Audio utilizzando PWM, qual è il principio alla base?

Ho visto uno schema di una scheda PIC che utilizza PWM filtrato per fornire il segnale di uscita audio a un jack audio. Mostra l'uscita PWM filtrata usando 3 stadi del filtro RC passivo seguito da uno stadio LM386. Ho le seguenti domande:

Di solito un segnale audio dovrebbe sommare più frequenze contemporaneamente. Come lo fa PWM?
La qualità audio è buona come usare PCM con DAC, filtro e amplificatore?
Dal momento che questa tecnica sembra ed è così conveniente, perché non tutti i dispositivi audio lo usano per risparmiare denaro e costi, comprese le schede audio nei computer?

audio pwm pcm

— quantum231
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Potresti voler leggere l'articolo di Wikipedia sugli amplificatori di classe D

— PlasmaHH,

Se stai usando un lm386 come amplificatore, la qualità audio sarà scarsa a prescindere

— JIm Dearden

@PlasmaHH ... o questo Maxim applicazione nota sulla amplificatori di Classe D .

— Nick Alexeev

Per un sistema di onde quadre a frequenza non costante, cercare la modulazione delta-sigma o sigma-delta. Funziona con ADC e DAC e può essere un sistema quasi completamente digitale per l'implementazione di un DAC.

— user2943160

1A) Come può un singolo segnale analogico contenere più frequenze riassunte contemporaneamente? 1B) In che modo PWM può approssimare un singolo segnale analogico?

— user253751

Risposte:

Di solito un segnale audio dovrebbe sommare più frequenze contemporaneamente. Come lo fa PWM?

Il segnale audio che contiene uno spettro di frequenze multiple è ancora solo un segnale audio che può essere campionato da e ADC e ricreato da un DAC. Fornire la frequenza di campionamento utilizzata è superiore al doppio della frequenza audio più elevata, quindi tutto va bene. Un DAC che utilizza tecniche PWM non è diverso. In ogni ciclo della forma d'onda PWM, il rapporto tra mark-to-space deve "rappresentare" accuratamente il segnale analogico istantaneo e un singolo ciclo PWM deve essere più breve nel tempo rispetto alla metà del periodo del segnale audio più alto: -

Quanto sopra è una semplice rappresentazione di 3 livelli DC utilizzando PWM. Chiaramente se la frequenza PWM è "alta", questi tre livelli possono essere considerati parte di una forma d'onda CA complessa. Spero che tu possa vedere che il controllo accurato del rapporto spazio-segnale PWM è davvero fondamentale per ottenere una bassa distorsione audio.

La qualità audio è buona come usare PCM con DAC, filtro e amplificatore?

Tradizionalmente no, ma sta migliorando.

Dal momento che questa tecnica sembra ed è così conveniente, perché non tutti i dispositivi audio lo usano per risparmiare denaro e costi, comprese le schede audio nei computer?

Controllare l'accuratezza del rapporto PWM è piuttosto difficile ottenere una qualità hi-fi davvero buona e con il rifiuto dell'alimentazione degli amplificatori di classe D è ancora una sfida piuttosto difficile. Guarda l'immagine incorporata sopra - se la power rail da 5 V raddoppia, allora anche il guadagno raddoppia - ora immagina che invece di raddoppiare semplicemente, hai avuto un carico di rumore schifoso su quella rail - questo modulerebbe direttamente il tuo segnale audio e creerebbe un notevole effetti.

— Andy aka
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Il duty cycle controlla l'ampiezza e la frequenza istantanea pwm è uguale alla frequenza istantanea del segnale, giusto?

— quantum231,

La frequenza di commutazione PWM DEVE essere superiore al doppio della frequenza audio più alta presente per prevenire l'aliasing (secondo il campionamento della frequenza di nyquist): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate e en.wikipedia.org/wiki/Aliasing e cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html

— Andy aka

La "frequenza istantanea" non ha senso. La modulazione di uscita di PWM viene effettuata avendo una frequenza PWM molto elevata fissa e variando il ciclo di lavoro in modo che corrisponda al livello di uscita analogica desiderato ad ogni periodo di tempo del campione.

— pjc50,

Quindi con quale velocità variamo il ciclo di lavoro della frequenza fissa pwm, generiamo un segnale con ampiezza che varia proporzionalmente e quindi, la componente di frequenza del segnale finale è controllata da quanto velocemente cambiamo il ciclo di lavoro del segnale pwm? ECCEZIONALE!!!

— quantum231,

@vaxquis Non sono d'accordo. Ogni ciclo di PWM può avere un rapporto spazio-segno di qualunque profondità di precisione sia progettato indipendentemente dalla velocità del segnale analogico. È proprio come un DAC convenzionale: un segnale può avere un campionamento scarso ma la profondità di bit (ovvero la risoluzione del duty cycle) non viene influenzata. Forse non ti sei spiegato molto bene?

— Andy aka

PCM con DAC, filtro e amplificatore

Questo dipende da come il DAC è costruito internamente. La maggior parte dei DAC della scheda audio utilizzerà la modulazione sigma-delta, che ricorda PWM in quanto è un segnale a un bit acceso e spento ad alta velocità attraverso un filtro, ma utilizzando un algoritmo più intelligente per garantire il livello di uscita e la velocità di risposta corretti.

Questo esempio di scheda tecnica del codec della scheda audio ha un bel diagramma nella prima pagina.

Puoi ottenere un suono abbastanza decente dal PWM puro se il tuo PWM è abbastanza veloce. Deve avere una frequenza PWM molto più alta della frequenza audio più alta che desideri, nella regione MHz.

Vedere Conversione di PWM in un segnale analogico

— pjc50
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Il duty cycle pwm è direttamente proporzionale all'ampiezza del segnale, come viene rappresentata la frequenza del segnale audio?

— quantum231,

Sì, il duty cycle PWM fornisce un livello di segnale, quindi se trattate ogni periodo di 1 / 40000s come un "campione" e regolate il livello di PWM a tale velocità, potete far finta di aver emesso un livello analogico in ogni momento. Ancora una volta, la frequenza PWM deve essere molto più veloce della frequenza dei campioni audio per la riproduzione.

— pjc50,

@ quantum231: dimentica PWM per un momento e considera una codifica digitale in cui 1 significa aumentare la tensione e 0 significa diminuire la tensione. È facile immaginare di disegnare una forma d'onda arbitraria mettendo insieme 1 e 0. Non sarà preciso ma abbastanza buono. Farà schifo per il silenzio assoluto poiché non può davvero codificare "nessuna variazione di tensione" ma funziona bene con la maggior parte delle forme d'onda audio.

— Slebetman,

@slebetman In che cosa differisci dalla modulazione DSD / Pulse Density? Utilizza nient'altro che 0 (nessun output) e 1 (output completo) ma la qualità a livello di CD richiede megabit (plurale) di throughput. Se pensavate che PWM richiedesse una frequenza di campionamento molto elevata per avvicinarsi al tradizionale PCM a 16 bit, ci vorrà ancora di più.

— Meower68,

@ Meower68 Sto descrivendo la codifica delta. Una forma più semplice di codifica differenziale dalla codifica delta-sigma utilizzata in DSD. Sì, in sostanza sto descrivendo DSD. Ma PWM accoppiato con un condensatore funziona allo stesso modo. L'OP sta chiedendo come il periodo PWM viene convertito in tensione - sto semplicemente descrivendo il meccanismo dietro di esso. Tecnicamente DSD è un po 'diverso dalla pura codifica PWM

— slebetman,