Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera

trol.six 21 Paź 2015 00:22 7947 7
  • Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera

    Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera.

    Przeglądając różne zasoby sieciowe natknąłem się na filtr aktywny dolnoprzepustowy. Ukazał się on zdajesie w w czasopiśmie Elektor Elektronik 11/94
    Jest to filtr Butterwortha czwartego rzędu, o maksymalnie płaskiej charakterystyce w paśmie przenoszenia.
    W tym urządzonku jest to częstotliwość 20kHz, nanosi się troszkę na pasmo. (w schemacie są wartości na 25khz)

    Ze względu na nienajlepszy sprzęt dźwiękowy, oraz sygnały z wielu źródeł,
    których sygnał naznaczony jest konwersją z wielu przetworników w mniejszy czy też większy sposób, a i z komputera za wiele wyjść nie ma i przekładanie słuchawek jest bez sensu, pomyślałem że zrobię sobie rozdzielacz, i wyposaże go w taki filtr.

    Powstała więc płytka, na wzmacniaczach TL072. Z tego co się orientowałem w audio liczy się jakość elementów,
    unika się kondensatorów ceramicznych. Jednak miałem ochotę na smd, i kondensatory są z dielektrykiem NPO, z innym dielektrykiem bym nie dał.

    Na płytce miał być konwerter napięcia icl7660. Okazało się że działa to na 10kHz. i za bardzo miesza w sygnale.
    Stąd powstał inny konwerter na TC428. Troszke bardziej skomplikowany, ale jeszcze dość prosty.
    Wartości elementów jakby co trzeba dobrać aby uzyskać 30-40kHz. Zamiast zenerek dałem diody LED niebieskie.

    Z praktyki wiem że korzystanie z zasilania z kompa będzie robiło trudności. Mnóstwo przetwornic na płycie. Do tego problem z pętlą masy.
    Dlatego dodałem filtr RC 30 om 220uF tuz na zasilaniu (linia 12V). To jest takie minimum. Masa jest podłączona w punkcie sygnału.
    Bez tego oczywiście wchodziły zakłócania. Dodatkowo wzmacniacze również zasilane są przez filtry


    Troche miałem dylematu czy mocować do komputera czy też zrobić obudowę (tak jest zrobione PCB).
    Ostatecznie jest przykręcone za pomocą ukształtowanego z aluminium mocowania.


    Jeśli chodzi o jakość dźwięku to żadne HiFi nie zrobiło się :)
    Choć podejrzanie lekko lepiej brzmi ten układ z filtrem w zakresie niższych tonów, magia?


    Wyjście z filtru wzmacnia sygnał dwukrotnie, drugie jest bez zmian.

    Porównanie pasma 10 - 19000 Hz z filtrem i bez zarejestrowane przez sprzęt komputerowy i program audacity.
    Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera

    No i zdjęcia, jak to wygląda i jest zamocowane, oraz schematy filtra oraz konwertera.

    Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera Buforek i filtr Butterwortha 4 rzędu jako rozdzielacz wyjść z komputera


    Fajne!
  • #2 21 Paź 2015 23:56
    deus.ex.machina
    Poziom 31  

    trol.six napisał:

    Gdzieś kiedyś wyczytałem, że wyjście sygnału audio z komputera, w zależności od jakości dźwięku może być "zwyczajne",
    tzn schodkowe z sygnałem o częstotliwości przetwornika. Najczęściej obecnie jest to 48kHz. Nie ma tam ani upsamplingu ani filtrów.
    No i rzeczywiście tak u mnie jest. I gdzieś wyczytałem że może to pogarszać jakość dźwięku :)


    Zazwyczaj w komputerach siedzą względnie tanie DAC w układzie Delta Sigma gdzie z definicji nie ma schodków a upsampling przeciętnie jest miedzy 64 a 256 razy.
    Filtr również jest - wystarczy zazwyczaj prosty filtr RC.
    Schodki to mit który wyjaśnia w przystępny sposób współtwórca codec'a Vorbis http://www.youtube.com/watch?v=cIQ9IXSUzuM

