 1 ve 0 değerleri) hoparlör üzerinde sese çevrilecek olan analog değerlere çevirmesidir. MP3 dosyasından faklı dizilimlerde gelen lojik değerler ses kartında farklı değerlerdeki gerilimlere çevrilecek ve bu gerilim değerleri ise hoparlör üzerinde farklı seslere dönüştürülerek kulağımıza ulaşacaktır. 1 ve 0 gibi dijital bilgileri giriş olarak alan ve çıkışında giriş değerlerindeki değişime göre farklı değerlerde akım veya gerilim üreten devrelere veya entegrelere dijital analog çevriciler ve bu dönüştürme işlemine de dijitalden analoga çevirme işlemi adı verilir. dijital analog çeviriciler kısaca DAC olarak da adlandırılır. Dijital analog çevriciler giriş olarak birden fazla dijital değeri alabilir. Dijital giriş değeri sayısı dijital analog çevricinin bağlı olduğu dijital devrenin çıkış sayısına eşittir.bu konuyu daha iyi anlamak için giriş bölümünde verilen ses kartı örneğini tekrar inceleyelim.ses kartı ana kart üzerinden bilgisayarın data yoluna bağlıdır.dolayısı ile ses kartı analog sinyale dönüştürmek üzere kullanacağı dijital değerleri sistem data 5

6 yolundan alır. Bilgisayarımızın data yolu 32 veya 64 bit olabilir. Dolayısı ile ses kartı MP3 dosyasından her seferde 32 veya 64 bitlik dijital veriyi alarak analog veriye çevirecektir. Sonuç olarak bu bit lerin her birinin bağımsız olarak 1 veya 0 olması dönüşüm sonucunda elde edilecek analog sinyalin akım veya geriliminde değişime yol açar. Böylece biz de hoparlörden farklı tonlarda sesler duyarız. Sonuç olarak girişe uygulanan dijital değerin bit dizilimindeki değişimim çıkıştaki analog sinyalin değerini belirler. 6

7 D.A.C. Kavramlar Dijital verilerin analog veriye çevrilmesinde analog çıkışın değerinin belirlenmesinde etkili olan bazı esaslar ve kavramlar vardır. Çevrim işleminin daha iyi anlaşılması için bu öncelikle bu kavramlar aşağıda açıklanmıştır. 1. LSB Dijital değerlerin daha fazla anlam ifade etmesi için çok sayıda bitin bir arada kullanılması gereklidir. Örneğin bir bit ile sadece iki farklı (1 ve 0) durum ifade edilirken iki bit ile dört farklı durum ifade edilebilir (00, 01, 10 ve 11). Dijital devrelerinde daha fazla çıkış durumu ifade etmek için çok sayıda çıkış biti vermesi olası bir durumdur.ancak bitlerin sayısı çoğalınca dijitalden analoga dönüşüm sırasında bir problem ortaya çıkmaktadır. Çok sayıda giriş biti alan bir DAC bunları çıkışa analog değer olarak aktarırken bitlerin ağırlıklarını (çıkış akım veya gerilimine etki oranını) neye göre belirleyecektir. Bu sorunun çözümü sayı sistemlerinin doğal yapısında çözümlenmiştir. Giriş bitleri peş peşe dizilerek bir ikilik sistemde rakam elde edilirse sağdan sola doğru basamakların değerleri de artmaktadır ve artış oranı sayı sisteminin taban değerine göre üstel şekilde belirlenmektedir. Dolayısı ile girişlerin sıralaması çıkışa etki oranını belirler. Binary(ikili) sayılar yazılırken en sağdaki basamağa en düşük değerlikli bit LSB (Least Significant Bit-) olarak adlandırılır. Dönüşüm sırasında analog çıkış üzerindeki değer değişimine en az etkili olan dijital değerdir. 2. MSB Benzer şekilde en soldaki basamağa en yüksek değerlikli bit MSB (Most Significant Bit) adı verilir. Dönüşüm sırasında analog çıkış üzerindeki değer değişimine en fazla etkili olan dijital değerdir. Şekil 2 - LSB ve MSB Şekil 1- İkilik sayı sisteminde basamak değerleri 7

