Inovação as vezes é pensar antigo

[hgamal]

Mais um projeto?!? 

Eles nascem feito ratos...

[xformer]

Vejam a modelagem de alguns sinais (vermelho = entrada, preto = saída) e o que ocorre variando a taxa de bits e amostragem.



1 - 440Hz    4 bits   1ksps

2 - 440Hz    4 bits   2ksps

3- 440Hz     4 bits    3ksps

4 - 1kHz      4 bits    5,1ksps

5 - 1kHz      8 bits    5,1ksps

[xformer]

Vejam os resultados de uma montagem experimental que fiz:


Usei um PIC 12F675 (8 pinos, 5 portas de saída e 1 porta de entrada) configurando o conversor A-D para fazer amostragem em 8 bits a cada 240us. A saída é em 5 bits, com um conversor D-A com rede de resistores R-2R e um buffer AO.

O primeiro sinal é de 140Hz, o segundo de 380Hz e o último de 1kHz.

E aqui um vídeo com o sinal variando de 34Hz a 3kHz e mostrando o efeito de aliasing (sub amostragem):

https://www.youtube.com/watch?v=yB9hy0lpLFM

[Patines]

Camaradas: muito legal!  Eu fiz uma coisa parecida faz uns 20 anos.  Era baseado num Sample and hold controlado por pulsos de um LM555.

O circuito não tenho mais em mãos, mas creio que posso achar a placa.  Na época eu e meus amigos achamos o som muito feio e abandonei a idéia.

Abraços, T+  Saúde e amor!

[Ledod]

Vejam a modelagem de alguns sinais (vermelho = entrada, preto = saída) e o que ocorre variando a taxa de bits e amostragem.

1 - 440Hz    4 bits   1ksps

 Xformer, que coisa linda de ver o critério de Nyquist na prática! A taxa de amostragem vai chegando próxima a duas vezes a frequência do sinal e o aliasing começa a aparecer nítido! Bem legal!

 O conversor DA no PIC não dá para fazer mais facilmente por PWM? Coloca em uma frequência acima da audível vai variando a largura do pulso de acordo com a amostragem e depois um filtro passa baixas retira a alta frequência.

 Parabéns pelos testes!

 Um abraço,

 Eduardo

[xformer]

Xformer, que coisa linda de ver o critério de Nyquist na prática! A taxa de amostragem vai chegando próxima a duas vezes a frequência do sinal e o aliasing começa a aparecer nítido! Bem legal!

 O conversor DA no PIC não dá para fazer mais facilmente por PWM? Coloca em uma frequência acima da audível vai variando a largura do pulso de acordo com a amostragem e depois um filtro passa baixas retira a alta frequência.

Se quiser eu te mando a planilha (EXCEL) de modelagem.  Eu coloquei alguns controles deslizantes, de forma a poder mudar a frequência e amplitude do sinal, mudar a taxa de amostragem e o número de bits de quantização, assim como a "frequência de varredura horizontal".

Sobre usar PWM, tem alguns problemas: para ter 8 bits de resolução e uma alta frequência do sinal PWM, precisa ter boa velocidade no processador e PWM por hardware. Em 4MHz de clock, só consigo 15,6kHz, o que é baixo.  Depois a ideia é não ter o filtro passa baixas na saída, justamente pra ter a distorção causada pelos degraus da conversão D-A, o que em PWM não existiria. 

[Ledod]

 Claro xformer, mande sim!

 Então, não sou conhecedor muito profundo dos PIC's, achei que alcançaria uma frequência mais elevada!

 Haha, esse é, digamos, um "anti-projeto", se usar um passa baixas na saída vamos perder os serrilhados característicos da onda quadrada e perde toda a magia do pedal!

 Um abraço,

 Eduardo

[xformer]

Então, não sou conhecedor muito profundo dos PIC's, achei que alcançaria uma frequência mais elevada!

 Haha, esse é, digamos, um "anti-projeto", se usar um passa baixas na saída vamos perder os serrilhados característicos da onda quadrada e perde toda a magia do pedal!

