Audio utilisant PWM, quel est le principe derrière cela?

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J'ai vu un schéma d'une carte PIC qui utilise un PWM filtré pour fournir un signal de sortie audio à une prise audio. Il montre la sortie PWM filtrée en utilisant 3 étages de filtre RC passif suivis d'un étage LM386. J'ai les questions suivantes:

  1. Habituellement, un signal audio aurait plusieurs fréquences additionnées simultanément. Comment PWM fait-il cela?
  2. La qualité audio est-elle aussi bonne que l'utilisation de PCM avec DAC, filtre et amplificateur?
  3. Étant donné que cette technique a l'air et est si pratique, pourquoi tous les appareils audio ne l'utilisent-ils pas pour économiser de l'argent et des coûts, y compris les cartes son des ordinateurs?
quantum231
la source
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Vous voudrez peut-être lire l'article de wikipedia sur les amplis de classe D
PlasmaHH
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Si vous utilisez un lm386 comme amplificateur, la qualité audio sera de toute façon médiocre
JIm Dearden
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@PlasmaHH ... ou cette note d'application Maxim sur les amplificateurs de classe D .
Nick Alexeev
Pour un système à onde carrée à fréquence non constante, recherchez la modulation delta-sigma ou sigma-delta. Il fonctionne pour les ADC et les DAC et peut être un système presque entièrement numérique pour la mise en œuvre d'un DAC.
user2943160
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1A) Comment un même signal analogique peut-il contenir plusieurs fréquences additionnées simultanément? 1B) Comment le PWM peut-il approximer un seul signal analogique?
user253751

Réponses:

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Habituellement, un signal audio aurait plusieurs fréquences additionnées simultanément. Comment PWM fait-il cela?

Le signal audio qui contient un spectre de fréquences multiples n'est encore qu'un signal audio qui peut être échantillonné par et ADC et recréé par un DAC. Si la fréquence d'échantillonnage utilisée est supérieure à deux fois la fréquence audio la plus élevée, tout va bien. Un DAC qui utilise des techniques PWM n'est pas différent. Dans n'importe quel cycle de la forme d'onde PWM, le rapport de la marque à l'espace doit "représenter" avec précision le signal analogique instantané et un seul cycle PWM doit être plus court dans le temps que la moitié de la période du signal audio le plus élevé: -

entrez la description de l'image ici

Ce qui précède est une représentation simple de 3 niveaux DC en utilisant PWM. De toute évidence, si la fréquence PWM est "élevée", ces trois niveaux peuvent être considérés comme faisant partie d'une forme d'onde CA complexe. J'espère que vous pouvez voir que le contrôle précis du rapport d'espace de marque PWM est vraiment fondamental pour obtenir une faible distorsion audio.

La qualité audio est-elle aussi bonne que l'utilisation de PCM avec DAC, filtre et amplificateur?

Traditionnellement non, mais ça va mieux.

Étant donné que cette technique a l'air et est si pratique, pourquoi tous les appareils audio ne l'utilisent-ils pas pour économiser de l'argent et des coûts, y compris les cartes son des ordinateurs?

Le contrôle de la précision du rapport PWM est assez difficile à obtenir une très bonne qualité hi-fi et avec les amplificateurs de classe D, le rejet de l'alimentation reste un défi assez difficile. Voir l'image intégrée ci-dessus - si le rail d'alimentation 5V a doublé, le gain double également - imaginez maintenant qu'au lieu de doubler simplement, vous aviez une charge de bruit de merde sur ce rail - cela modulerait directement votre signal audio et en créerait un très perceptible effets.