8 3. Tam Skala (Full scala) Dijital analog çeviricilerde giriş olarak kullanılan bit lerin hepsinin 1 olması durumuna tam skala (Full sclala ya da FS) denir. Giriş olarak verilen tüm bit ler anlamlandırıldığı için çıkış voltajı veya akımı maksimum değerde olacaktır. 4. Çözünürlük (Resolution) Dijital analog çeviricilerin giriş değerlerindeki değişime gösterdiği minimum değişime çözünürlük (Resolution) ya da hassasiyet (sensitivity) denir. Çözünürlük değeri LSB olarak kabul edilen bit in 1, diğer giriş bit lerinin 0 olduğu durumdaki çıkış gerilimine eşittir. Giriş bit lerinin değeri kademe kademe arttıkça çıkış voltajındaki artış çözünürlük kadar olacaktır. Çözünürlük değeri ne kadar küçükse giriş bitlerindeki değişime karşılık gelen analog çıkış değerindeki artışlar o kadar az olacak ve hassasiyet artacaktır. Çözünürlük değeri iki değişkene bağlıdır. Tam skalaya karşılık gelen analog çıkış değeri ne kadar büyükse çözünürlük de o kadar büyük olur. Ayrıca giriş bitlerinin sayısı ne kadar fazla ise çözünürlük de artar. Burada dikkat edilecek nokta çözünürlüğün artması demek sayısal değerinin azalması anlamına gelmektedir. Çözünürlük değerinin matematiksel formülü şöyledir. Çözünürlük = 1 / 2 Giriş bit sayısı Çözünürlük Voltajı = Maksimum Çıkış voltajı * 1 / 2 Giriş bit sayısı Örnek: Maksimum çıkış voltajı 10V olabilen bir bir DAC devresinde 4 adet dijital giriş varsa çözünürlük nedir? Çözünürlük = 1 / 2 Giriş bit sayısı = 1 / 2 4 = 1/16 = 0,0625 başka bir değişle % 6,25 dir. Çözünürlük Voltajı = Maksimum Çıkış voltajı * 1 / 2 Giriş bit sayısı = 10*0,0625=0,625 V Örnek deki DAC devresinin çıkışı 0,046 V katları şeklinde değişecektir. 5. Giriş-Çıkış İlişkisi Giriş bit lerindeki değişim çıkış voltajındaki değişim olarak gözlenmektedir. LSB den MSB ye doğru bit lerdeki ağırlık değeri artacağından çıkış voltajı üzerindeki etkisi de artacaktır. Birim artış çözünürlük değerine eşittir.aşağıdaki şekilde yukarda örnekde verilen DAC devresinin giriş-çıkış ilişkisi gösterilmiştir. Şekil 3 - Giriş-çıkış ilişkisi 8

9 Şekil 4 - İşlemsel yükselteç 1.3. Çalışma Prensibi Dijital değerlerin analog değerlere dönüştürülmesinde kullanılan temel eleman işlemsel yükselteçlerdir. Dijital analog çeviricilerin çalışma prensiplerini anlayabilmek için işlemsel yükselteçlerin çalışması hakkında bilgi sahibi olmak gereklidir. İşlemsel yükselteçler, girişine uygulanan gerilim değerini yine giriş ve çıkışına bağlanan dirençlerle belirlenen bir oranla çıkışa aktaran devre elemanıdır. Giriş değerinin çıkışa etki oranının belirlenebilmesi sayesinde girişi oluşturan dijital değerlerin çıkışa aktarılma oranı belirlenebilmektedir. İşlemsel yükselteçler elektronik alanında çok farklı amaçlarla kullanılabilmektedir. DAC devrelerinde toplayıcı olarak kullanılabilme özelliğinden faydalanır. Giriş bitlerinin çıkışa etki oranı dirençler ile belirlenerek yükseltilmiş bir analog çıkış elde edilebilir. Şekil 4' te verilen toplayıcı devresinde Vg1,Vg2 ve Vg3 gerilimleri önlerine konulan dirençlerin büyüklüğü ile ters orantılı olarak çıkışa aktarılırlar. Ayrıca giriş gerilimi çıkışa aktarılırken R1,R2 ve R3 dirençlerinin eş değeri ile Rf direncinin oranına göre yükseltilerek aktarılır. 9

10 D.A.C.'nin Yapısı DAC ları farklı şekilde sınıflandırabiliriz. Digital Analog çevirim tekniklerine göre, upsampling yapıp yapmadıklarına göre veya çıkışının lambalı, discrete transistorlu veya opamplı olmasına göre. Esasında hemen bütün DAC lar belli modüllerden oluşur; Input katı, Digital Filter ve Upsampling katı, Digital-Analog dönüşüm katı ve çıkış katı. Bu noktada DAC'lerden ses sistemi üzerinden bahsedersem somut bir örnek üzerinden daha akılda kalıcı bir yapı oluşturur diye düşünüyorum. optik bir kablo üzerinden kodlu ışık demetleriyle Toslink üzerinden DAC a iletilir. TOSLink den bahsederken açık hali olarak TOShiba LINK in mucidinin de Toshiba olduğunu söylemeden geçmeyelim. AES/EBU (AES = Audio Engineering Society, EBU = European Broadcasting Union) S/PDIF e çok benzer bir standarddır ve daha çok profesyonel ekipmanlarda ve hi-end hifi de göze çarpar. S/PDIF ile AES/EBU arasındaki temel farklar sinyal seviyesi ve empedans larıdır. Şekil 5 - DAC Block Diagramı Şekil 5 te block diagramı verilmiş olan DAC ı detaylı olarak incelersek; A. Input Bölümü Şayet DAC ayrı bir kutu ise cdp içindeki DAC bölümünden bahsetmiyorsak hemen herbir DAC ın input bölümünde bir Receiver Chip karşımıza çıkar. Burada kullanılan protokol genellikle S/PDIF dir veya AES/EBU dur. S/PDIF aslında cd teknolojilerinin mucitleri olan Sony ve Philips şirketlerinin belirlediği bir standarddır ve açık hali de Sony Philips Digital InterFace dir. Sayısal formattaki sinyal ya metal bir tel üzerinden elektronlarla veya fiber Kodlama her ikisinde de Biphase Mark Code dur. AES/EBU standardı piyasada çok daha fazla balanced kullanım olarak görülür. Aslında hem AES/EBU nun hem de S/PDIF in balanced ve unbalanced şekli vardır ama cihaz üreticileri çok yaygın olarak unbalanced için S/PDIF i balanced için de AES/EBU standardını tercih etmektedirler. S/PDIF ve AES/EBU da kullanılan biphase mark code kodlaması şekil 2 de verilmiştir. Şekilde de görüldüğü üzere kodlanmış sinyalin içinde data ve clock birleşik halde yer almaktadır. 10

