Audio menggunakan PWM, apa prinsip di baliknya?

Saya telah melihat skema papan PIC yang menggunakan PWM yang difilter untuk memberikan sinyal output audio ke jack audio. Ini menunjukkan output PWM disaring menggunakan 3 tahap filter RC pasif diikuti oleh tahap LM386. Saya punya pertanyaan berikut:

Biasanya sinyal audio memiliki beberapa frekuensi yang diringkas secara bersamaan. Bagaimana cara PWM melakukannya?
Apakah kualitas audio sebagus menggunakan PCM dengan DAC, filter dan amplifier?
Karena teknik ini terlihat dan sangat nyaman, mengapa tidak semua perangkat audio menggunakan ini untuk menghemat uang dan biaya, termasuk kartu suara di komputer?

audio pwm pcm

— quantum231
sumber

Anda mungkin ingin membaca artikel wikipedia tentang ampli kelas D

— PlasmaHH

Jika Anda menggunakan LM386 sebagai penguat Anda maka kualitas audio akan menjadi buruk terlepas

— JIm Dearden

@PlasmaHH ... atau ini aplikasi catatan Maxim di Kelas D amplifier .

— Nick Alexeev

Untuk sistem gelombang persegi frekuensi non-konstan, cari modulasi delta-sigma atau sigma-delta. Ini bekerja untuk ADC dan DAC dan dapat menjadi sistem yang hampir sepenuhnya digital untuk menerapkan DAC.

— user2943160

1A) Bagaimana satu sinyal analog dapat mengandung beberapa frekuensi yang diringkas secara bersamaan? 1B) Bagaimana cara PWM memperkirakan satu sinyal analog?

— user253751

Jawaban:

Biasanya sinyal audio memiliki beberapa frekuensi yang diringkas secara bersamaan. Bagaimana cara PWM melakukannya?

Sinyal audio yang mengandung spektrum beberapa frekuensi masih hanya sinyal audio yang dapat diambil sampelnya oleh dan ADC dan diciptakan kembali oleh DAC. Memberikan sampling rate yang digunakan lebih tinggi dari dua kali frekuensi audio tertinggi maka semuanya baik. DAC yang menggunakan teknik PWM tidak berbeda. Dalam salah satu siklus gelombang PWM, rasio tanda-ke-ruang harus secara akurat "mewakili" sinyal analog instan dan satu siklus PWM harus lebih pendek dalam waktu daripada setengah periode sinyal audio tertinggi: -

Di atas adalah representasi sederhana dari 3 level DC menggunakan PWM. Jelas jika frekuensi PWM "tinggi" ketiga level tersebut dapat dianggap sebagai bagian dari bentuk gelombang AC yang kompleks. Mudah-mudahan Anda dapat melihat bahwa mengendalikan rasio ruang tanda PWM secara akurat sangat mendasar untuk mendapatkan distorsi audio yang rendah.

Apakah kualitas audio sebagus menggunakan PCM dengan DAC, filter dan amplifier?

Secara tradisional tidak, tetapi semakin baik.

Karena teknik ini terlihat dan sangat nyaman, mengapa tidak semua perangkat audio menggunakan ini untuk menghemat uang dan biaya, termasuk kartu suara di komputer?

Mengontrol akurasi rasio PWM cukup sulit untuk mendapatkan kualitas hi-fi yang sangat baik dan dengan penolakan catu daya amplifier kelas D masih merupakan tantangan yang cukup sulit. Lihat gambar tertanam di atas - jika power rail 5V berlipat dua maka gain juga berlipat ganda - sekarang bayangkan bahwa alih-alih hanya berlipat ganda, Anda memiliki banyak noise jelek di rail itu - ini akan secara langsung memodulasi sinyal audio Anda dan membuat beberapa sinyal yang sangat mencolok efek.

— Andy alias
sumber

Siklus tugas mengontrol amplitudo dan frekuensi sesaat PWM sama dengan frekuensi sesaat sinyal, betul?