Eu não falo só da limitação do PIC, mas dos uCs em geral.  Por exemplo se o sinal PWM tiver 100kHz e quiser uma resolução de 8 bits (256 valores diferentes de largura de pulso), teríamos que ter um clock para o contador/timer do circuito PWM de pelo menos 256 x 100kHz = 25,6MHz  (pense que o pulso mais estreito teria que ter 1/256 x 1/100000 = 39ns) e que o processamento precisaria ser tão rápido quanto pra poder controlar pulsos tão estreitos e rápidos.

Enquanto que a conversão D-A por rede R-2R é feita simplesmente coloando o valor binário nas portas ligadas aos resistores e só.

[Ledod]

 Ahh sim, realmente agora que percebi, 8 bits de resolução vai exigir que o pulso seja dividido por 2^8!

 Tudo bem que 100KHz já é uma frequência um tanto elevada, para uma aplicação de áudio (usando um filtro passa baixas) 25~40KHz já estaria de bom tamanho! Desse modo, um PIC a 8MHz até que conseguiria rodar...

 Claro, a rede R-2R é um DAC diretamente e o tempo de resposta é o tempo de escrita nos registradores dos GPIO, e sendo de 8bits é só escrever valor exato! O único "problema" é utilizar um PORT inteiro só para isso, mas a simplicidade compensa.
 

 

[xformer]

Tudo bem que 100KHz já é uma frequência um tanto elevada, para uma aplicação de áudio (usando um filtro passa baixas) 25~40KHz já estaria de bom tamanho! Desse modo, um PIC a 8MHz até que conseguiria rodar...

O que eu vejo nos cis e projetos de amplificadores classe D (que funcionam por PWM), é que a frequência de chaveamento gira em torno de 250kHz a 400kHz para atender a faixa inteira de áudio (até 20kHz). Eu imagino que uns 100kHz seriam necessários para conseguir  reproduzir sinais até 10kHz.  Seria um bom assunto pra ser estudado, pois isso depende muito da qualidade e características do filtro passa baixas de saída. Eu não sei como seria o processo de determinação de um valor ótimo/mínimo da frequência PWM.

Te enviei a planilha por email.

abs

[Matec]

xformer ótimo trabalho!

Eu sempre quis montar um conversor AD, acabei sempre deixando para depois, e esse depois ainda não chegou.

Abs

[xformer]

Eu sempre quis montar um conversor AD, acabei sempre deixando para depois, e esse depois ainda não chegou.

Montar um conversor A-D do nada é complicado, precisa de muitos componentes. Mas existem muitos cis já dedicados e completos pra essa tarefa ou embutidos como periféricos em uCs. Além disso existem vários tipos de conversores (por ex.  por aproximação sucessiva, por comparação, delta-sigma, etc) que se diferem pelo método de conversão, velocidade e resolução e forma de saída (paralela ou serial). Pra cada aplicação tem um mais indicado (imagine um osciloscópio digital com amostragem de 5Gsps). Normalmente os embutidos nos uCs não são muito rápidos (o máximo que eu vi 500ksps, mas a maioria não passa de 100ksps) o que restringe muito o uso deles em áudio (os DSPs passam a ser preferência nesse campo).
Mas sabendo dessas limitações sempre podemos fazer uns brinquedos assim mesmo.

[Matec]

Como no título do tópico, eu pensaria antigo, gostaria de fazer um conversor com chaves analógicas, comparadores, provavelmente paralelo. seria só pra ter o gostinho de fazer um. Aí se realmente me despertasse maior interesse, utilizar alguns mais sofisticados para novas experiências, como esta proposta por este tópico.
Abs

[xformer]

Coincidentemente saiu um artigo numa revista, sobre classes de amplificadores e na parte sobre classe D, há uma explicação sobre a frequência adequada para chaveamento do sinal PWM.