11 veya bir zamanlama hatası jitter dediğimiz hatalara sebebiyet verir ki jitter hataları insan kulağı tarafından kolaylıkla farkedilir. Şekil 6 - Clock, Data ve kodlanmış sinyal Transport veya CD Player ın içine bakarsak ses sinyali olarak cdp içinde dolaşan digital sinyalin protocolu I²S dir. I²S (Inter-IC Sound Interface) Philips tarafından geliştirilmiştir. I²S temelde S/PDIF veya AES sinyalindeki clock ve data nın ayrıştırılmış şeklidir. Veya başka bir deyişle bir transport içindeki sinyalin S/PDIF veya AES e dönüştürülmeden evvelki şekli I²S dir diyebiliriz. I²S formatındaki digital sinyal uzun mesafeli taşınamaz, hassas ve dış faktörlerden kolaylıkla etkilenir. Bu nedenden dolayı I²S sinyali transport veya cdp dışına çıkartılırken S/PDIF veya AES e dönüştürülür. Esasen DAC da giriş bölümünde S/PDIF veya AES üzerinden sinyali kabul ettikten hemen sonra I²S e çevirir ve sinyal analog a dönüşmeden evvel entegreler arasında I²S olarak dolaşır. Çok nadir olarak da olsa Transport ile DAC bağlantısı olarak I²S protokolünün kullanıldığı yerler de vardır. Bu durumda I²S kablosu çok kısa tutulmaktadır. Şekil 7 deki I²S formatını yakından incelediğimizde bu formatın çok temel sinyallerden oluştuğunu görebiliriz. SD, 16 bit, 18 bit, 20 bit, 22 bit veya 24 bit olarak serial data yı temsil eder. I²S standardı içinde data boyutu 28 bite kadar uzatılabilir. SCK Serial Bit Clock u temsil etmektedir. Herbir data biti eş zamanlı clock darbesiyle dikkate alınır. Temsili olarak anlatmak gerekirse clock darbesi geldiğinde elektronik kapı açılır data biti içeri alınır ve kapı kapatılır, sonraki clock darbesi bir sonraki data bitini kabul eder. Clock sinyali olmadan data bitleri dikkate alınmaz. Data bitlerinde zamanlama çok önemli değilken clock un zamanlaması jitter açısından çok önemlidir. Clock daki bir kayma WS sinyali Word Select veya Word Clock u temsil eder. Örneğin SD sinyali 16 bitlik ise bu 16 bitlik word un başladığını veya bittiğini ifade etmek için kullanılır. Right ve Left kanal için ayrı ayrıdır. Yüksek anlamlı bit ilk başta veya en sonda olabilir. WS sinyali oluştuğunda tek tek bit katarı olarak alınan bitler 16 bit olarak birleştirilir ve bir hamlede proses edilmek üzere başka bir tampon bölgeye aktarılır. Bütün bu formatlardan ayrı olarak bilgisayarı kaynak olarak kullandığımızda karşımıza çıkan USB ve Firewire interface ve formatları da vardır. Şekil 7 - I2S Bileşenleri Bilgisayardan müzikte isochronous dediğimiz protokol kullanılır. Isochronous burada belirli bir datanın sürekli aynı hızla bir yerden başka bir yere transferini ifade eder. Bilgisayardan müzikte taşınan datanın boyutu ve hızı bilgisayarın işlemcisinde process ettiği data ve ulaştığı hıza göre çok daha düşük kalmasına rağmen bu datanın hızının değişmemesi ve sürekliliği çok önemlidir. İşte bu sürekliliği data bandwidth ini garanti eden Isochronous mode sağlamaktadır. Aslına bakarsak böylelikle bir anlamda USB ve Firewire üzerinden taşınan digital müzik datası CDP nin transportundan taşınan müzik datasına fazlasıyla benzetilmiştir. Her ikisinde de sistem digital 11

