Üçüncü Bölüme Ulaşmak İçin Tıklayın
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 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 6 – Delta Modulation Coding
Şekil 6’da sinus olarak gördüğümüz bir analog sinyalin direkt olarak 1 bit encode edilme işlemini (adc) görüyoruz. Şekil 7’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 -0.75 ‘dir. Sistemin hafızasında önceki değer olarak -0.75 tuturken t=1.11 anına geldiğimizde -0.76 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 7 – 1 Bit Delta Encoding Block Diagramı
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 1.4112 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 tepeden tepeye 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 8 – Düşük Frekanslı 1 Bit Kodlama
Şekil 8’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 9’da 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.
Şekil 9 – R-2R Resistor Network
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.
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 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.
R-2R dac entegresi örneği olarak pek çok hi-end 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. Multi-bit dsd veya 1 bit çalışan dac entegrelerinin pek çoğu yukarıda daha önce de bahsettiğim gibi input olarak 16-20 veya 24 bit olarak datayı kabul eder, kendi içinde dsd kodlamasını yapar ve sayısal sinyali bundan sonra analog’a dönüştürür.
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 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.
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
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 olarak analog kayıt dünyasının standard’larını yakalamak olmuştur.
Reha Diri
DAC YAZI DİZİSİNİN TÜMÜNÜ OKUMAK İÇİN AŞAĞIDAKİ LİNKLERE TIKLAYINIZ
I- Digital Analog Çeviriciler Nedir, Input Bölümleri
II- Digital Analog Çeviriciler, Upsampling & Digital Filtering Bölümü
III – Digital Analog Çeviriciler; Digital’den Analog’a Çevirim
IV- Digital Analog Çeviriciler; Conversion & Analog Filtering
Bir yorum ekleyin