  • #3 22 Paź 2015 00:10
    prosiak_wej
    Poziom 26  

    Swojej karty dźwiękowej nie badałem, ale coś w tym musi być... 192kHz i 24 bity prosto z karty dźwiękowej brzmią gorzej niż 48kHz i 16 bitów z DACa wbudowanego w MiniDisc Sony MDS-JE510 (coaxial z w/w dźwiękowej zintegrowanej do MD). Ale patrząc na schemat JE510 widać, że sygnał leci przez filtry na wyjście. Jak to jest zrealizowane w zintegrowanym układzie audio typu 'Realtek HD Audio' - tego nie wiadomo.

  • #4 22 Paź 2015 12:36
    dominator8
    Poziom 20  

    trol.six napisał:
    Powstała więc płytka, na wzmacniaczach TL072. Z tego co się orientowałem w audio liczy się jakość elementów,
    unika się kondensatorów ceramicznych. Jednak miałem ochotę na smd, i kondensatory są z dielektrykiem NPO, z innym dielektrykiem bym nie dał.
    Witam w Audio idea jest troszkę inna. Dąży się do zminimalizowania ilości elementów, gdyż każdy kolejny element w torze Audio pogarsza dźwięk: mam tutaj na myśli kondensatory wyjściowe, układ który zrobiłeś również.
    trol.six napisał:
    Gdzieś kiedyś wyczytałem, że wyjście sygnału audio z komputera, w zależności od jakości dźwięku może być "zwyczajne",
    tzn schodkowe z sygnałem o częstotliwości przetwornika.
    Ja bym na Twoim miejscu zastosował programowy "upsampling" do najwyższej częstotliwości, którą obsługuje karta i uzyskałbyś lepszy efekt (mniej elementów w torze Audio). Do słuchania muzyki używam "Foobar2000" - program ten potrafi dosłownie wszystko. Z tych przebiegów, które zamieściłeś widać że po zastosowaniu Twojego układu ucierpiało pasmo wysokich częstotliwości.

    Podsumowując. Uważam, że to co zrobiłeś miało by sens dla sygnałów Hi-res. Np. dla sygnału 96/24 albo 192/24 wtedy byś uzyskał dźwięk wręcz analogowy (dosłownie, bez schodkowy) przy czym pasmo słyszalne nie ucierpiałoby.

  • #5 22 Paź 2015 18:34
    mkpl
    Poziom 37  

    Złe interptertacje widzę... od pomysłu autora po komentarze.

    Trzeba sobie zadać pytanie z czym mamy do czynienia.
    W przetwarzaniu sygnałów mamy dwie rozdzielczości.
    W dziedzinie amplitudy i częstotliwości.

    W dziedzinie amplitudy rządzi ilość bitów przetwornika. Dajmy na to 8 bit ma 255 poziomów kwantyzacji. Z tym nic nie zrobimy nawet najlepszym filtrem. Ten typ tak ma i koniec kropka.

    Regulując sobie głośność w odtwarzaczu czy systemie dzielimy zakres bitowy przetwornika karty przez poziom głośności.

    Dla maksimum w odtwarzaczu i systemie mamy mnożnik 1 czyli nic nie dzielimy (obcinamy) i mamy zakres 16 bitów. Ustawiając 1/2 głośności wywalamy sobie najmłodszy bit i uzyskujemy sygnał 15 bit.. 1/4 głośności to juz 14 bitów... (taką ilość bitów miały pierwsze CD odtwarzacze i to było do zaakceptowania). Idąc dalej to się mnożny z odtwarzaczem przykładowo w odtwarzaczu 1/4 głośności w systemie 1/4 głośności de fakto wywalamy aż 4 bity i mamy 12 bitowy dźwięk... Tu widać schodki... bo musi być je widać...

    Dziedzina częstotliwości.
    W dużym uproszczeniu to częstotliwość próbkowania... Próbkowanie ma to do siebie ze generuje syf w postaci aliasingu (lustrzanek).