12 datayı arkaya bakmadan sürekli bir şekilde bir yerden bir yere transfer eder. Bu benzerliğin bir devamı olarak ve burada kullanılan standardlar yüzünden Bilgisayardan müzikte acaba yapılıyor mu dediğimiz Error Detection ve Correction yapılmamaktadır. Yani Bilgisayar kaynağından DAC a iletilen digital data DAC tarafında kontrol edilip hata varsa yeniden transferinin talep edilmesi gerçekleşmez. Gerekli olup olmadığı bir tartışma konusu olan error correction yani bit perfect dediğimiz olgunun hayata geçebilmesi için audio interface standard larının değiştirilmesi ve mevcut standardın yerine başka standardların kullanılması gerekmektedir. Örneğin yeni bir çalışma şekliyle DAC ile bilgisayar arasındaki transfer hızı arttırılıp DAC tarafında bir tampon bellek veya disk olabilirse DAC ın output unun sürekliliği bozulmayacak şekilde bit perfect çalışma gerçekleştirilebilir. Günümüzde transport dac combo su olarak ve standalone cihaz olarak bu olguyla çalışan cd / sadc player lar artık üretilmeye başlanmıştır. Bu tür cihazlara örnek olarak PS Audio Perfectwave Transport Dac combo, Naim Hdx, ve diğer benzeri cihazları verebiliriz. Bu cihazlar digital anlamda bit perfect olarak çalışabilmektedirler. Tabii bir yanlış anlamaya sebebiyet vermemek açısından bit-perfect demek ideal sesi yakalamak anlamını hiçbir zaman taşımaz. Bit perfect olmayan ama çok daha iyi audio performansı verebilen cihazlar mevcuttur. ederken kimi chip ler 24bit 192 Khz e kadar digital müzik datası kabul etmektedir. Bir diğer farklılık da clock kullanımındadır. Hemen herbir receiver chip input olarak kabul ettiği digital datayı ayrıştırıp bir sonraki aşamaya iletirken ya inputtan aldığı sinyalin içinden ayrıştırdığı ve recover ettiği clock u kullanır veya dışarıdan verilen clock u kullanarak datayı sonraki aşamaya iletir. Genellikle bu özelliğin seçimi için entegrenin bir pini kullanılmıştır. Örneğin TI DIR9001 de 28 no lu pin CKSEL (Clock Selector) bu iş içindir. Sonuç olarak clock kullanımı DAC kutusu yapanların tercihine göredir. Bazı DAC larda hiç clock generator yoktur, input tan aldığı clock u kullanır, bazı DAC larda sadece DAC ın içinde bir clock generator bulunur, bazı DAC lar ise aynı zamanda clock sağlayan başka bir dış üniteden de clock kabul eder. Dışarıdan clock kabul eden DAC lar ve CDP ler genellikle hiend sınıfındadır ve pahalıdırlar. Bilgisayardan müziği bir kenara bırakıp tekrar S/PDIF ve AES/EBU receiver lara dönersek piyasadaki S/PDIF ve AES/EBU Receiver chiplerinin belli başlı yarı iletken üreticileri tarafından geliştiridiğini görebiliriz. DAC kutularının içine baktığımızda Texas Instruments den DIR9001, Cirrus Logic den 8414,8416, Wolfson dan WM8804/8805 ve Japon Asahi-Kasei den AK4114/AK4115 i gibi entegreler receiver chip olarak karşımıza çıkar. Receiver chip ler birbirlerinden az çok farklılık gösterseler de öne çıkan özellikleri kabul ettikleri word genişliği ve hızıdır. Kimi receiver chip ler sadece 18 bit 48khz e kadar data kabul 12

13 Şekil 8 Curve Fitting (Eğri Geçirme)) Öncelikle hemen belirtmek gerekir ki bazı NOS DAC kutularında bu kısım hiç yoktur. Örneğin DIY olarak yaygın bir şekilde TDA154X dac entegreleriyle DAC kutusu yapanlar upsampling ve digital filter çoğunlukla kullanmazlar. Ama esasen 16 bitlik çok eski bu dac entegreleri için dahi zamanında upsampling chip leri yapılmıştır. Örneğin SAA7220 upsampling chip i TDA1541 dac entegresiyle birlikte kullanılır ve word genişliğini arttırmadan 4x upsampling yapabilme özelliğine sahiptir. Buradan da TDA1541 in 176 Khz e kadar digital data kabul ettiğini anlayabiliriz. Upsampling & Digital Filtering yapan entegrelerin bir başka adı da interpolating digital filter dır. Upsampling olayı aslında bir tür interpolasyondur. Bir nevi discrete noktalara yakın mesafelerden bir eğri geçirme işlemidir. Ama tabii bu işlem digital domain de yapıldığından örnekleme sayısının arttırılması gibi de düşünülebilir. Basit olarak düşünürsek örneğin standard cd formatında 16bit 44Khz müzik datası içinde peşpeşe gelen iki değer 16 ve 32 ise bu iki değerin arasına (16+32) / 2 = 24 şeklinde bir değer ilave etme işlemi upsampling dir. Bu işlemin sonucunda 88Khz lik upsample edilmiş bir veri elde etmiş oluruz. Bu işlemde word genişliğini arttırmaya ihtiyaç olmamıştır çünkü 16 ve 32 nin toplamının yarı bölümü tam bir değer vermektedir. Ama şayet peşpeşe gelen bu iki değer 17 ve 32 olsaydı toplamın yarıya bölümü kesirli bir değer verecekti ve elde edeceğimiz değeri 16 bitlik bir word e yerleştirdiğimizde yuvarlama yapıyor olacaktık. İşte bu yüzden pek çok upsampling chip i upsample işlemini yaparken aynı zamanda word genişliğini de arttırır ki kesirli bir değerde yuvarlama yapılmasın ve hata oluşmasın. O yüzden pek çok DAC upsampling sonrasında cd lerdeki standard 16 bitlik word genişliğini 18 bit 20 bit veya 24 bit e taşır. Yine bu bilgiye dayanarak önceden üretilen Philips TDA1541 ve onun eşleğini SAA7220 nin 16 bit olmasından dolayı bu eski entegrelerde upsampling sonrasında yuvarlama hatalarının olabileceğini tespit edebiliriz. Diğer taraftan 16 bitlik dac chip lerini paralel kullanarak çok daha geniş bit uzunluklarına ulaşma teknikleri vardır. Burada belirtilmesi gereken önemli bir konu da upsampling & digital filter entegrelerinin dac entegresinden bağımsız düşünülemeyeceğidir. Upsamping sonrasında elde edilen sayısal müzik datasının word genişliği ve hızı mutlaka dac entegresiyle uyumlu olması gerekir. Örneğin upsampling sonrası 24 bit 192 Khz bir output elde ediliyorsa dac entegresinin de bunu kabul edebilir yetenekte olması gerekir. Dolayısıyla upsampling entegreleriyle dac entegreleri uyumlu olarak üretilirler. Digital filtreleme konusuna gelirsek teorik olarak bir cd kaydı içinde 22Khz in üstünde bir ses sinyali olmaması gerekir ama pratikte cd yapımı aşamasında veya okuma sırasında bu tür parazit sinyaller audio sinyalinin arasına karışabilmektedir. O yüzden kulağın 13

14 duyamayacağı 22 Khz nin üstündeki sinyallerin ortadan kaldırılması esastır. Digital ortamda oversampling sonrasında bu tür parazit sinyallerin filtrelenmesi analog ortama göre çok daha kolay yapıldığından hemen her upsampling chip i aynı zamanda digital filter olarak da çalışır ve 22 Khz in üstündeki sinyalleri yok eder. Şekil 8 deki örnekte (yukarıda) 8x upsample sırasındaki Curve Fitting (eğri geçirme) işlemlerini görüyoruz. Curve Fitting işlemi upsampling in ve hatta DAC ın en önemli aşamalarından birisidir. Curve fitting digitalden analog a çevrim öncesinde temel alınacak sayısal noktaları belirleyen aşamadır. Bu işlemin nasıl yapıldığı konusunda üreticiler pek fazla bilgi vermezler. Ama şekilde de göreceğimiz gibi 16 bitlik cd datasını first order curve fitting işleminden geçirirsek orijinalden oldukça uzak bir sinyal şekli elde ederiz. Order seviyesi arttıkça upsample edilmiş noktalardan oluşacak eğrinin orijinale yaklaştığını, 12th order curve fitting de ise ideal eğrinin yakalandığını görüyoruz. 12th order teoride çok uygun gözükse de pratikte gerçekleştirilmesi son derece zordur. Pek çok bilinen oversampling digital filter entegresi bilinen yöntemlerle interpolasyon yaparken bazı üreticiler bu aşamada kendilerine özel bazı farklı yöntemlerle upsampling yapar. Bunlardan bazıları Wadia, DCS, ARC v.s. gibi hi-end üreticilerdir. Örneğin Wadia da 2x, 4x veya 8x upsampling den çok daha yüksek bir oranla 64x olarak upsampling yapılmaktadır. 64x olarak yapılan upsampling yöntemi de yukarıdaki şekilde verilen 12th order curve fitting e oldukça uygun yapıldığından neredeyse orijinale çok yakın bir sinyal elde edilmektedir. Bana göre bu konu içinde bahsedilmesi gereken bir de JVC nin Victor Company ile ortaklaşa geliştirdirdiği K2 processor bulunur. Digital K2 processor digital audio sinyalinin işlendiği her aşamada kullanılabilir. CD üretiminde, playback aşamasında upsampling sırasında v.s.. Özelliği digital sinyalin içindeki parazitleri ve jitter ı özel bir teknikle düzeltiyor olmasıdır. Bu tekniğin patent i JVC e aittir ve paylaşılmamıştır. Şekil 9 da Digital K2 fonksiyonunu görebiliriz. Şekil 9 JVC Digital K2 Processor Konuyu sonlandırırken tekrar konunun başına dönersek NOS DAC lar oversampling yapan dac lardan daha başarılıdır veya değildir diyemeyiz. Her iki tarafta da çok başarılı dac lar mevcuttur. Örneğin TDA1541 ile yapılmış olan Zanden NOS DAC ses kalitesi son derece başarılıyken oversampling yapan Accustic Arts tube dac da çok başarılıdır. C. Dac Bölümü (Digital den Analog a çevirim) Digital den Analog a dönüşümde kullanılan entegrelerde temel olarak iki ayrı teknik kullanılır. 1 Bit Dac lar ve R-2R Dac lar. 1 Bit dac ların 2-3 bit olarak türevleri de bulunur ama temelde bunlar da Delta Sigma modulasyonu kullandıkları için aynı sınıfa girerler. R-2R dac lar word genişliği kadar biti bir anda process edip analog değere erişirler. Bir sonraki analog değer de aynı yöntemle hesaplanır ve genelde bir integratör yöntemi vasıtasıyla peşpeşe gelen iki analog değer smooth laştırılır ve akıcılık sağlanır. 1 Bit dac lar tamamen farklı çalışırlar. Aslında standard 16 bitlik PCM Redbook cd formatı R- 2R dac lara çok uygunken 1 bit dac lara bu yapı hiç uymaz 1 bit in kodlaması çok farklıdır. 1 bit kodlamayı sacd medyasında dsd olarak görebiliriz. Cd formatındaki datanın 1 bit dac ile process edilmesi için 16 bitlik audio datasının yeniden 1 bit olarak encode edilmesi gerekmektedir. 1 Bit dac ların çalışma prensibi 14