— quantum231

Frekuensi switching PWM HARUS lebih tinggi dari dua kali frekuensi audio tertinggi yang ada untuk mencegah aliasing (sesuai sampling rate nyquist): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate dan en.wikipedia.org/wiki/Aliasing dan cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html

— Andy alias

"frekuensi sesaat" bukanlah hal yang masuk akal. Modulasi output PWM dilakukan dengan memiliki frekuensi PWM tetap yang sangat tinggi dan memvariasikan siklus tugas agar sesuai dengan tingkat output analog yang diinginkan pada setiap periode waktu sampel.

— pjc50

Jadi seberapa cepat kita memvariasikan siklus tugas dari frekuensi tetap PWM, akan menghasilkan sinyal dengan amplitudo yang bervariasi secara proporsional dan dengan demikian, komponen frekuensi sinyal akhir dikendalikan oleh seberapa cepat kita mengubah siklus tugas sinyal PWM? LUAR BIASA !!!

— quantum231

@vquisquis saya tidak setuju. Setiap satu siklus PWM dapat memiliki rasio ruang tandai dari kedalaman presisi apa pun yang dirancang untuk terlepas dari kecepatan sinyal analog. Ini seperti DAC konvensional - sinyal mungkin memiliki pengambilan sampel yang sedikit tetapi kedalaman bit (alias resolusi siklus kerja) tidak terpengaruh. Mungkin Anda belum menjelaskannya dengan baik?

— Andy alias

PCM dengan DAC, filter dan amplifier

Ini tergantung pada bagaimana DAC Anda dibangun secara internal. Sebagian besar kartu suara DAC akan menggunakan modulasi sigma-delta, yang menyerupai PWM dalam hal itu sinyal satu-bit dihidupkan dan dimatikan dengan kecepatan tinggi melalui filter, tetapi menggunakan algoritma yang lebih cerdas untuk memastikan tingkat output yang benar dan laju perubahan tegangan.

Contoh datasheet kartu suara kartu ini memiliki diagram yang bagus di halaman pertama.

Anda bisa mendapatkan suara yang cukup baik dari PWM murni jika PWM Anda cukup cepat. Perlu memiliki frekuensi PWM jauh lebih tinggi dari frekuensi audio tertinggi yang Anda inginkan, ke wilayah MHz.

Lihat Mengubah PWM menjadi sinyal analog

— pjc50
sumber

Siklus PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal, bagaimana frekuensi sinyal audio direpresentasikan?

— quantum231

Ya, siklus tugas PWM memberi Anda tingkat sinyal, jadi jika Anda memperlakukan setiap periode 1/40000 sebagai "sampel" dan menyesuaikan tingkat PWM pada tingkat itu, Anda dapat berpura-pura bahwa Anda telah menghasilkan tingkat analog pada setiap titik waktu. Sekali lagi, frekuensi PWM harus jauh lebih cepat daripada frekuensi sampel audio untuk pemutaran.

— pjc50

@ quantum231: Lupakan PWM sejenak dan pertimbangkan pengkodean digital di mana 1 berarti menambah tegangan dan 0 berarti mengurangi tegangan. Sangat mudah untuk membayangkan menggambar gelombang acak dengan merangkai 1s dan 0s. Itu tidak akan akurat tetapi cukup baik. Ini akan menyedot untuk keheningan mutlak karena tidak dapat benar-benar menyandikan "tidak ada perubahan tegangan" tetapi bekerja dengan baik dengan sebagian besar bentuk gelombang audio.

— slebetman

@slebetman Apa yang Anda gambarkan berbeda dari DSD / Pulse Density Modulation? Ini menggunakan apa pun kecuali 0 (tidak ada output) dan 1 (output penuh) tetapi kualitas tingkat CD memerlukan megabit (jamak) dari throughput. Jika Anda berpikir PWM memerlukan tingkat sampel yang sangat tinggi untuk mendekati PCM 16-bit tradisional, itu akan mengambil lebih banyak lagi.

— Meower68

@ Meower68 Saya sedang menjelaskan penyandian delta. Suatu bentuk pengkodean diferensial yang lebih sederhana dari pengkodean delta-sigma yang digunakan dalam DSD. Ya, pada dasarnya saya menggambarkan DSD. Tetapi PWM ditambah dengan kapasitor bekerja dengan cara yang sama. OP bertanya bagaimana periode PWM diubah menjadi tegangan - Saya hanya menggambarkan mekanisme di baliknya. Secara teknis DSD sedikit berbeda dari pengkodean PWM murni

— slebetman