    Twierdzenie Shannona mówi o tym, że aby poprawnie spróbkować lub odtworzyć sygnał należy użyć 2x większej częstotliwości próbkowania niż najwyższa harmoniczna w sygnale. Życie niestety nie jest piękne i większość "sinusów" 1kHz ma jeszcze harmoniczne wyższych rzędów a prostokąt to już w ogóle nieskończoność... (polecam film na YT ktoś wyżej dał link).

    Mechanizm jest następujący:

    Wystawiamy na przetwornik próbki sygnału 1kHz a sam przetwornik ma próbkowanie 10kHz. W wyniku pracy przetwornika otrzymujemy wprost sygnał 1kHz, sygnał 10kHz (próbkowanie) i aliasy 10kHz + 1khz czyli 11khz i w drugą stronę 10kHz - 1kHz czyli 9kHz.

    Łatwo zauważyć że wystawiając 6kHz mamy kłopot bo 6kHz, 10kHz, 16kHz i o zgrozo 4kHz (syf).
    Jak damy prostokąt, to już generator syfu totalny.

    Na tą bolączkę właśnie pomagać ma filtr... gdybyśmy wyfiltrowali sygnał i obcięli próbki do częstotliwości 5kHz teoretycznie super...
    Najbliższa lustrzanka to 5kHz (bo zgodnie z teorią Fclk 10khz/2 = 5khz) no ale 5kHz też nam odpada bo wyjdzie coś dziwnego... poza tym jest w paśmie słyszalnym i by nas denerwował.

    W praktyce stosuje się filtry tak jak prezentowany przez autora. Ma za zadanie zmniejszyć pasmo na wyjściu i wyciąć to czego nie chcemy słyszeć. Dodatkowo właściwości inercyjne takiego filtru powodują, że wygładza on gwałtowne zmiany i kwantyzacja jest niejako "zaokrąglona" i nie jest aż tak ostra (mała liczba bitów).

    W praktyce szanujące się firmy audio dają przed przetwornikiem filtr cyfrowy FIR lub IIR, który ogranicza pasmo cyfrowego sygnał i filtr na wyjściu który ładnie obcina pasmo analogowe.

    Niestety projekt autora jest zły. Nie spodobało mu się pasmo 20kHz a dał 25kHz. W obu przypadkach lipa.

    25kHz... 48kHz próbkowania. No właśnie nikt nie pyta dlaczego jest aż 48kHz próbkowania i dlaczego nie mniej czyli 40kHz (pasmo do 20kHz). Ano filtr ma swoją stromość. Przy 25kHz ma -3db (1/2) to przy np 30kHz może mieć 6dB czyli 1/4 a to kurcze dalej słychać!!.

    Producenci zostawili sobie margines na stromość filtru już w przypadku starego standardu 44.1kHz gdzie zapas jest około 2kHz.


    Takie problemy występują głównie w przetwornikach typu NOS (non over sampling). Pracują one na częstotliwości wyjściowej i działają jak drabinka rezystorowa. Osobiście cenie je za fajne brzmienie i dynamikę ale wymagają właśnie dobrych filtrów. Można to sobie uprościć dając próbkowanie 96kHz dzięki czemu zapas na filtr to 28kHz a całe nadpróbkowanie polega na wystawieniu na przetwornik po 2 razy tej samej wartości...

    W obecnych czasach mamy przetworniki deltasigma 1bit. Pracują one na ciężkich MHz. Ich praca jest trochę podobna do PWM. Gdy sygnał narasta przetwornik cały czas wystawia 1 gdy się ustabilizuje wystawia odpowiednią ilosć naprzemiennie 1 i 0 a gdy sygnał ma opadać wystawia same 0. Ten sygnał cyfrowy ładuje "pojemność" na której napięcie narasta lub opada w zależności od dostarczonej porcji energii... Aby to miało sens pracują zazwyczaj w okolicach 13MHz...
    Natomiast przeliczenie tego na normalne próbkowanie daje te 48 - 192kHz efektywnego próbkowania więc podlegają dokładnie tym samym zasadom i nad próbkowanie tu nie występuje... Bo odtwarzając materiał dźwiękowy zapisany jako 48kHz będziemy mieli wszelkie wady i zalety próbkowania 48kHz i przetwornik dokładnie tak samo to odwzoruje włącznie z syfem na wyjściu więc filtr musi być...