15 temelde son gelen bitin değerine göre anlık olarak mevcut analog değeri arttırılıp azaltılması şeklindedir. 1 Bit dac ların çalışma prensibini anlamak için şekil 6 daki Delta Modulation Coding i inceleyebiliriz. Şekil 10 da sinus olarak gördüğümüz bir analog sinyalin direkt olarak 1 bit encode edilme işlemini (adc) görüyoruz. Şekil 11 de de gördüğümüz üzere örneklenip hesaplanan her yeni değer bir önceki seviye ile karşılaştırılır. Yeni seviye sample edilen önceki değerden daha büyükse son defa encode edilen 1 bit negatif olarak eklenir. Küçükse 1 bit pozitif olarak eklenir. Sonuç olarak delta dediğimiz çok küçük farklar negatif veya pozitif olarak eklenerek 1 bit kodlama yapılır. Ve bu şekilde Şekil 6 da yeşil renkte gördüğümüz 1 bit kodlama mavi renkteki analog sinyali temsil edebilmektedir. Yine bu şekilden bir örnek vermek gerekirse t=1.1 anındaki değer dir. Sistemin hafızasında önceki değer olarak tuturken t=1.11 anına geldiğimizde değerini elde edersek bu iki değerin farkına bakarız ve fark negatif olduğundan eklenecek 1 bit negatiftir diyebiliriz. Böylelikle her yeni gelen değer için (+) veya (-) olarak 1 bit eklenerek dsd stream oluşturulur. Şekil 11 - Düşük Frekanslı 1 Bit Kodlama Delta Modulasyonun daha fazla geliştirilmiş ve bugün piyasadaki 1 bit dac larda kullanılan şekli Sigma Delta modulasyonudur. Temel olarak aynı prensiple çalışır. Burada dikkat edilmesi gereken husus delta modulasyon yaparken örnekleme frekansını belli bir değerin altına düşüremeyeceğimizdir. Redbook CD Audio sinyali için 16 bit/44 Khz yeterli olurken, 1 Bit encoding yapılacaksa 44 Khz son derece yetersiz kalır. Zaten teorik olarak da baktığımızda aynı resolution u yakalamak için 1 bit için en az 704 Khz kullanılmalıdır (16x44Khz=1x704Khz). Günümüzde piyasada Sacd olarak karşımıza çıkan dsd formatında bu standardın biraz daha üstüne çıkılmış ve Mhz kullanılmıştır. Bu resolution un PCM olarak karşılığı en kötü durumda yaklaşık 16/88 Khz dir. Ancak dsd nin yapısı gereği bu karşılaştırma çok doğru olmaz, 1 Bit dsd e haksızlık yapmış oluruz.1 Bit dsd formatı 16/44 PCM sinyalinden çok daha fazla resolution a sahiptir çünkü dsd kodlaması gereği analog sinyalin çok fazla inişli çıkışlı olmadığı durumlarda 16 bitin göreceği işi 1 bit ile dahi görebilirsiniz. Analog sinyal tepedentepeye seyrettiği durumlarda ise 1 bit dsd nin bu avantajı kaybolur ama tabii yine de en kötü durumda bile 16/88Khz standardını yakaladığından bir sorun teşkil etmez. 1 Bit kodlamayı olması gerekenden daha düşük bir frekansta uygulamaya kalkarsak şekil 8 deki durum oluşur. 1 Bit kodlama analog sinyalin gerisinde kalır. Şekil 10 1 Bit Delta Encoding Block Diagramı 15

