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Generación y uso de sinusoides PWM, PAM y PCM

Estoy confundido sobre algo fundamental con respecto a PWM, PAM y PCM. Voy a utilizar una analogía con el conductor del altavoz para explicar mi punto. Por lo que sé los motores utilizan PWM para la entrada de energía, no sé si mi escenario con el altavoz es diferente pero de ahí partió todo.

Por lo que sé, algunos DAC convierten la señal digital en señal analógica mediante PCM. Así que tienes pulsos que varían en amplitud que se utilizan como portadora para representar una señal cuantificada (Fig. 1). Esa señal se hace pasar por un filtro de paso bajo para interpolar los pulsos discretos y eliminar la portadora de alta frecuencia. La señal reconstruida se introduce en el altavoz y se obtiene un audio claro.

Figure 1

                                          Figure 1

Entonces tenemos un PWM con ciclo de trabajo variable (Fig. 2). Supongamos que es Vhigh es 1V y su Vlow es -1V. Variando la anchura del pulso en un determinado orden podemos obtener una señal deseada (una sinusoidal en este caso) ya que podemos calcular la tensión media de cada ciclo: Vavg = D*Vhigh + (1-D)*Vlow , donde D es el ciclo de trabajo. El resultado es una onda sinusoidal entrecortada, pero una onda sinusoidal al fin y al cabo.

Figure 2

                                          Figure 2

Ahora, aquí es donde me estoy confundiendo, suena como una paradoja para mí. Si introdujera una señal PWM de la figura 2 en el altavoz, ¿qué pasaría? ¿Escucharía un tono sinusoidal o el altavoz estallaría como si fuera empujado hacia adelante y hacia atrás? Entiendo que la tensión media llega a ser una onda sinusoidal, pero si conectara un osciloscopio a la salida de la señal vería un PWM, así que ¿qué resultado obtendría sin ningún tipo de filtrado o interpolación?

Algo similar ocurre con el PAM, si tenemos un ciclo de trabajo del 50% y los pulsos PAM en una secuencia de una onda sinusoidal, ¿qué emitiría el altavoz, un tono o un ruido de chasquido?

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ianb Puntos 659

¿Escucharía un tono sinusoidal o el altavoz estallando como si estuviera siendo empujado hacia adelante y hacia atrás?

Normalmente, para el audio, la frecuencia PWM está sustancialmente por encima de los 20 kHz (y normalmente por encima de los 100 kHz) por lo que el altavoz (si está conectado directamente a la señal PWM) reconstruiría el audio en el cono porque tiene masa y no puede mover el cono a la velocidad PWM. En otras palabras, el altavoz actúa como un filtro de paso bajo. Sin embargo, la frecuencia PWM puede seguir produciendo movimientos del cono que pueden molestar a los murciélagos/animales, pero un humano no lo oiría.

Pero, habrá energía perdida en el altavoz debido a la señal cruda que se aplica y esto puede no ser insignificante por lo tanto, se elige un filtro de paso bajo de inductor/capacitor que elimina el contenido de la "portadora" PWM.

Lo mismo se aplica a un motor: un motor no suele ser tan "ágil" como un altavoz y puede funcionar a una frecuencia PWM en el rango de los kHz bajos, pero aún así puede presentar un problema de sobrecalentamiento cuando se conecta a la señal PWM "cruda", por lo que a veces se emplea un filtrado de paso bajo adicional.

Algo similar ocurre con PAM/PCM, si tenemos un ciclo de trabajo del 50% y pulsos PAM en un secuencia de una onda sinusoidal, ¿qué emitiría el altavoz, un tono o un un tono o un ruido de chasquido?

De nuevo, la respuesta es similar; el "ruido digital" está casi seguro en una frecuencia mucho más alta que la del audio, por lo que puede ser necesario algún tipo de filtrado, pero no afectará a la calidad del sonido o al sonido producido si la frecuencia PCM es lo suficientemente alta.

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Alan Storm Puntos 506

Tu Figura 2 debe estar asumiendo algún tipo de filtrado - en algún lugar del sistema hay un filtro analógico de paso bajo que toma el PWM y lo convierte en un resultado más sinusoidal.

Sin embargo, ese filtro no tiene por qué ser un componente explícito del sistema. Tanto los altavoces como los motores eléctricos tienen una inductancia (y una inercia mecánica que básicamente se suma a la inductancia) que actúa como filtro. El coste de hacer esto directamente es que habrá vibraciones (por lo tanto, ruido acústico y energía desperdiciada) en la frecuencia PWM. En un controlador de motor, esto suele tomarse como un efecto secundario aceptable; en un sistema de altavoces hay que utilizar un filtro separado o asegurarse de que la frecuencia PWM y, por tanto, el ruido, sean ultrasónicos, o ambas cosas.

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