Audio usando PWM, ¿cuál es el principio detrás de esto?

He visto un esquema de una placa PIC que utiliza PWM filtrado para proporcionar una señal de salida de audio a un conector de audio. Muestra la salida PWM filtrada usando 3 etapas del filtro RC pasivo seguido de una etapa LM386. Tengo las siguientes preguntas:

Por lo general, una señal de audio tendría múltiples frecuencias resumidas simultáneamente. ¿Cómo hace eso PWM?
¿La calidad de audio es tan buena como usar PCM con DAC, filtro y amplificador?
Dado que esta técnica se ve y es tan conveniente, ¿por qué no todos los dispositivos de audio usan esto para ahorrar dinero y costos, incluidas las tarjetas de sonido en las computadoras?

audio pwm pcm

— quantum231
fuente

Es posible que desee leer el artículo de Wikipedia sobre amplificadores de clase D

— PlasmaHH

Si está utilizando un lm386 como su amplificador, la calidad de audio será pobre independientemente

— Jim Dearden

@PlasmaHH ... o esta aplicación nota Maxim en amplificadores de clase D .

— Nick Alexeev

Para un sistema de onda cuadrada de frecuencia no constante, busque la modulación delta-sigma o sigma-delta. Funciona para ADC y DAC y puede ser un sistema casi completamente digital para implementar un DAC.

— user2943160

1A) ¿Cómo puede una sola señal analógica contener múltiples frecuencias resumidas simultáneamente? 1B) ¿Cómo puede PWM aproximar una sola señal analógica?

— user253751

Respuestas:

Por lo general, una señal de audio tendría múltiples frecuencias resumidas simultáneamente. ¿Cómo hace eso PWM?

La señal de audio que contiene un espectro de múltiples frecuencias sigue siendo solo una señal de audio que puede ser muestreada por un ADC y recreado por un DAC. Si la frecuencia de muestreo utilizada es superior al doble de la frecuencia de audio más alta, entonces todo es bueno. Un DAC que usa técnicas PWM no es diferente. En cualquier ciclo de la forma de onda PWM, la relación de marca a espacio debe "representar" con precisión la señal analógica instantánea y un solo ciclo PWM debe ser más corto en el tiempo que la mitad del período de la señal de audio más alta:

Lo anterior es una representación simple de 3 niveles de CC usando PWM. Claramente, si la frecuencia PWM es "alta", esos tres niveles pueden considerarse como parte de una forma de onda de CA compleja. Esperemos que pueda ver que controlar la relación de espacio de marca PWM con precisión es realmente fundamental para obtener una baja distorsión de audio.

¿La calidad de audio es tan buena como usar PCM con DAC, filtro y amplificador?

Tradicionalmente no, pero está mejorando.

Dado que esta técnica se ve y es tan conveniente, ¿por qué no todos los dispositivos de audio usan esto para ahorrar dinero y costos, incluidas las tarjetas de sonido en las computadoras?

Controlar la precisión de la relación PWM es bastante difícil de obtener una calidad de alta fidelidad realmente buena y con el rechazo de la fuente de alimentación de los amplificadores de clase D sigue siendo un desafío bastante difícil. Vea la imagen incrustada arriba: si el riel de alimentación de 5 V se duplicó, la ganancia también se duplica; ahora imagine que en lugar de duplicarse, tiene una carga de ruido horrible en ese riel, esto modularía directamente su señal de audio y crearía algo muy notable efectos

— Andy alias
fuente

El ciclo de trabajo controla la amplitud y la frecuencia instantánea pwm es igual a la frecuencia instantánea de la señal, ¿correcto?