16 Şekil 12 deki başlangıç noktasına baktığımızda hızla negatif tepe değerine inen analog sinyale yetişemeyen 1 bit kodlamayı görüyoruz. Bunun nedeni yeterince yüksek olmayan örnekleme frekansıdır. Genelde Sigma Delta Modulasyonuyla 1 bit çalışan dac ların hemen hepsinde 1.4 Mhz veya 2.8 Mhz gibi yüksek değerleri tespit edebiliriz. R-2R Dac lar 1 Bit dac lara göre daha eski ve basittirler. Kolay anlaşılır bir çalışma prensibi vardır, word genişliği kadar bitler dizilir ve aynı anda process edilerek analog değere ulaşılır. Şekil 12 de 5 bitlik R-2R resistor network u görüyoruz. Bu resistor network unu 16 bitlik veya 24 bitlik de düşünebiliriz. Bit sayısı artsa da çalışma prensibi yine aynı şekilde olacaktır. Herbir clock cycle ında bu direnç networku kullanılarak analog değer hesaplanır ve çıkışa verilir. Burada önemli olan dirençlerin karakteristiklerinin bozulmaması herzaman aynı değerde kalmalarıdır. O yüzden bu dirençler çok özel seçilirler. Ama yine de 24 bitlik bir R-2R dac da fazlasıyla direnç olacağını bu dirençlerin hepsinin hatasız çalışması gerektiğini dikkate almamız gerekir. az elemanla ve daha kolay bir şekilde yapıldığından R-2R dac lara uygun olup 1 bit dac a hiç uygun olmayan cd datası günümüzde yeniden 1 bit olarak encode edilerek 1 bit dac lara uyumlu hale getirilmek suretiyle analog conversion yapılmaktadır. Daha sonradan çıkan dsd formatında ise direkt olarak 1 bit formatı kullanılmıştır. Şekil 13 R-2R Resistor Network R-2R dac entegresi örneği olarak pek çok hiend cihazda kullanılan TI BB PCM1704 ü, 1 Bit dac örneği olarak da yine TI BB den DSD1700 ü verebiliriz. Bunların yanında yine Delta Sigma Modulasyonu prensibiyle çalışan (1 bit mantığıyla) multi bit dsd özellikli Analog Devices dan AD1853 ve Wolfson dan WM8740 entegreleri de yaygın olarak kullanılmaktadır. Multibit dsd veya 1 bit çalışan dac entegrelerinin pek çoğu yukarıda daha önce de bahsettiğim gibi input olarak veya 24 bit olarak datayı kabul eder, kendi içinde dsd kodlamasını yapar ve sayısal sinyali bundan sonra analog a dönüştürür. Şekil 12 - Düşük Frekanslı 1 Bit Kodlama R-2R dac larla 1 Bit dac ları karşılaştırdığımızda birisi diğerine göre daha üstündür diyemeyiz her iki dac türünden de çok iyi örnekler vardır ama 1 bit dac larda analog a çevirim çok daha D. Conversion & Analog Filtering Sinyal sayısal dan analog a dönüştürülme esnasında elemanlar birbirini etkilemesin, gürültü oluşmasın diye elektriksel seviye genellikle çok düşük tutulur ve akım 16

17 prensibiyle çalışılır. Bu sinyalin çıkışa verilmesi olanaksızdır, yükseltilmesi gerekir ancak bunun istisnaları da vardır. Örneğin BB PCM56 dac entegresinin içine yerleştirilmiş olan opamp ı sayesinde bu entegre direkt olarak dışarı çıkış verebilir. olarak analog kayıt dünyasının standard larını yakalamak olmuştur. Analog a dönüşümden hemen sonra analog değer yükseltilirken ilk aşamada pek çok üretici opampları tercih eder, çünkü opampların giriş empedansları çok yüksektir ve dolayısıyla giriş işaretine olan etkisi minimal olur, orijinalliği bozulmaz. Bu işlem aslında bir akım gerilim dönüşümüdür, o yüzden I/V conversion ( I (akım) V (Gerilim)) olarak adlandırılır. Yine bu aşamada analoga dönüşüm sırasında faz değişmişse faz düzeltme işlemi de yapılır. Yükseltilme işlemi yapılırken aynı zamanda analog filtreleme de yaygınlıkla yapılan bir işlemdir. Bu filtre çok keskin tercih edilmez zira üstlerin kırpılma riski vardır. Yükseltme ve analog filtreleme opamp larla yapıldığı gibi discrete transistorlarla da yapılabilir. Sonuçta zaten opamplar da transistorlardan meydana gelmektedir. O yüzden çıkışın transistorlu ve opamplı olması benzer sonucu doğurur. Bütün bunlardan farklı olarak dac çıkışında lamba katı kullanımı da bir tercih sebebidir. Bu şekil kullanıma tube buffer adı verilmektedir. Aslında tube buffer dac içinde olabileceği gibi dışarıdan external bir kutuyla da yapılabilir. Dışarıdan tube buffer kullanırken DAC kutusu içindeki yükseltme bölümündeki katların çok fazla sayıda olmaması ve tube buffer ın da çok fazla kattan yapılmış olmaması uygun olacaktır. Diğer türlü analog audio sinyali gereksizce çok fazla elemandan geçerek anfiye ulaşır bu da sese negatif etki edecektir. Sonuç olarak bir taraftan sürekli gelişen dac teknolojilerinin yanında hala çok eski dac entegreleriyle oldukça başarılı dac kutuları yapılabilmektedir. En nihayetinde duyduğumuz ses önemli olduğuna göre kesin olarak bu dac teknolojisi şu dac teknolojisinden daha iyi diyemiyoruz. Bununla birlikte dac teknolojilerinin amacı sürekli 17

