Audio za pomocą PWM, jaka jest za tym zasada?

Widziałem schemat karty PIC, która wykorzystuje filtrowany PWM do dostarczania wyjściowego sygnału audio do gniazda audio. Pokazuje moc wyjściową PWM filtrowaną za pomocą 3 stopni pasywnego filtra RC, a następnie stopień LM386. Mam następujące pytania:

Zwykle sygnał audio miałby sumowane wiele częstotliwości jednocześnie. Jak to robi PWM?
Czy jakość dźwięku jest tak dobra, jak przy użyciu PCM z przetwornikiem cyfrowo-analogowym, filtrem i wzmacniaczem?
Ponieważ ta technika wygląda i jest tak wygodna, dlaczego wszystkie urządzenia audio nie używają jej do oszczędzania pieniędzy i kosztów, w tym kart dźwiękowych w komputerach?

audio pwm pcm

— quantum231
źródło

Możesz przeczytać artykuł w Wikipedii o wzmacniaczach klasy D

— PlasmaHH

Jeśli używasz lm386 jako wzmacniacza, to jakość dźwięku będzie słaba niezależnie od tego

— JIm Dearden

@PlasmaHH ... czy to Maxim app uwaga na wzmacniaczach klasy D .

— Nick Alexeev

W przypadku układu fali prostokątnej o zmiennej częstotliwości należy sprawdzić modulację delta-sigma lub sigma-delta. Działa z ADC i DAC i może być prawie całkowicie cyfrowym systemem do implementacji DAC.

— user2943160,

1A) Jak pojedynczy sygnał analogowy może zawierać wiele częstotliwości sumowanych jednocześnie? 1B) Jak PWM może aproksymować pojedynczy sygnał analogowy?

— user253751

Odpowiedzi:

Zwykle sygnał audio miałby sumowane wiele częstotliwości jednocześnie. Jak to robi PWM?

Sygnał audio zawierający spektrum wielu częstotliwości jest nadal tylko sygnałem audio, który może być próbkowany przez ADC i odtwarzany przez DAC. Pod warunkiem, że zastosowana częstotliwość próbkowania jest wyższa niż dwukrotność najwyższej częstotliwości audio, wtedy wszystko jest w porządku. DAC, który wykorzystuje techniki PWM, nie jest inny. W każdym cyklu fali PWM stosunek znacznika do przestrzeni musi dokładnie „reprezentować” chwilowy sygnał analogowy, a pojedynczy cykl PWM musi być krótszy niż połowa okresu najwyższego sygnału audio:

Powyżej jest prostą reprezentacją 3 poziomów DC za pomocą PWM. Oczywiście, jeśli częstotliwość PWM jest „wysoka”, te trzy poziomy można uznać za część złożonego przebiegu prądu przemiennego. Mamy nadzieję, że dokładnie zauważysz, że dokładne kontrolowanie proporcji znak-przestrzeń PWM ma naprawdę zasadnicze znaczenie dla uzyskania niskich zniekształceń dźwięku.

Czy jakość dźwięku jest tak dobra, jak przy użyciu PCM z przetwornikiem cyfrowo-analogowym, filtrem i wzmacniaczem?

Tradycyjnie nie, ale jest coraz lepiej.

Ponieważ ta technika wygląda i jest tak wygodna, dlaczego wszystkie urządzenia audio nie używają jej do oszczędzania pieniędzy i kosztów, w tym kart dźwiękowych w komputerach?

Kontrolowanie dokładności współczynnika PWM jest dość trudne do uzyskania naprawdę dobrej jakości hi-fi, a przy wzmacniaczach klasy D odrzucenie zasilania wciąż jest dość trudnym wyzwaniem. Zobacz powyższy obrazek - jeśli szyna zasilająca 5 V podwoi się, to zysk również się podwoi - teraz wyobraź sobie, że zamiast po prostu podwoić, miałeś na sobie szydełkowy hałas - to bezpośrednio moduluje twój sygnał audio i wytworzy bardzo zauważalny efekty.

— Andy aka
źródło

Cykl pracy kontroluje amplitudę i częstotliwość chwilową pwm równą częstotliwości chwilowej sygnału, prawda?