Andy aka
la source
Le rapport cyclique contrôle l'amplitude et la fréquence instantanée pwm est égale à la fréquence instantanée du signal, correct?
quantum231
La fréquence de commutation PWM DOIT être supérieure à deux fois la fréquence audio la plus élevée présente pour empêcher l'aliasing (selon le taux d'échantillonnage nyquist): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate et en.wikipedia.org/wiki/Aliasing et cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html
Andy aka
la "fréquence instantanée" n'est pas une chose sensée. La modulation de sortie de PWM est effectuée en ayant une fréquence PWM fixe très élevée et en faisant varier le rapport cyclique pour correspondre au niveau de sortie analogique souhaité à chaque période de temps d'échantillonnage.
pjc50
Donc, à quelle vitesse nous modifions le rapport cyclique du pwm à fréquence fixe, générerons-nous un signal dont l'amplitude variera proportionnellement et ainsi, la composante finale de fréquence du signal sera contrôlée par la vitesse à laquelle nous changerons le rapport cyclique du signal pwm? IMPRESSIONNANT!!!
quantum231
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@vaxquis, je ne suis pas d'accord. Chaque cycle de PWM peut avoir un rapport d'espace de marque de la profondeur de précision pour laquelle il est conçu, quelle que soit la vitesse du signal analogique. C'est comme un DAC conventionnel - un signal peut avoir un échantillonnage clairsemé mais la profondeur de bits (aka résolution du rapport cyclique) n'est pas affectée. Peut-être que vous ne vous êtes pas très bien expliqué?
Andy aka
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PCM avec DAC, filtre et amplificateur

Cela dépend de la façon dont votre DAC est construit en interne. La plupart des DAC de carte son utiliseront la modulation sigma-delta, qui ressemble à PWM en ce sens qu'il s'agit d'un signal à un bit activé et désactivé à haute vitesse via un filtre, mais en utilisant un algorithme plus intelligent pour garantir le niveau de sortie et la vitesse de balayage corrects.

Cet exemple de fiche technique de codec de carte son a un joli diagramme sur la première page.entrez la description de l'image ici

Vous pouvez obtenir un son assez décent avec du PWM pur si votre PWM est assez rapide. Il doit avoir une fréquence PWM beaucoup plus élevée que la fréquence audio la plus élevée que vous souhaitez, dans la région MHz.

Voir Conversion de PWM en signal analogique

pjc50
la source
Le rapport cyclique pwm est directement proportionnel à l'amplitude du signal, comment est représentée la fréquence du signal audio?
quantum231
Oui, le rapport cyclique PWM vous donne un niveau de signal, donc si vous traitez chaque période de 1 / 40000s comme un "échantillon" et ajustez le niveau PWM à ce taux, vous pouvez prétendre que vous avez sorti un niveau analogique à chaque instant. Encore une fois, la fréquence PWM doit être beaucoup plus rapide que la fréquence des échantillons audio pour la lecture.
pjc50
@ quantum231: Oubliez PWM pendant un moment et considérez un encodage numérique où 1 signifie augmenter la tension et 0 signifie diminuer la tension. Il est facile d'imaginer dessiner une forme d'onde arbitraire en enchaînant les 1 et les 0. Ce ne sera pas précis mais assez bon. Il aspire un silence absolu car il ne peut pas vraiment encoder "pas de changement de tension" mais fonctionne bien avec la plupart des formes d'onde audio.
slebetman
@slebetman En quoi ce que vous décrivez est-il différent de la modulation DSD / Pulse Density? Il n'utilise rien mais 0 (pas de sortie) et 1 (sortie complète) mais la qualité au niveau du CD nécessite des mégabits (pluriel) de débit. Si vous pensiez que le PWM nécessitait une fréquence d'échantillonnage très élevée pour se rapprocher du PCM 16 bits traditionnel, cela va prendre encore plus.
Meower68
@ Meower68 Je décris l'encodage delta. Une forme plus simple de codage différentiel à partir du codage delta-sigma utilisé dans DSD. Oui, en gros, je décris DSD. Mais PWM couplé à un condensateur fonctionne de la même manière. L'OP demande comment la période PWM est convertie en tension - je décris simplement le mécanisme derrière elle. Techniquement, le DSD est un peu différent de l'encodage PWM pur
slebetman