Áudio usando PWM, qual é o princípio por trás disso?

Eu vi um esquema de uma placa PIC que usa PWM filtrado para fornecer sinal de saída de áudio a uma tomada de áudio. Ele mostra a saída PWM filtrada usando 3 estágios do filtro RC passivo, seguidos por um estágio LM386. Tenho as seguintes perguntas:

Normalmente, um sinal de áudio teria várias frequências somadas simultaneamente. Como o PWM faz isso?
A qualidade do áudio é tão boa quanto usar o PCM com DAC, filtro e amplificador?
Como essa técnica parece e é muito conveniente, por que todos os dispositivos de áudio não usam isso para economizar dinheiro e custos, incluindo placas de som em computadores?

audio pwm pcm

— quantum231
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Você pode querer ler o artigo da Wikipedia sobre amplificadores classe D

— PlasmaHH 06/06

Se você estiver usando um LM386 como seu amplificador, em seguida, a qualidade de áudio vai ser pobre independentemente

— JIm Dearden

@PlasmaHH ... ou esta nota app Maxim em amplificadores Classe D .

— Nick Alexeev

Para um sistema de onda quadrada de frequência não constante, procure a modulação delta-sigma ou sigma-delta. Ele funciona para ADCs e DACs e pode ser um sistema quase completamente digital para implementar um DAC.

— user2943160

1A) Como um único sinal analógico pode conter múltiplas frequências somadas simultaneamente? 1B) Como o PWM pode aproximar um único sinal analógico?

— user253751

Respostas:

Normalmente, um sinal de áudio teria várias frequências somadas simultaneamente. Como o PWM faz isso?

O sinal de áudio que contém um espectro de múltiplas frequências ainda é apenas um sinal de áudio que pode ser amostrado pelo ADC e recriado por um DAC. Se a taxa de amostragem usada for maior que o dobro da frequência de áudio mais alta, tudo ficará bem. Um DAC que usa técnicas de PWM não é diferente. Em qualquer ciclo da forma de onda PWM, a relação marca / espaço deve "representar" com precisão o sinal analógico instantâneo e um único ciclo PWM deve ter um tempo menor que a metade do período do sinal de áudio mais alto: -

A descrição acima é uma representação simples de 3 níveis de corrente contínua usando PWM. Claramente, se a frequência PWM for "alta", esses três níveis poderão ser considerados parte de uma forma de onda CA complexa. Esperamos que você possa ver que controlar com precisão a proporção de espaço de marca PWM é realmente fundamental para obter baixa distorção de áudio.

A qualidade do áudio é tão boa quanto usar o PCM com DAC, filtro e amplificador?

Tradicionalmente não, mas está melhorando.

Como essa técnica parece e é muito conveniente, por que todos os dispositivos de áudio não usam isso para economizar dinheiro e custos, incluindo placas de som em computadores?

Controlar a precisão da relação PWM é bastante difícil de obter uma qualidade hi-fi realmente boa e, com os amplificadores de classe D, a rejeição da fonte de alimentação ainda é um desafio bastante difícil. Veja a imagem incorporada acima - se o barramento de força de 5V dobrou, o ganho também dobra - agora imagine que, em vez de simplesmente dobrar, você tinha uma carga de ruído de baixa qualidade nesse trilho - isso modularia diretamente seu sinal de áudio e criaria alguns efeitos visíveis. efeitos

— Andy aka
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O ciclo de serviço controla a amplitude e a frequência instantânea pwm é igual à frequência instantânea do sinal, correto?

— quantum231

A frequência de comutação PWM DEVE ser maior que o dobro da maior frequência de áudio presente para evitar aliasing (conforme a amostragem de taxa nyquist): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate e en.wikipedia.org/wiki/Aliasing e cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html

— Andy aka

"frequência instantânea" não é algo que faz sentido. A modulação da saída do PWM é feita com uma frequência PWM fixa muito alta e variando o ciclo de trabalho para corresponder ao nível de saída analógica desejado em cada período de tempo da amostra.

— Pjc50 6/06/2016

Então, com que rapidez variamos o ciclo de serviço da frequência fixa pwm, deve gerar um sinal com amplitude que varia proporcionalmente e, assim, o componente final da frequência do sinal é controlado pela velocidade com que alteramos o ciclo de serviço do sinal pwm? IMPRESSIONANTE!!!

— quantum231

@vaxquis Eu discordo. Qualquer ciclo de PWM pode ter uma taxa de espaço de marca de qualquer profundidade de precisão projetada, independentemente da velocidade do sinal analógico. É como um DAC convencional - um sinal pode ter amostragem esparsa, mas a profundidade de bits (também conhecida como resolução do ciclo de serviço) não é afetada. Talvez você não tenha se explicado muito bem?

— Andy aka

PCM com DAC, filtro e amplificador

Isso depende de como o seu DAC é construído internamente. A maioria dos DACs da placa de som usará a modulação sigma-delta, que se assemelha ao PWM, pois é um sinal de um bit ligado e desligado em alta velocidade através de um filtro, mas usando um algoritmo mais inteligente para garantir o nível de saída correto e a taxa de giro.

Este exemplo de folha de dados do codec da placa de som possui um belo diagrama na primeira página.

Você pode obter um som bastante decente com o PWM puro, se o PWM for rápido o suficiente. Ele precisa ter uma frequência PWM muito mais alta que a maior frequência de áudio desejada na região de MHz.

Consulte Convertendo PWM em um sinal analógico

— pjc50
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O ciclo de serviço pwm é diretamente proporcional à amplitude do sinal, como é representada a frequência do sinal de áudio?

— quantum231

Sim, o ciclo de trabalho do PWM fornece um nível de sinal; portanto, se você tratar cada período de 1 / 40000s como uma "amostra" e ajustar o nível do PWM nessa taxa, poderá fingir que emitiu um nível analógico a cada momento. Novamente, a frequência PWM deve ser muito mais rápida que a frequência das amostras de áudio para reprodução.

— Pjc50

@ quantum231: Esqueça o PWM por um momento e considere uma codificação digital em que 1 significa aumentar a tensão e 0 significa diminuir a tensão. É fácil imaginar desenhar uma forma de onda arbitrária juntando 1s e 0s. Não será preciso, mas bom o suficiente. Ele vai exigir um silêncio absoluto, pois não pode realmente codificar "sem alteração de tensão", mas funciona bem com a maioria das formas de onda de áudio.

— precisa saber é

@slebetman Como o que você está descrevendo é diferente da DSD / Modulação de densidade de pulso? Ele usa nada além de 0 (sem saída) e 1 (saída total), mas a qualidade no nível do CD requer megabits (plural) de taxa de transferência. Se você pensou que o PWM exigia uma taxa de amostragem muito alta para se aproximar do PCM tradicional de 16 bits, isso exigirá ainda mais.

— Meower68

@ Meower68 Estou descrevendo a codificação delta. Uma forma mais simples de codificação diferencial da codificação delta-sigma usada no DSD. Sim, basicamente eu estou descrevendo o DSD. Mas o PWM acoplado a um capacitor funciona da mesma maneira. O OP está perguntando como o período PWM é convertido em tensão - estou apenas descrevendo o mecanismo por trás dele. Tecnicamente, o DSD é um pouco diferente da codificação PWM pura

— slebetman