Para entender por que usar um conversor D/A de 1 bit, é útil saber um pouco sobre o processo de conversão digital para o analógico. Em um CD (e qualquer outra tecnologia de gravação digital), o objetivo é criar uma gravação de alta fidelidade (o sinal original e o sinal reproduzido devem ser muito semelhantes) e reprodução perfeita (a gravação soa da mesma maneira toda vez que é executada, não importa quantas vezes seja executada). Para atingir estes dois objetivos, a gravação digital converte a onda analógica em uma série de números e grava estes números em vez da onda. A conversão é feita por um dispositivo chamado conversor analógico-digital (ADC). Para reproduzir a música, a série de números é convertida novamente para a onda analógica por um conversor digital-analógico (DAC). A onda analógica produzida pelo DAC é amplificada e enviada para os alto-falantes para produzirem o som.

Quando você converte a onda com um conversor analógico-digital, você pode controlar duas variáveis:

  • taxa de amostragem (sampling rate) - controla a quantidade de amostras por segundo;
  • quantização (sampling precision) - controla a quantidade de gradações diferentes (níveis de quantização) possíveis em um som.
Na figura a seguir, vamos supor que a taxa de amostragem é de 1.000 samples por segundo e a quantizaçao é 10:


Os retângulos verdes representam o som. A cada milésimo de segundo, o conversor olha para a onda e escolhe o número mais próximo entre 0 e 9. O número escolhido é exibido abaixo da figura. Esses números são a representação digital da onda original. Quando o conversor digital-analógico recria a onda a partir desses números, a figura seguinte exibe uma linha azul.


Você pode perceber que a linha azul perdeu alguns detalhes em relação à linha vermelha, o que significa que a fidelidade da onda reproduzida não é muito boa. Isso é conhecido como erro de conversão ou erro digital. Você pode reduzir o erro digital aumentando a taxa de amostragem e a quantização. Na figura seguinte, tanto a taxa como a quantização foram multiplicadas por 2 (20 gradações com uma taxa de 2.000 samples por segundo):


Na figura seguinte, a taxa e a quantização foram dobradas novamente (40 gradações e 4.000 samples por segundo):


Você pode perceber que, ao aumentar a taxa de amostragem e a quantização, a fidelidade (similaridade entre a onda original e a informação gerada pelo conversor digital-analógico) aumenta. No caso do CD, a fidelidade é um fator importante, por isso, a taxa de amostragem é de 44.100 samples por segundo e o número de gradações é 65.536. Com estas taxas, a informação gerada pelo conversor é tão parecida com a onda original que o som se torna "perfeito" para a maioria dos ouvidos humanos.

O conversor digital-analógico usa um resistor diferente para cada bit. Um conversor digital-analógico de 4 bits precisa de 4 resistores funcionando juntos para oferecer um sinal analógico estável. Quando você chega aos níveis de 16 e até 32 bits encontrados em CDs e DVDs, o número de gradações necessárias por resistor torna muito difícil combinar os valores com precisão. Por exemplo, um conversor digital-analógico de 16 bits típico teria 16 resistores, exigindo um total de 65.536 gradações.

O que um conversor D/A de 1 bit faz é permitir que a conversão de digital para analógico aconteça sem a necessidade de todos esses resistores extras. Essencialmente, esse tipo de conversor digital-analógico não usa um conjunto de resistores funcionando ao mesmo tempo. Em vez disso, cria um sinal cuidadosamente modulado a partir do sinal digital. O conversor depende da formatação do som (noise shaping), um fenômeno que se aproveita da incapacidade do ouvido humano de perceber o som quando ele ocorre em freqüências mais altas. Basicamente, o ouvido humano é mais sensível para sons de 5 KHz, e é quase incapaz de percebê-los a 20 KHz.

Uma parte essencial do conversor é um circuito chamado modulador delta-sigma, que pega os sinais binários (1s e 0s) do CD e os transforma em um pulso estável, chamado de seqüência de pulso. A seqüência de pulso contém uma média da mudança na quantidade de energia representada no som. Um filtro de baixa freqüência remove todas as informações de tempo e domínio e recupera apenas a energia média da seqüência de pulso que o alimenta. A chave aqui é entender que a forma de onda da seqüência de pulso é medida em uma freqüência bem alta comparada com os 44.1 KHz da taxa do som. A seqüência de pulso é enviada através do conversor digital-analógico e transformada em um sinal analógico.

O circuito delta-sigma tem duas seções principais:

  • o delta recebe os sinais digitais que entram e monitora a seqüência de pulso que sai. Ele cria um sinal de erro, que é baseado na diferença entre o sinal binário que entra e a seqüência de pulso que sai;
  • o sigma soma os resultados do sinal de erro criados pelo delta e fornece essa soma para o filtro de baixa freqüência.

O sinal de erro é usado pelo filtro de baixa freqüência para normalizar o sinal analógico. Basicamente, isso significa que os ajustes de minuto são feitos no sinal analógico para compensar as diferenças entre o sinal binário e a seqüência de pulso.

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