— quantum231

La frecuencia de conmutación PWM DEBE ser superior al doble de la frecuencia de audio más alta presente para evitar el aliasing (según el muestreo de frecuencia de nyquist): en.wikipedia.org/wiki/Nyquist_rate y en.wikipedia.org/wiki/Aliasing y cs.cf.ac. uk / Dave / Multimedia / node149.html

— Andy, también conocido como

"frecuencia instantánea" no es algo que tenga sentido. La modulación de salida de PWM se realiza teniendo una frecuencia PWM muy alta fija y variando el ciclo de trabajo para que coincida con el nivel de salida analógica deseado en cada período de tiempo de muestra.

— pjc50

Entonces, ¿qué tan rápido variamos el ciclo de trabajo de la frecuencia fija pwm, generará una señal con una amplitud que varía proporcionalmente y, por lo tanto, el componente de frecuencia de señal final se controla por la rapidez con que cambiamos el ciclo de trabajo de la señal pwm? ¡¡¡INCREÍBLE!!!

— quantum231

@vaxquis no estoy de acuerdo. Cualquier ciclo de PWM puede tener una relación de espacio de marca de cualquier profundidad de precisión para la que esté diseñado, independientemente de la velocidad de la señal analógica. Es como un DAC convencional: una señal puede tener un muestreo escaso pero la profundidad de bits (también conocida como resolución del ciclo de trabajo) no se ve afectada. ¿Quizás no te has explicado muy bien?

— Andy también conocido como

PCM con DAC, filtro y amplificador

Esto depende de cómo se construya su DAC internamente. La mayoría de los DAC de tarjetas de sonido utilizarán la modulación sigma-delta, que se asemeja a PWM en que es una señal de un bit activada y desactivada a alta velocidad a través de un filtro, pero utilizando un algoritmo más inteligente para garantizar el nivel de salida y la velocidad de respuesta correctos.

Este ejemplo de la hoja de datos del códec de la tarjeta de sonido tiene un buen diagrama en la primera página.

Puede obtener un sonido bastante decente de PWM puro si su PWM es lo suficientemente rápido. Debe tener una frecuencia PWM mucho más alta que la frecuencia de audio más alta que desee, en la región de MHz.

Ver Convertir PWM en una señal analógica

— pjc50
fuente

El ciclo de trabajo pwm es directamente proporcional a la amplitud de la señal, ¿cómo se representa la frecuencia de la señal de audio?

— quantum231

Sí, el ciclo de trabajo PWM le proporciona un nivel de señal, por lo que si trata cada período de 1 / 40000s como una "muestra" y ajusta el nivel PWM a esa velocidad, puede pretender que ha emitido un nivel analógico en cada momento. Nuevamente, la frecuencia PWM tiene que ser mucho más rápida que la frecuencia de las muestras de audio para la reproducción.

— pjc50

@ quantum231: Olvide PWM por un momento y considere una codificación digital donde 1 significa aumentar el voltaje y 0 significa disminuir el voltaje. Es fácil imaginar dibujar una forma de onda arbitraria al unir 1s y 0s. No será preciso pero lo suficientemente bueno. Respirará por el silencio absoluto, ya que realmente no puede codificar "sin cambio de voltaje", pero funciona bien con la mayoría de las formas de onda de audio.

— slebetman

@slebetman ¿En qué se diferencia lo que está describiendo de la DSD / Modulación de densidad de pulso? Utiliza nada más que 0 (sin salida) y 1 (salida completa), pero la calidad de nivel de CD requiere megabits (plural) de rendimiento. Si creía que PWM requería una frecuencia de muestreo muy alta para acercarse al PCM tradicional de 16 bits, eso requerirá aún más.

— Meower68

@ Meower68 Estoy describiendo la codificación delta. Una forma más simple de codificación diferencial de la codificación delta-sigma utilizada en DSD. Sí, básicamente estoy describiendo DSD. Pero PWM junto con un condensador funciona de la misma manera. El OP pregunta cómo se convierte el período PWM en voltaje. Simplemente estoy describiendo el mecanismo detrás de él. Técnicamente, DSD es un poco diferente de la codificación PWM pura

— slebetman