    Na koniec co to jest nad próbkowanie:
    Jest to zwiększenie cyfrowej częstotliwości sygnału w celu odsunięcia się od pasma podstawowego. Czyli mamy muzykę zapisaną w 48kHz z pasmem 10 - 20kHz i zwiększamy cyfrowo próbkowanie do 96kHz to dalej będziemy słyszeć pasmo 10 - 20kHz ale cały syf związany z aliasingiem zacznie nam się dopiero w okolicach 76kHz i tego na pewno nie usłyszymy więc filtr można pominąć. Chyba, że mamy szybki tor audio (wzmacniacz) to reszta toru oberwie i wyjdzie w postaci szumu...


    Do autora.
    Wrzuć pełny schemat, wróć do poprzednich wartości 20kHz (i tak tego nie usłyszysz) i wywal ten konwerter napięcia. Wprowadza więcej szkody niż zysku. To, że pracuje na 30kHz nie znaczy iż przez intermodulacje z częstotliwością próbkowania nie wylezie gdzieś w paśmie audio.

    Lepiej wystabilizować szynę 5V do 4V i podzielić na pół (sztuczna masa +/-2V) a w filtrze zastosować MCP6002 (jest naprawdę ok).

  • #6 22 Paź 2015 22:45
    deus.ex.machina
    Poziom 31  

    mkpl napisał:
    Złe interptertacje widzę... od pomysłu autora po komentarze.


    Nadpróbkowanie powoduje zmniejszenie szumów kwantyzacji, dzięki nadpróbkowaniu i kształtowaniu szumu można uzyskać większą dynamikę systemu niż wskazywałaby na to liczba bitów przetwornika (np stosując 4 krotne nadpróbkowanie i poprawne kształtowanie szumów, przetwornik 8 bitów może dostarczyć dynamiki porównywalnej z systemami 20 i więcej bitowymi).

    Co do realizacji filtru cyfrowego - najczęściej jest to filtr FIR w topologi CIC (eliminacja mnożenia).

    A interpretacja jest prosta - filtr popsuł sygnał, wprowadza większą nieliniowość charakterystyki i wyższy poziom szumów.

  • #7 22 Paź 2015 22:57
    trol.six
    Poziom 30  

    mkpl napisał:
    Lepiej wystabilizować szynę 5V do 4V i podzielić na pół (sztuczna masa +/-2V) a w filtrze zastosować MCP6002 (jest naprawdę ok).

    Jakoś nie mam przekonania do sztucznych mas ;) Choć zdarza się że użyje, ale raczej w celu przesuwania poziomów przy ADC. W samych torach sygnałowych wraz w wzmacniaczami, zwyczajnie jakoś nie mam przekonania.

    Przerabiać nie będe, raczej jeśli już, to uwzględnię w następnych projektach.

    Elementy filtrujące zasilanie w audio to i tak chyba norma.


    dominator8 napisał:
    Witam w Audio idea jest troszkę inna. Dąży się do zminimalizowania ilości elementów, gdyż każdy kolejny element w torze Audio pogarsza dźwięk: mam tutaj na myśli kondensatory wyjściowe, układ który zrobiłeś również.

    Owszem, ale bez włączenia loudness i podbicia basów, dźwięk u mnie i tak jest płaski. Albo za płaski.

    dominator8 napisał:
    Ja bym na Twoim miejscu zastosował programowy "upsampling" do najwyższej częstotliwości, którą obsługuje karta i uzyskałbyś lepszy efekt (mniej elementów w torze Audio).

    Na codzień używam mplayera z opcją resample jednak bez kokosów.

    Poza tym i tak w łańcuchu źródło -> głośniki jest trochę rzeczy do zmian ;) Ale nie chce specjalnie o tym pisać :)

    Wyjście na słuchawki, to był punkt krytyczny realizowania tegoż projektu :)
    A ja czasem lubię się pobawić elektroniką.

 Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME