Hallo Ich hab das Internet schon durchsucht aber ich hab nicht wirklich was gefunden wie ein Digitaler Class D Verstärker funktioniert. Mir ist klar wie ein Analoger arbeitet aber ich kann mir nicht ganz vorstellen wie die Daten dann digital verarbeitet und welche Algorythmen so zeitkritische Sachen schaffen. Ich hoff ihr könnt mir da etwas weiter helfen. Danke! MFG Patrick
Ein Class D Verstärker muss keinen Prozessor oder irgendwelche Algorithmen haben. Es handelt sich einfach nur um ein Schaltnetzteil, das entsprechend hochfrequent in der Spannung verstellt werden kann. Das ist alles. Meistens wird das so gelöst, dass es eine positive und negative Zwischenkreisspannung gibt, die entweder per Schaltnetzteil oder konventionellem Trafo erzeugt wird. Diese Spannung wird pulsweitenmoduliert mit einigen hundert kHz mit einer FET-Endstufe, die den Ausgang zwischen der negativen zur positiven Zwischenkreisschiene umschaltet. Danach folgt eine kräftige Glättungsdrossel und der Lautsprecher gegen Masse (den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung). Nun lässt sich durch das Pulsweitenverhältnis die mittlere Ausgangsspannung einstellen. Das Audiosignal wird zur Erzeugung der PWM üblicherweise mit einem Dreiecksignal der Modulationsfrequenz (einige hundert kHz) verglichen. Das kann durch einen einfachen Komparator, z.B. LM393 passieren. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass Class D Endstufen nicht besonders gut klingen, getestet habe ich eine X-Kind DDX 2022 mit etwa 1,2 kW im Vergleich zu einer konventionellen Dynacord S1200 an Seburg-Lautsprechern. Besonders bei hohen Frequenzen klingt die lineare Endstufe deutlich schöner. Meiner Meinung nach sind die Class-D nur für den Basseinsatz bis etwa 150 Hz sinnvoll. Bezüglich der Effizienz muss ich sagen, dass die Class-D genausoviel Strom braucht, wie die lineare, das habe ich nachgemessen. Die Schaltnetzteiltechnik und D-Endstufe bringen nur in der Theorie eine Energieeinsparung. In der Paxis muss für einigermaßen passablen Klang die Schaltfrequenz so hoch sein, dass die Schaltverluste genauso hoch sind, wie die Verluste einer linearen Endstufe. Zudem ergibt sich durch die hohe Taktfrequenz ein erhebliches EMV-Problem mit den Lautsprecherleitungen. Viele Grüße, Peter
Danke Peter aber ich wollte explizit wissen man das digital löst MFG
Den Wert des zu verstärkenden Eingangssignals PWM Modulieren. Das kannst du z.B. durch Vergleich des Eingangssignals mit einer "hochfrequenten" Sägezahnspannung machen.
Wie würde das aussehen wenn man in den Verstärker noch Filteranwendungen integriert ? Wie wird dann das solche Signal am schnellsten verarbeitet usw. MFG
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das zu machen. Die einfachste ist die schon erwähnte PWM-Sache. Im Prinzip nur der analoge Vergleich mit einem Sägezahn. Die Ansteuerung kann man dann beliebig kompliziert machen, jeder Hersteller hat dann so seine eigenen Patente... zB: http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Zetex%20PDFs/ZXCD1010.pdf http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tpa2000d1.pdf Man kann es aber auch aufwendiger machen und mit DSP arbeiten. Gibts zB. von TI aufgekauft unter dem Namen Equibit: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tas5010.pdf So ein richtiges delta-sigma-Konzept eines normalen DACs sollte es auch geben, da wird es dann aber mit den benötigten Schaltgeschwindigkeiten bei grösseren Leistungen kritisch. So auf die Schnelle habe ich kein Beispiel dafür gefunden- Bei vielen Class-D-Endstufen fehlt aber die Rückkopplung vom Ausgang an den Eingang. Damit werden Schwankungen in der Versorgungsspannung ignoriert, was dann schon zu deutlichen Nicht-Linearitäten führen kann. Nicht umsonst macht man bei delta-sigma-Wandlern so einen Aufwand, dass das 0 bzw. 1-Bit genau symmetrisch sein muss...
>Danke Peter aber ich wollte explizit wissen man das digital löst
Ja, du nimmst dann einfach einen PWM-Ausgang von deinem Prozessor und
erzeugst die Pulsweitenmodulation damit. Wenn deine Audiodaten im 44,1
kHz wav Format vorliegen, änderst du den Comparewert von der PWM Unit
mit jedem Sampleschritt einfach auf den Wert des neuen Samples. fertig.
Was du da davor noch an Vorverarbeitung einbaust mit Filtern,
Frequenzweiche usw. hat ja nichts mit der Funktionsweise der Endstufe zu
tun. Die Filter könnste man je genauso extern vor der Endstufe betreiben
oder direkt im Mischpult haben.
Grüße,
Peter
Aber rein Theoretisch könnte man die Filter auch gleich in die DSP oder DSC integrieren welche die Signale dann via PWM ausgibt ? Aber wie macht man dies dan in Echtzeit? Sprich einlesen mit ADC, Filter anwenden und dann via PWM wieder ausgeben das ganze ? Da steht ja ein jitter von mindestens einigen Millisekunden wenn nicht mehr ? Wie bekommt man diesen jitter unter kontrolle? MFG
Es darf keinen großen Jitter geben. Der ADC ist dann üblicherweise ein 24 bit Typ mit 44,1 kHz oder 96 kHz und über I²S angeschlossen. Damit gibt der Takt des I²S exakt die Samplingrate vor und jeglicher Jitter kommt nur von der Takterzeugung innerhalb des Prozessors. Dann rechnet man die Filter. Das sollten, damit sie linearphasig sind, FIR-Filter mit symmetrischer Impulsantwort sein. Diese Filter haben dann also immer die gleiche Gruppenlaufzeit, verzögern das Signal also immer gleich viel, unabhängig von der Konfiguration. Das Problem dieser Latenzzeit ist, dass man sie irgendwann hört, wenn sie zu groß wird, das gilt aber für jeden Filter, egal ob er in der Endstufe ist, oder nicht. Nun liegt nach dem Filter jede Samplingperiode ein neues Sample an, das in das Compareregister des PWM-Moduls geschrieben wird. Damit keine Schwebungen entstehen, sollte die Modulationsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Samplingrate sein, etwa einen Faktor 5 schneller. Das bedeutet, nach jedem 5ten Ausgangspuls wird die Pulsweite an das neue Sample angepasst. Damit sich ein ganzzahliges Vielfaches ergibt, verwendet man für den I²S-Takteingang des ADC ein Signal, das man durch geeignetes Teilen aus der CPU-Frequenz erzeugt. Für die Takterzeugung des PWM-Moduls des Prozessors macht man das genauso, also auch durch Runterteilen des CPU-Taktes. Bei korrekter Konfiguration ist damit ein Entstehen von Schwebungen (Ein Sample wird nur für 4 Takte verwendet, das nächste für 6) unmöglich. Grüße, Peter
Also man kann das ganze Filtern auf 3 Phasen aufteilen (sprich verarbeitung) Sampling, Filter berechnen und ausgabe. Aber rein theoretisch könnte man so eine Filteranwendung in ein paar 100µS realisieren was dann nicht auffallen würde für den Zuhörer. Dann ist Problem sicher das man ned genug Samples bekommt MFG
Es kommt eben immer darauf an, welche Filterordnung man benötigt. In der Regel liegen die Latenzen gängiger Frequenzweichen bei einigen Zig bis einigen Hundert Samples. Bei Frequenzweichen erwartet man ja eine entsprechende Steilheit, so dass die Frequenzbereiche, für die der angeschlossene Lautsprecher nicht gebaut ist, dort auch nicht nennenswert eingespeist werden. Wenn man nur eine leichte Korrektur des Frequenzgangs der Lautsprecher oder des Raumes möchte, kann man auch wesentlich einfachere Filter verwednen. Wichtig ist nur, dass man dafür sorgt, dass alle Endstufen und Frequenzweichen eines Systems die gleiche Latenzzeit haben. Es sollte also eine Funktion geben, die die Filterlatenz anzeigen kann und eine weitere, mit der man einfach nur zusätzliche Verzögerungszeit einbauen kann. So kann man dafür sorgen, dass Signale, die die Ausspielwege am Mischpult gleichzeitig verlassen, auch gleichzeitig an den Lautsprechern ankommen. Oft hat man auch im Aufbau der Boxen unterschiedliche Abstände zum Zuhörer, da erweist sich zusätzlich konfigurierbare Latenz als sehr hilfreich. Störend ist Latenz nur bei Livemischungen, da man hier ja auch das unverzögerte Signal direkt von der Bühne hört. Geringe Latenzen führen dann zum sogenannten Kammfiltereffekt (Auslöschung einiger Frequenzen) und große Latenzen hört man als Echo. Hier hilft dann wirklich nur möglichst geringe Latenz, nach Möglichkeit gar keine und natürlich entsprechende Lautstärke, so dass das Originalsignal im Vergleich zum Signal aus den Lautsprechern sehr leise ist. Aber meine Erfahrtung bestätigt, dass es ungeübten Zuhörern überhaupt nicht auffällt, wenn im Spektrum eines Sprechers oder einer Musikband ein paar Frequenzbänder etwas abgeschwächt sind. So dramatisch, wie sich das anhört, wenn man es durchrechnet, ist das mit den Latenzzeiten in der Praxis also nicht. Grüße, Peter
Die meisten Konzepte der Class-D Endstufen besitzen keine Rückkoppelung vom Ausgang und sind daher deutlich schlechter als analoge Endstufen. Eine analoge Endstufe besteht vereinfacht ausgedrückt aus einem Differenzverstärker und einer Leistungsendstufe. Der Leistungsteil muss eine komplexe Last (Lautsprecher mit induktiven, resistiven und auch kapazitiven Verhalten) speisen. Der Leistungsteil aus Transistoren oder Mosfets aufgebaut verhält sich jedoch nicht linear zu dem Ansteuersignal und macht "Fehler". Diese Abweichung des Ausgangs vom Originalsignal wird gerne durch eine Rückkoppelung und Korrektur des aktuellen Wertes erledigt. Eine gutgemachte analoge Endstufe hat Klirrfaktorwerte die mit ausreichend vielen Nullen nach dem Komma (< 0,0001%) bei 1kHz aufwarten. Das kommt auch daher, dass z.B. Spannungsschwankungen der Versorgung durch die Rückkoppelung ausgeglichen werden. Ein Class-D Endstufe besteht aus einer H-Brücke (gelegentlich auch Halbbrücke) mit 4 MOSFETs. Mit einer Idealen Versorgungsspannung, idealen Schaltern und Filterkomponenten könnte man tatsächlich eine gut klingende digitale Endstufe aufbauen. Allerdings ist das Aufbauen einer Rückkoppelung in digitalen, zeitdiskreten Systemen nicht "mal eben" möglich. Nachteile: - Leider ist die Versorgungsspannung nicht stabil. Im Prinzip moduliert eine schwankende Betriebsspannung direkt das Ausgangssignal mit, da Ua = Udc x Tastgrad. Das wird nicht ausgeglichen. - Die MOSFETs haben einen nicht zu vernachlässigenden Innenwiderstand, ebenso das nachgeschaltete Filter. Diese verschlächtern den Dämpfungsfaktor erheblich. - Die Filter-Induktivität bring häufig Nichtlinearitäten in das Ausgangssignal. - Die Halbbrücken werden mit einer Totzeit angesteuert. In dieser Pause zwischen Ausschalten des einen- und Anschalten des anderen MOSFETs fließt der Strom durch eine der beiden Freilaufdioden. Welche das ist müsste man messen. Jedenfalls "verschmiert" dieser unkontrollierte Stromfluss die Spannungs-Zeitfläche und führt zu einem unsauberen Ausgangssignal. Puh, es gibt noch soviel mehr. Allerdings finde ich die Vorteile des Konzepts attraktiv, insbesondere wenn man eine voll-digitale Kette aufbauen kann. Mit einem DSP kann man die digitalen Filter für Frequenzweiche und mehr rechnen und quasi "verlustfrei" ohne DAC und analogendstufe ausgeben. Eigentlich der beste Weg für einen digitale Endstufe ist meiner Meinung, statt einer PWM mit einem delta-sigma Modulator INKLUSIVE Rückkoppelung zu arbeiten. Könnte man auf einem FPGA implementieren, ist aber Signaltheoretisch nicht ganz trivial. Alternativ gibt es Hersteller, die Endstufen mit diskret aufgebautem, selbsschwingenden Modulator (Bandbreite > 5MHz) und fetten MOSFETs bauen. Haben ca. 4-8kW Sinus Ausgangsleistung und klingen nicht ganz scheiße.
@Peter In meinem 3 kanaligen DSP-Lautsprechersystem arbeite ich mit minimalphasigen Filtern. Bei der Berechnung der Koeffizientensätze bestimme ich das maximale Delay der drei Kanäle und füge in die zwei Kanäle mit frühem Maximum der Inpulsantwort entsprechend Delays ein. Linearphasige Filter im Tieftonzweig gehen fast gar nicht :)
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