18 D.A.C. Devreleri 2. Ağırlık Dirençli Tip DAC 1. R-2R Merdiven Tip DAC Bu devrede dirençlerin değerlerinin R-2R olarak sıralanması ve çıkış dalga şeklinin merdiven basamağı şeklinde artması sebebiyle bu tip çeviriciler R-2R merdiven tipi D/A çevirici adını alır. Şekil 14 te verilen R-2R merdiven tip DAC devresinde X ile gösterilmiş düğüme A,B,C ve D ile gösterilmiş dijital girişlerin etkileri farklıdır. Önünde çok direnç değeri olan dijital giriş X noktasına daha az akım ulaştıracaktır ve bunun sonucu olarak da çıkıştaki etkisi daha az olacaktır. D en değerliksiz bit (LSB) olup devrenin çözünürlüğünü belirler. Referans geriliminin 16 da 1 i kadar çıkışı etkiler. Her bir basamak değeri D nin etkilediği değer kadar artar. A ise en değerlikli bit (MSB) olup çıkışa tam skala değerinin yarısı olarak etki eder. Şekil 15 - Ağırlık dirençli tip DAC Bu devrede dirençlerin değerlerinin ağırlık dirençli olarak sıralanması dijital girişlerin önüne koyulan dirençlerin, dijital girişin çıkışa yansıtılma oranını ile ters orantılı bir şekilde belirlenmesinden kaynaklanır. Dirençler arasındaki oran belirlenirken 2 nin katları şeklinde gidilmesi gereklidir. Şekil 15'te verilen ağırlık dirençli tip DAC X ile gösterilmiş düğüme A,B,C ve D ile gösterilmiş dijital girişlerin etkileri farklıdır. Önünde yüksek direnç değeri olan dijital giriş X noktasına daha az akım ulaştıracaktır ve bunun sonucu olarak da çıkıştaki etkisi daha az olacaktır. D en değerliksiz bit (LSB) olup devrenin çözünürlüğünü belirler. Referans geriliminin 16 da 1 i kadar çıkışı etkiler. Her bir basamak değeri D nin etkilediği değer kadar artar. A ise en değerlikli bit (MSB) olup çıkışa tam skala değerinin yarısı olarak etki eder. Şekil 14 - R-2R merdiven tip DAC 18

19 3. DAC Entegreleri 3.1. DAC 0800 DAC0800 entegresi yüksek hızda çalışan 8 bit dijital veriyi analog veriye çevren bir entegre devredir. Simetrik bir güç kaynağı ile beslenmelidir. Referans geriliminin 40 da 1 i kadar çıkışı etkiler MC1408 Çok popüler ve ucuz bir entegre devre D-A çevirici MC1408 veya eş değeri olan DAC0808 dir. MC1408 standart 16 bacaklı DIP paket olarak gelir ve +5V luk Vcc ile minimum -5V, maximum -15V luk VEE gerilimi gerektirir. MC1408 de, bir R/2R merdiven tipi D/A çevirici, akım yükseltecinden gelen referans akımını, 8 ikilik ağırlıklı akıma böler. Bipolar transistör anahtarlar (A1-A8), girişlerindeki ikilik bilgiye göre ikilik ağırlıklı akımları çıkış hattına bağlar. Şekil 16 - DAC 0800 entegresini yapısı ve devresi En yüksek değerlikli biti taşıyan girişin A1, en düşük değerlikli taşıyan girişin A8 ile gösterilmiştir. MSB ve LSB etiketlendirilmeleri normal etiketlendirilmenin tersinedir. Bu nedenle kullanılacak bir entegrenin veri sayfası dikkatle incelenmelidir. Şekil 17 MC1408 in blok diyagramını, bacak bağlantısını ve tipik uygulamasını göstermektedir. MC1408 in bir işlemsel yükselteç (op-amp) ve bir dirençle gerilime çevrilebilen akım çıkış vardır. 19

20 Şekil 17 - MC1408 entegresini yapısı ve devresi ZN425E ZN 425E entegresi hem analog dijital hem de dijital analog çevrim için kullanılabilen bir entegredir. Entegre 8 nu lı ayağından uygulanan 5V gerilimle çalışır.8 bit dijital girişe sahiptir.kendi ürettiği 2.5V referans gerilimine sahiptir.dijital analog çevrimi sırasında clock palsine gerek duymaz.analog dijital çevirici olarak çalıştığında 4 nu lu ayağından clock palsi verilir ve içindeki 8 bit lik sayıcı devreye girer.sayıcı 3 nu lu bacaktan resetlenebilir.2 nu lı bacak ise entegrenin çalışma modunu ayarlamak için kullanılır. 20