A tradução é a seguinte (artigo do eng. Robert Lacoste, que sempre escreve excelentes artigos de forma muito clara e didática na revista Circuit Cellar):

"...Como vocês podem ter imaginado, os amplificadores classe D não estão livres de dificuldades. Primeiro, como em qualquer arquitetura de amostragem, a frequência do PWM deve ser significantemente maior do que a frequência do sinal de áudio de maior frequência que entra no amplificador para evitar o aliasing. O teorema da amostragem de Nyquist diz que deve ser o dobro, mas isso necessitaria de um filtro com atenuação de saída perfeitamente reta e não atenuada progressivamente. Para manter o custo do filtro sob controle, a frequência do PWM deve ser bem maior, geralmente 10 vezes maior do que a frequência do sinal de entrada.
Para um sinal de áudio de 10Hz a 20kHz, isso se traduz em frequências PWM na casa das centenas de quilohertz (e.g. 200kHz). Tal frequência corresponde a períodos de 5us  (i.e. 1/200000).
Agora assumindo que você queira uma precisão de 16 bits de amplitude, implica que o tempo de posicionamento de cada borda do PWM deve ser preciso com 1/65536 de precisão relativa. Portanto o projeto do estágio de chaveamento não pode introduzir variações aleatórias maiores do que 76 ps (picosegundos, i.e. 5us/65536). Isso é um valor muito pequeno não é ? Isto explica porque construir um bom amplificador classe D é um pouco mais complicado do que só desenhar seu diagrama de blocos.
A segunda preocupação com amplificadores classe D está relacionada com a compatibilidade eletromagnética (EMC). Chavear sinais de alta potência a altas velocidades é o melhor jeito de gerar fortes campos eletromagnéticos (EMFs). Isso é especialmente verdadeiro quando a saída for conectada a fios longos e não blindados como aqueles entre o amplificados de áudio e os alto-falantes...." 

[Ledod]

O que eu vejo nos cis e projetos de amplificadores classe D (que funcionam por PWM), é que a frequência de chaveamento gira em torno de 250kHz a 400kHz para atender a faixa inteira de áudio (até 20kHz). Eu imagino que uns 100kHz seriam necessários para conseguir  reproduzir sinais até 10kHz.  Seria um bom assunto pra ser estudado, pois isso depende muito da qualidade e características do filtro passa baixas de saída. Eu não sei como seria o processo de determinação de um valor ótimo/mínimo da frequência PWM.

Te enviei a planilha por email.
abs

 Xformer, você está correto, a frequência deve ser pelo menos umas 10 vezes maior os 200KHz não são exagerados. Para áudio mesmo, não dá (como eu tinha dito), agora para o projeto de pedal que destrói o sinal, não vejo problema, até porque a guitarra não chega nem perto dos 20KHz.

Para um sinal de áudio de 10Hz a 20kHz, isso se traduz em frequências PWM na casa das centenas de quilohertz (e.g. 200kHz). Tal frequência corresponde a períodos de 5us  (i.e. 1/200000).
Agora assumindo que você queira uma precisão de 16 bits de amplitude, implica que o tempo de posicionamento de cada borda do PWM deve ser preciso com 1/65536 de precisão relativa. Portanto o projeto do estágio de chaveamento não pode introduzir variações aleatórias maiores do que 76 ps (picosegundos, i.e. 5us/65536). Isso é um valor muito pequeno não é ? Isto explica porque construir um bom amplificador classe D é um pouco mais complicado do que só desenhar seu diagrama de blocos.

 Hmm... Período de clock de 76ps é uma frequência de 13GHz  ! Precisaria ter homologação da Anatel para operar um amplificador destes!! rs Brincadeiras a parte, eu não sei se existe mosfet capaz de chavear tão rapidamente, bipolares até que vai, mas geralmente se utilizam mosfets devido a Rdson baixíssima de alguns dispositivos.
 A questão é que ele colocou 16bits em todo range de frequências, acredito eu que 16 bits para um amplificador de potência é muito! Imaginemos uma potência de 100w em um falante de 8 ohms, teremos uma tensão 28v rms. Agora, 28v/65536 = 0,274 mV ! Será que esse degrau faria tanta diferença em 100w?
 Sempre também existe a possibilidade de uma realimentação negativa para melhorar esse tipo de problema...

 A compatibilidade eletromagnética pode ser resolvida utilizando o conceito de espectro espalhado (spread spectrum), ou seja, o clock do PWM fica variando aleatoriamente fazendo com que a banda irradiada seja grande, porém de menor amplitude. Com isso até conseguimos eliminar o filtro LC de saída!

 http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/3881

 Um abraço!

 Eduardo
-----Ahh e obrigado pela planilha!!!