— quantum231

Częstotliwość przełączania PWM MUSI być wyższa niż dwukrotność najwyższej obecnej częstotliwości audio, aby zapobiec aliasingowi (zgodnie z próbkowaniem częstotliwości NYQUIST): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate i en.wikipedia.org/wiki/Aliasing oraz cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html

— Andy alias

„częstotliwość chwilowa” nie ma sensu. Modulacja wyjściowa PWM odbywa się poprzez ustalenie bardzo wysokiej częstotliwości PWM i zmianę cyklu pracy w celu dopasowania do pożądanego analogowego poziomu wyjściowego w każdym okresie próbkowania.

— pjc50

Jak więc zmieniamy cykl pracy stałej częstotliwości pwm, wygenerujemy sygnał o amplitudzie, która zmienia się proporcjonalnie, a zatem składowa częstotliwości końcowej sygnału jest kontrolowana przez to, jak szybko zmieniamy cykl pracy sygnału pwm? NIESAMOWITE!!!

— quantum231

@vaxquis Nie zgadzam się. Każdy cykl PWM może mieć znacznik odstępu przestrzennego o dowolnej głębokości precyzji, dla której został zaprojektowany, niezależnie od prędkości sygnału analogowego. To tak, jak konwencjonalny przetwornik cyfrowo-analogowy - sygnał może mieć rzadkie próbkowanie, ale głębokość bitów (czyli rozdzielczość cyklu pracy) pozostaje niezmieniona. Może nie wyjaśniłeś się zbyt dobrze?

— Andy aka

PCM z przetwornikiem cyfrowo-analogowym, filtrem i wzmacniaczem

Zależy to od wewnętrznej budowy twojego przetwornika cyfrowo-analogowego. Większość przetworników DAC z kartami dźwiękowymi będzie korzystała z modulacji sigma-delta, która przypomina PWM, ponieważ jest to jednobitowy sygnał włączany i wyłączany z dużą prędkością przez filtr, ale za pomocą inteligentniejszego algorytmu zapewniającego prawidłowy poziom wyjściowy i szybkość narastania.

Ten przykładowy kodek danych karty dźwiękowej ma ładny schemat na pierwszej stronie.

Możesz uzyskać całkiem przyzwoity dźwięk z czystego PWM, jeśli PWM jest wystarczająco szybki. Musi mieć częstotliwość PWM znacznie wyższą niż najwyższa żądana częstotliwość audio w regionie MHz.

Zobacz Konwersja PWM na sygnał analogowy

— pjc50
źródło

Cykl roboczy PWM jest wprost proporcjonalny do amplitudy sygnału, w jaki sposób reprezentowana jest częstotliwość sygnału audio?

— quantum231

Tak, cykl pracy PWM daje poziom sygnału, więc jeśli traktujesz każdy okres 1 / 40000s jako „próbkę” i dostosowujesz poziom PWM z tą szybkością, możesz udawać, że wyprowadzasz poziom analogowy w każdym momencie. Ponownie, częstotliwość PWM musi być znacznie szybsza niż częstotliwość próbek audio do odtwarzania.

— pjc50

@ quantum231: Zapomnij na chwilę o PWM i rozważ kodowanie cyfrowe, w którym 1 oznacza wzrost napięcia, a 0 spadek napięcia. Łatwo jest sobie wyobrazić, jak narysować dowolny przebieg, łącząc jedynki i jedynki. To nie będzie dokładne, ale wystarczająco dobre. Zasysa absolutną ciszę, ponieważ tak naprawdę nie może zakodować „bez zmiany napięcia”, ale działa dobrze z większością przebiegów audio.

— slebetman

@slebetman Czym się różnisz od modulacji gęstości DSD / pulsu? Używa nic, ale 0 (brak wyjścia) i 1 (pełne wyjście), ale jakość na poziomie CD wymaga megabitów (liczba mnoga) przepustowości. Jeśli uważasz, że PWM wymaga bardzo wysokiej częstotliwości próbkowania, aby zbliżyć się do tradycyjnego 16-bitowego PCM, zajmie to jeszcze więcej.

— Meower68

@ Meower68 Opisuję kodowanie delta. Prostsza forma kodowania różnicowego od kodowania delta-sigma stosowana w DSD. Tak, w zasadzie opisuję DSD. Ale PWM w połączeniu z kondensatorem działa w ten sam sposób. OP pyta, w jaki sposób okres PWM zamienia się w napięcie - opisuję jedynie mechanizm, który za tym stoi. Technicznie DSD różni się nieco od czystego kodowania PWM

— slebetman