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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltungsentwurf: Analog-Audioeingang und ADC


Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Huhu,

im Anhang hätte ich meinen ersten Entwurf für die Eingangsbeschaltung 
eines Audio-ADC.

- Rechts bilden S+ und S- einen symmetrischen Eingang.
- Die Zenerdioden dienen als Schutzbeschaltung, R5 und R6 sollen im 
Falle des Falles einen Kurzschluss verhindern.
- An JP5 und JP6 kommt ein zweipoliger Umschalter, der ein Pad von etwa 
-20dB realisiert.
- JP9 ist ein Potentiometer und konstruiert mit IC1a/b einen 
Vorverstärker.
- IC6a zieht das symmetrische Signal ab und führt dann zum ADC.

Preisfrage: Kann ich das so aufbauen und ist es dann audio-tauglich?
Ich denke, ich sollte noch einen Aliasing-Filter dazusetzen, denn der 
ADC hat keinen eingebaut. Müsste ein möglichst steiles Tiefpass mit 
möglichst wenig Pfuscherei im Frequenzspektrum sein, oder?

Was ich mich beim ADC selbst noch frage: Wie soll ich die 
Versorgungseingänge beschalten (V-ana und V-dig)? Zwei vollkommen 
getrennte Spannungen stabilisieren? Die Überlegung im Datenblatt ist:
- Versorge ich den Digitalteil des ADC mit der Spannung, mit der z.B. 
auch MCU etc. versorgt werden, dann leite ich die Sauereien auf der 
Spannung prima in den ADC herein.
- Versorge ich den Digitalteil mit der Spannung, die auch den Analogteil 
versorgt (damit die Sauereien aus dem Rest nicht einstrahlen), dann 
versaut sich der ADC mit seinem eigenen Digitalteil seine Versorgung.

So zumindest die Theorie im Datenblatt. Was mach ich denn nun? :-}

Vielen Dank und viele Grüße,
Sven

PS: Bitte nicht steinigen, ist meine erste Audio-Schaltung.

Autor: Michael (Gast)
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Es gibt so ungefähr tausend Möglichkeiten einen Audio ADC zu beschalten.

Fragen die Du vorab klären solltest:
. Wie gut soll die Schaltung sein? -> (TL072 sind eher selten im 
Audiobereich zu finden)
. AC- oder DC gekoppelter Eingang (Du hast eine DC-Kopplung, eher 
ungünstig)
. Hast du einen asymmetrischen Audio-ADC? (kenne ich fast gar nicht: 
schreib mal welchen Typen Du hast)
. Soll deine Schaltung automatisch symmetrieren wenn du ein 
asymmetrisches Signal einspeist?
. Welche Versorgungsspannung nimmst Du? -> Netzteil
. Abtastfrequenz und Eckfrequenz?



Ich glaube Du hast dich mit der Beschaltung des Sym-Asym vertan ?!
Positiv: Uout = 2/3 U+ * 2 = 4/3 U+
Negativ: Uout = -U

Schau dir mal die Datenblätter an:
http://www.asahi-kasei.co.jp/akm/en/product/ak5393...
http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5361_F2.pdf
http://www.cirrus.com/en/pubs/rdDatasheet/cs5361eb-4.pdf

Autor: gast (Gast)
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in sehr vielen datenblättern von ADCs

PCM17xx von TI zB sind appnotes drin
diese kann man gefahrenlos verwenden


es sollten rauscharme OPVs verwendet werdne .. der TL jedoch .. finde 
ich .. rauscht wie ein wasserfall

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Erstmal danke für die Antworten!

Zu den Nachfragen:
- Güte: So gut wie möglich und machbar. Dabei stelle ich keine 
Hifi-Ansprüche, das is vollkommen klar, sondern vielmehr geht es mal 
wieder um den Lerneffekt. Um es subjektiv zu beschreiben: Die 
Aufnahmequalität sollte in einem Bereich liegen, in dem man sichs bequem 
auch längere Zeit anhören kann. Meinethalben in etwa da, wo ein billiger 
MP3-Player auch liegt.

- Kopplung: Ist hier natürlich noch DC, das liegt aber daran, dass die 
47µF-Kondensatoren auf einer anderen Platine liegen. Verzeihung, hätte 
ich natürlich erwähnen sollen.

- Beim ADC handelt es sich um einen präzisen und schnellen 
Universal-ADC. Ich hab bewusst keinen dedizierten Audio-ADC benutzt, da 
ich (Lerneffekt) selbst ein Auge darauf haben möchte, was genau und wo 
und warum noch mit dem Eingangssignal angestellt wird (etwa 
Anti-Aliasing, Kopplung etc.). Dass darunter die Qualität leidet, das is 
ganz klar, aber hier steht der Lerneffekt im Vordergrund.

- Die Schaltung sollte mit einem symmetrischen Signal zurechtkommen, 
eine andere Anforderung gibts nicht. Asymmetrische Signale würde man 
zwischen S+ und S- einspeisen, ist auch bei Mischpulten so gängig.

- Versorgungsspannung: Der ADC und der Rest des Digitalteils verlangt 
5V; für den Analogkram dachte ich an mindestens +-12V, wenn nicht sogar 
mehr. Ist erstmal unkritisch, da der Versuchsaufbau noch am 
Labornetzteil hängt. Später überlege ich, entweder eine gutes 
Linearnetzteil zu bauen oder einen Schaltregler, dessen Frequenz 
mindestens auf der Abtastfrequenz liegt.

- Die Abtastfrequenz liegt bei mindestens 44kHz.


Zu den Opamps: Werden vermutlich NE5532 bzw. NE5534. Meine Überlegung 
ist, dass der Rest meiner Schaltung sowieso nicht derart viel Qualität 
hergibt, dass bessere OPV sich lohnen würden.


Wegen der Symmetrierung: R1 müsste natürlich 10kOhm haben. Ansonsten 
sind mir in der Praxis mit dieser Schaltung noch keine Fehler 
aufgefallen, was natürlich nicht heißt, dass die Schaltung korrekt ist 
-- für Anregungen bin ich dankbar :-)

Autor: Michael (Gast)
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Ich denke die Zener-Diode om Eingang macht nicht soviel Sinn. Der 
NE5532/4 hat selbst Clapingdioden damit die Differenz nicht größer als 
0,7V werden kann.
Wichtiger wären schnelle Schottky-Dioden zum Schutz Deines AD-Wandlers 
(z.B. BAT54S) gegen die +/-12V Ausgangspegel der OPAMPs. Dazu am Ausgang 
des Sym-Asym auf jeden Fall einen Serienwiderstand einbauen 
(Strombegrenzung).

Bei Mischpulten ist normalerweise eine Symmetrierschaltung eingebaut, 
wenn man mit asymmetrischen Signalen einspeist. Dazu werden S- und GND 
verbunden mit der Bezugsmasse des Eingangssignals und das Signal selbst 
über S+ eingespeist.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Michael schrieb:
> Ich denke die Zener-Diode om Eingang macht nicht soviel Sinn. Der
> NE5532/4 hat selbst Clapingdioden damit die Differenz nicht größer als
> 0,7V werden kann.
Hm, ok.

> Wichtiger wären schnelle Schottky-Dioden zum Schutz Deines AD-Wandlers
> (z.B. BAT54S) gegen die +/-12V Ausgangspegel der OPAMPs. Dazu am Ausgang
> des Sym-Asym auf jeden Fall einen Serienwiderstand einbauen
> (Strombegrenzung).
Ok, die bau ich noch ein.


> Bei Mischpulten ist normalerweise eine Symmetrierschaltung eingebaut,
> wenn man mit asymmetrischen Signalen einspeist. Dazu werden S- und GND
> verbunden mit der Bezugsmasse des Eingangssignals und das Signal selbst
> über S+ eingespeist.
So war das gedacht :-)

Habe ich sonst noch grobe Fehler verbaut oder gibts noch Tipps, was ich 
verbessern könnte?

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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So, die Schutzdioden für den ADC habe ich verbaut (Zeichnung folgt).

Nun wäre wohl ein Tiefpass vor dem ADC angebracht, um Aliasing-Anteile 
rauszufiltern. Reichen da 12dB/Oktave oder muss ich ein steileres 
wählen? Ich dachte an ein 24dB-Linkwitz-Riley --

Wie stehts um die Versorgung des ADC (meine Überlegung hatte ich im 
Eingangspost beschrieben)?

Autor: HildeK (Gast)
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>Nun wäre wohl ein Tiefpass vor dem ADC angebracht, um Aliasing-Anteile
>rauszufiltern. Reichen da 12dB/Oktave oder muss ich ein steileres
>wählen?
Naja, das ist immer die große Frage.

Signale oberhalb der halben Abtastfrequenz sollten idealerweise mit 
weniger Pegel als dem Äquivalent eines LSB deines ADCs anliegen - 
sprich: bei einem 16-Bit ADC sollten die Pegel rund 96dB (6dB/Bit) unter 
Vollaussteuerung sein - für alle Frequenzen oberhalb fA/2. Sollten aber 
die Eingangssignal dort schon ausreichend klein sein (weil die Quelle 
nicht mehr hergibt), kann man das anrechnen.
Da du weder ADC-Auflösung noch gewünschte Nutzbandbreite angegeben hast, 
nehme ich einfach mal beispielhaft an:
Für Audio wäre wohl die Forderung nach 15-20kHz Nutzbandbreite normal. 
Ebenso 16Bit ADC-Auflösung. Und bei 22kHz liegt die halbe 
Abtastfrequenz. Damit kommst du mit keinem deiner Filteransätze auch nur 
annähernd an die notwendige Dämpfung von über 90dB.
Kannst du aber Signalanteile oberhalb 22kHz ausschließen, dann brauchst 
du gar kein Filter.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
> Signale oberhalb der halben Abtastfrequenz sollten idealerweise mit
> weniger Pegel als dem Äquivalent eines LSB deines ADCs anliegen -
> sprich: bei einem 16-Bit ADC sollten die Pegel rund 96dB (6dB/Bit) unter
> Vollaussteuerung sein - für alle Frequenzen oberhalb fA/2. Sollten aber
> die Eingangssignal dort schon ausreichend klein sein (weil die Quelle
> nicht mehr hergibt), kann man das anrechnen.
Klingt einleuchtend - danke!

> Für Audio wäre wohl die Forderung nach 15-20kHz Nutzbandbreite normal.
> Ebenso 16Bit ADC-Auflösung. Und bei 22kHz liegt die halbe
> Abtastfrequenz.
Ganz genau so verhält es sich in meinem Fall.

> Damit kommst du mit keinem deiner Filteransätze auch nur
> annähernd an die notwendige Dämpfung von über 90dB.
> Kannst du aber Signalanteile oberhalb 22kHz ausschließen, dann brauchst
> du gar kein Filter.
Hm, ausschließen kann ich sie sie sicher nicht, und seien es später nur 
Oberwellen einer unsauberen Signalquelle.
Hab nochmal gerechnet, also ein brauchbares Filter mit 24dB/Oktave ist 
noch realistisch aufzubauen, danach wirds mit Phasen und Verzögerung 
schon kritisch.

Wie wird denn in professionellen Anwendungen gefiltert?
Die Datenblätter, die Michael eingangs erwähnt, zeigen Abschwächungen 
von über 100dB, das ist doch dann sicher digital gefiltert, oder?

Autor: HildeK (Gast)
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>Wie wird denn in professionellen Anwendungen gefiltert?
So ganz genau weiß ich das auch nicht, aber grundsätzlich geht man wohl 
so vor:
- hohe Abtastfrequenz, z.B. 192 kHz oder eben ein Vielfaches von 
44.1kHz. Dann relativ einfaches Filter mit Grenzfrequenz ab ca. 20kHz 
und die große Dämpfung muss erst bei 96kHz sein. Das sind dann immerhin 
2 Oktaven Luft und mit 48dB/Oktave bist du auf der sicheren Seite. 
Danach in der digitalen Ebene ein entsprechendes Filter ab 20kHz, mit 
Noise-Shaping und anderen Features. Das kann relativ leicht (gut, man 
braucht schon ein größere Anzahl von Koeffizienten, 50, 100 oder noch 
mehr) mit hoher Dämpfung und absolut phasenlinear realisiert werden 
(Transversalfilter). Anschließend eine entsprechende Dezimation 
(Abtastratenwandlung) auf den gewünschten Wert. Meist kann man dann auch 
noch die Auflösung des AD-Wandlers reduzieren - bis hinunter zu 1Bit bei 
Abtastfrequenzen im MHz-Bereich.

- alternativ ein sehr aufwendiges analoges Filter hoher Ordnung. Ev. mit 
gewissen Abstrichen bei der Grenzfrequenz und der Dämpfung (eben die 
Einberechnung der im Allgemeinen geringen Signalanteile bei den höheren 
Audiofrequenzen). Das kann aber speziell bei Synthesizer-Musik schon 
schwierig vorherzusehen sein, siehe deine Aussage:
>Hm, ausschließen kann ich sie sie sicher nicht, und seien es später nur
>Oberwellen einer unsauberen Signalquelle.
Unschön ist eben, dass diese Signal sich an der Abtastfrequenz spiegeln 
und nachher im Nutzband auftauchen. Bei fA=44.1 kHz wäre eine 
Störfrequenz, die bei 43.1kHz liegt, nachher bei 1kHz zu hören.


Es existiert natürlich dasselbe Problem bei der DA-Wandlung, denn die 
Nutzbänder tauchen um die Abtastfrequenz und deren Vielfache erneut auf. 
D.h., bei 24kHz tauchen dann erneut die Signalanteile auf, die im 
Nutzband bei 20kHz vorhanden sind. Glücklicherweise filtert das Ohr mit 
....


>danach wirds mit Phasen und Verzögerung
>schon kritisch.
So ganz kritisch sind Gruppenlaufzeitverzerrungen für Audio nicht - das 
Ohr ist hier nicht besonders empfindlich. Eher schon auf die Differenzen 
der Filter zwischen den beiden Kanälen. Zudem ist die Hauptinformation 
ja im Bereich unter 10kHz und da sind auch Filter höherer Ordnung noch 
nicht so wild.

>Die Datenblätter, die Michael eingangs erwähnt, zeigen Abschwächungen
>von über 100dB, das ist doch dann sicher digital gefiltert, oder?
Ja. Und vorne eine einfache analoge Bandbegrenzung.
Wenn ich die Datenblätter früher angeschaut hätte, dann hätte ich mir 
den Text sparen können. Das sind die professionellen Vorgehensweisen.

Autor: Mr. Machine (machine123)
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Normalerweise arbeitet man bei Audio ADC / DAC mit Oversampling. so ca. 
4x bis 256x Oversampling habe ich schon gesehen.

Durch das OS reichen einfache Filter aus.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
> Wenn ich die Datenblätter früher angeschaut hätte, dann hätte ich mir
> den Text sparen können. Das sind die professionellen Vorgehensweisen.
Das hätte ich außerordentlich schade gefunden, dein Text läutet bei mir 
wesentlich mehr Glöckchen, als die Datenblätter :-)


Zum Thema:
Oversampling kann ich (mit bisheriger Planung) kaum realisieren, das 
gibt der Digitalteil nicht her. Wenn alle Stricke reißen, kommt das 
natürlich wieder ins Spiel, dann muss ich halt andere Prozessoren 
benutzen.

Wie auch immer, ich will ja was bei lernen, auch über analoge Filter.
Mit meinem bisherigen Wissensstand würde ich sagen, dass sich 
Sallen-Key-Stufen noch am ehesten eignen würden, da sie mit weniger 
genauen Bauteilen auskommen und pro Stufe schon zwei Ordnungen 
erschlagen.

Was wäre denn, wenn ich vier Stufen, also ein Filter 8. Ordnung, 
umsetzen würde? Damit dürfte ich doch locker schonmal auf -80dB kommen 
--

Autor: HildeK (Gast)
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>Was wäre denn, wenn ich vier Stufen, also ein Filter 8. Ordnung,
>umsetzen würde? Damit dürfte ich doch locker schonmal auf -80dB kommen

Vorsicht: ein Filter hat einen Abfall von 6dB/Oktave je Ordnung. Bei 
8.Ordnung hast du also 48dB bei der doppelten Grenzfrequenz.
Wenn du 15kHz als Grenzfrequenz (-3dB) ansetzt, dann sind diese 48dB 
erst bei 30kHz erreicht. Du solltest aber bereits bei 22kHz ausreichend 
Dämpfung haben! Nicht so einfach :-).

Ein Tschebycheff-Filter 8.Ordnung mit Grenzfrequenz 15kHz hat bei 22kHz 
erst gute 50dB Dämpfung. Dieser Typ ist der steilste, der mir bekannt 
ist, allerdings auch der mit der größten Welligkeit und den heftigsten 
Gruppenlaufzeitverzerrungen. Leider bräuchte man da mindestens eine 
Stufe mit einem OPA mit 4GHz GBW!
Der Standardtyp Butterworth hat da nur rund 25dB, mit einem OPA mit 
25MHz GBW.
Nochmal: Nicht so einfach :-).

Kennst du das kostenlose FilterPro von Texas Instruments? Da kannst du 
mit spielen und erhälst die Schaltung (und die Anforderungen an die 
OPAs) gleich mitgeliefert.

Autor: Oliver Döring (odbs)
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Vergiß das mal wieder ganz schnell. Nach diesem Rezept hat man in der 
Anfangsphase des Digitalaudios grausamst klingende Geräte gebaut.

Was du brauchst, ist ein Audio-A/D-Wandler, der intern überabtastet und 
anschließend digital filtert. Das tun die meisten, lies einfach mal die 
entsprechenden Datenblätter genau durch. Du bekommst davon gar nichts 
mit und deine digitale Signalverarbeitung hinter dem A/D-Wandler auch 
nicht. Das ist übrigens auch der Grund, warum diese Wandler so eine hohe 
Taktfrequenz brauchen.

Das Anti-Aliasing-Filter kann dann dementsprechend ganz simpel aufgebaut 
sein.

Autor: HildeK (Gast)
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@Oliver Döring (odbs)
Du hast natürlich vollkommen recht - Sven P. wollte aber auch ein paar 
Hintergründe verstehen. Auch um deine Aussage richtig werten zu können.

Autor: Oliver Döring (odbs)
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Ok.

Dann nur zur Info, das aktuelle "Spitzenmodell" von TI, der PCM4222, 
kommt explizit mit einem analogen Anti-Aliasing-Filter erster Ordnung 
aus - den Rest erledigt der interne Decimation Filter.

Da er sowieso einen Pufferverstärker braucht, um die internen 
Kondensatoren mit geringer Impedanz umzuladen, kann man das elegant 
gleich mit erledigen. Siehe Schaltplan vom Evaluation Board im 
Datenblatt.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
>>Was wäre denn, wenn ich vier Stufen, also ein Filter 8. Ordnung,
>>umsetzen würde? Damit dürfte ich doch locker schonmal auf -80dB kommen
>
> Vorsicht: ein Filter hat einen Abfall von 6dB/Oktave je Ordnung. Bei
> 8.Ordnung hast du also 48dB bei der doppelten Grenzfrequenz.
Stimmt grübel

> Kennst du das kostenlose FilterPro von Texas Instruments? Da kannst du
> mit spielen und erhälst die Schaltung (und die Anforderungen an die
> OPAs) gleich mitgeliefert.
Ja, damit spiele ich ja momentan herum :-) Auch das Rechenprogramm zum 
MAX274 ist ziemlich gut gemacht.

Zum Übersampeln: Der ADC gibt 200kS pro Sekunde her, viel Spielraum hat 
der also nicht (wie gesagt, ist halt kein Audio-ADC, sondern ein 
universeller Präzisionstyp).
Ich denke, die Problematik hab ich soweit begriffen, um das Nogo fällen 
zu können :-)
Ich werde mal Ausschau nach einem Audio-ADC halten.


Anderes Thema: Die andre Seite, also der DAC. Was genau muss denn da an 
Filterung hinterher, wenn man mal einen klassischen 16bit-DAC mit 44kHz 
als Beispiel für ein Experiment hernimmt?
Prinzipiell müsste es sich doch da ähnlich verhalten, also ich müsste 
auch da ein 'utopisches' Filter anbauen, damit ich die Aliase abgesägt 
bekomme. Andererseits erwähnte HildeK die Trägheit/Unempfindlichkeit des 
Ohres oberhalb des nutzbaren Frequenzbandes -- das dürfte das Filter 
doch drastisch vereinfachen, hm?

Autor: Oliver Döring (odbs)
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In der Praxis kommst du viel leichter davon, als du denken würdest.

Es gibt NOS (non-oversampling) D/A-Wandler-Projekte, die GAR NICHT 
filtern. Der Rest des Systems bis zum Lautsprecher stellt ja auch schon 
einen ganz guten Tiefpaß dar, und im Lautsprecher wird dann noch 
"mechanisch" gefiltert.

Ein Problem könnte lediglich sein, das schlechte Verstärker dann 
IM-Verzerrungen produzieren, die mit einem "anständigen" Ausgangsfilter 
nicht auftreten würden.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Oliver Döring schrieb:
> In der Praxis kommst du viel leichter davon, als du denken würdest.
>
> Es gibt NOS (non-oversampling) D/A-Wandler-Projekte, die GAR NICHT
> filtern. Der Rest des Systems bis zum Lautsprecher stellt ja auch schon
> einen ganz guten Tiefpaß dar, und im Lautsprecher wird dann noch
> "mechanisch" gefiltert.
Das ist klar, aber ganz prinzipiell wäre da schon wieder so ein steiler 
Filter nötig, oder?

> Ein Problem könnte lediglich sein, das schlechte Verstärker dann
> IM-Verzerrungen produzieren, die mit einem "anständigen" Ausgangsfilter
> nicht auftreten würden.
Klar.


Nochmal ein idealisiertes Gedankenexperiment (kann leider z.Zt. weder 
simulieren noch ausprobieren):

Wenn ich zwei Sinussignale mische (addiere), eines mit 500Hz (tiefes 
Brummen) und eines mit 30kHz (kaum/nicht hörbar) und das Resultat dann 
mit 20kHz abtaste und wieder ideal hörbar mache, dann müsste ich doch 
ein Brummen überlagert mit einem äußerst ekelhaften Pfeifen (10kHz 
Alias) hören, richtig?

Danke!

Autor: HildeK (Gast)
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>Wenn ich zwei Sinussignale mische (addiere), eines mit 500Hz (tiefes
>Brummen) und eines mit 30kHz (kaum/nicht hörbar) und das Resultat dann
>mit 20kHz abtaste und wieder ideal hörbar mache, dann müsste ich doch
>ein Brummen überlagert mit einem äußerst ekelhaften Pfeifen (10kHz
>Alias) hören, richtig?
Ja, völlig korrekt. Genau deshalb braucht man ja ein Filter.
Zur Terminologie: Mischen ist nicht gleich Addieren. Mischen ist 
Multiplizieren. Abtasten übrigens auch.

Übrigens: 30kHz sind nicht hörbar - außer du bist eine Fledermaus :-)

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
> Zur Terminologie: Mischen ist nicht gleich Addieren. Mischen ist
> Multiplizieren. Abtasten übrigens auch.
Hm, mal ganz praktisch gesprochen: Wenn ich zwei Tonquellen 
zusammenbringen möchte ('mischen' möchte), was ist das dann? 
Schaltungstechnisch würde man das ja z.B. mit zwei Widerständen und nem 
Spannungsfolger machen -- das würde dann einem Summierverstärker 
entsprechen, nich?
Also will meinen, 'mischen' in der Umgangssprache is wohl irgendwann mal 
schief gegangen?

> Übrigens: 30kHz sind nicht hörbar - außer du bist eine Fledermaus :-)
:-)


Zum DAC: Mit einem Butterworth-Filter 2. Ordnung am Ausgang 
beispielsweise wäre ich also in weiten Teilen auf der sicheren Seite?

Autor: Oliver Döring (odbs)
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Zwei Audiosignale "mischen" bedeutet hier Addieren, klar. Der 
Summierverstärker erledigt das für dich.

Technisch korrekt gesehen ist "Mischen" aber eine Multiplikation, die 
zum Beispiel in der HF-Technik zum Verschieben eines Signals im 
Frequenzbereich angewendet wird.

Konsultiere für das Ausgangsfilter am besten das Datenblatt des 
verwendeten D/A-Wandlers. Mehr als zweite Ordnung ist aber in den 
meisten Fällen nicht nötig.

Autor: HildeK (Gast)
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>Hm, mal ganz praktisch gesprochen: Wenn ich zwei Tonquellen
>zusammenbringen möchte ('mischen' möchte), was ist das dann?
Addieren. Auch wenn ein Mischpult 'mischen' im Wortstamm enthält, es ist 
nur addieren. Und, ich nenne ihn trotzdem 'Mixer'. :-)
Man nennt die Verstärkerschaltungen auch Summier- oder Addierverstärker.
>Also will meinen, 'mischen' in der Umgangssprache is wohl irgendwann mal
>schief gegangen?
So ist das manchmal mit der Umgangssprache. Solange einem die 
funktionalen Unterschiede bewusst sind, ist das auch nicht besonders 
tragisch.

Nachtrag zu:
>Das ist klar, aber ganz prinzipiell wäre da schon wieder so ein steiler
>Filter nötig, oder?
Es ist deshalb nicht so kritisch, weil du bei der DA-Wandlung keine 
Frequenzen in deinem Nutzband (hier: Hörbereich) erhältst. Das wäre 
anders, wenn du ein Abtastsystem mit 8kHz hättest, weil oberhalb 4kHz 
noch eine Menge hörbarer Frequenzen vorkommen.
Wenn man allerdings ganz allgemein ein Signal D/A wandelt und will nur 
das Nutzband haben, dann ist der Filteraufwand wieder so groß. Das kann 
in bestimmten System durchaus eine große Rolle spielen.

>Zum DAC: Mit einem Butterworth-Filter 2. Ordnung am Ausgang
>beispielsweise wäre ich also in weiten Teilen auf der sicheren Seite?
Ich würde eher die 4.Ordnung vorziehen.
Man sollte ja auch EMV-Gründen möglichst nichts abstrahlen - auch nicht 
über die Lautsprecherleitung. Und, die großen Leistungsanteile liegen 
statistisch bei der Musik im Bereich unterhalb 1-2kHz, also solltest du 
bei fa-2kHz soviel Dämpfung haben, dass dein Verstärker und Lautsprecher 
nicht mehr belastet wird.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK und Oliver:
Ok, der Unterschied ist mir jetzt klar -- ich versuch mal, in Zukunft 
eindeutig zu formulieren :-)

HildeK schrieb:
> Nachtrag zu:
>>Das ist klar, aber ganz prinzipiell wäre da schon wieder so ein steiler
>>Filter nötig, oder?
> Es ist deshalb nicht so kritisch, weil du bei der DA-Wandlung keine
> Frequenzen in deinem Nutzband (hier: Hörbereich) erhältst.
Stimmt, selbst wenn da Aliase auftauchen (Wandlung mit 44kHz), würden 
die sich ja wieder oberhalb und damit unhörbar spiegeln. Unterhalb hat 
der Wandler das Frequenzband ja sowieso im Griff, denn er konstruiert es 
ja gerade selber.

> Das wäre
> anders, wenn du ein Abtastsystem mit 8kHz hättest, weil oberhalb 4kHz
> noch eine Menge hörbarer Frequenzen vorkommen.
> Wenn man allerdings ganz allgemein ein Signal D/A wandelt und will nur
> das Nutzband haben, dann ist der Filteraufwand wieder so groß. Das kann
> in bestimmten System durchaus eine große Rolle spielen.
Ok.

>>Zum DAC: Mit einem Butterworth-Filter 2. Ordnung am Ausgang
>>beispielsweise wäre ich also in weiten Teilen auf der sicheren Seite?
> Ich würde eher die 4.Ordnung vorziehen.
> Man sollte ja auch EMV-Gründen möglichst nichts abstrahlen - auch nicht
> über die Lautsprecherleitung.
D.h., für die Qualität ist es an sich unerheblich; der Filter und die 
höhere Ordnung machen die Sache nur aus anderen Sichtweisen sauberer 
(EMV und so weiter).

> Und, die großen Leistungsanteile liegen
> statistisch bei der Musik im Bereich unterhalb 1-2kHz, also solltest du
> bei fa-2kHz soviel Dämpfung haben, dass dein Verstärker und Lautsprecher
> nicht mehr belastet wird.
Weil sich um 42kHz (=f_a - 2kHz) unhörbar der ursprünglich 
leistungsstarke Teil (0..2kHz) spiegelt und der ansonsten sinnlos heizen 
würde?

(Sorry, die Materie [über]fordert mich noch ganz gewaltig, ich kämpfe... 
:-) )

Autor: HildeK (Gast)
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>D.h., für die Qualität ist es an sich unerheblich;
Weitgehend, aber nicht ganz. Wenn deine nachfolgende Stufen irgendwelche 
Nichtlinearitäten haben, so kann das die Qualität auch beeinflussen. 
Hier taucht wieder der Begriff 'Mischen' auf, denn hier werden z.B. zwei 
oder mehrer Frequenzlinien miteinander multipliziert, wodurch Summen- 
und Differenzfrequenzen entstehen. Die Differenzfrequenzen können sehr 
wohl wieder im Nutzband zu finden sein.
Mischen oder Multiplizieren ist ja:
 U1*cos(w1*t) * U2*cos(w2*t) = U1*U2/2 * [cos((w1-w2)t) + cos((w1+w2)t)]
(oder so ähnlich...) (w = 2*PI*f)
 --> suche mal in einer Formelsammlung das Ergebnis von cos(x) * cos(y).
Und, welches System ist schon absolut linear. Dies war auch der Grund 
für Oliver Dörings Aussage oben:
>Ein Problem könnte lediglich sein, das schlechte Verstärker dann
>IM-Verzerrungen produzieren, die mit einem "anständigen" Ausgangsfilter
>nicht auftreten würden.

>Weil sich um 42kHz (=f_a - 2kHz) unhörbar der ursprünglich
>leistungsstarke Teil (0..2kHz) spiegelt und der ansonsten sinnlos heizen
>würde?
Exakt. Und, siehe oben, ev. intermodulieren. Oberhalb dieser 42kHz gibt 
es natürlich diese Anteile erneut (44-46kHz), aber da dämpft das Filter 
ja noch mehr - das kommt uns entgegen. Außerdem wiederholt sich das 
Spektrum bei jedem Vielfachen der Abtastfrequenz.

>(Sorry, die Materie [über]fordert mich noch ganz gewaltig, ich kämpfe...
>:-) )
So schlimm ist es auch nicht. Alles kann man eh nicht auf einmal 
verstehen - es ist ein weites Feld. Aber, du bist auf einem guten Weg.
Es gibt da aber auch noch ein paar andere Effekte. Und, alles habe ich 
da in auch nicht drauf.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Ich hab mal beispielhaft ein Filter für den Ausgang des DAC gebaut.
Rahmendaten:
- Samplerate 44,1kHz
- Nutzbandbreite hab ich mit 20kHz angesetzt

Ist jetzt ein sechspoliges Chebychev geworden, steiler wirds wohl nicht.
Die Fragen, die sich mir da stellen:
- Je weniger Ripple ich erlaube, desto weniger steil sollte die Sache 
werden; die Unterschiede in der Steilheit zwischen 1/10 und 1/1000 dB 
Ripple sind jedoch kaum der Rede Wert -- hat das sonst noch Effekte?
- Ich komm bei 42kHz auf etwa 40dB Dämpfung -- das müsste doch ok sein, 
es geht ja 'eigentlich' nur um Kosmetik.
- Die Phasendrehung da kommt mir extrem vor, wie würde sich das auf ein 
Audiosignal auswirken?
- Verzögerung über die drei Glieder bleibt noch im Rahmen, denk ich, 
dürften gegen Ende etwa 10µs sein.

Ich weiß zwar nicht, was der blaue Cursor bei 240kHz macht, aber was 
meint ihr sonst?
Der Aufbau an sich wär durchaus zu vertreten.

Was den Verstärker und mögliche Verzerrungen in dessen Mischerei angeht: 
Ich unterstelle einfach mal
(a) Kopfhöhrer direkt hinterm DAC oder alternativ
(b) einen anständigen Filter im Verstärker, denn der Verstärker sollte 
ja am besten wissen, was er echt verstärken kann und was später von 
unten wieder angespiegelt kommt :-)


Randbemerkung: Das Programm von TI läuft unter Linux; den DAC habe ich 
spaßeshalber einfach mal an drei Leitungen des Parallelports geklemmt 
(Daten, Takt und Rahmen) und mal bissl gespielt. Jetzt fütter ich mit 
12kHz Samplerate und 200kHz-Bitgewackel Samples rein und höre Musik 
darüber ;-)

Autor: HildeK (Gast)
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Soweit sieht das ok aus. Aber gerade der Tschebycheff hat die größten 
Gruppenlaufzeitverzerrungen. Vergleich das mal mit der Bessel-Variante. 
Das dämpft dafür nicht besonders. Einen Tod musst du sterben ...
Mir wäre die Butterworth-Variante lieber.
>-- hat das sonst noch Effekte?
Schwer zu sagen, ev. gehen die Bauteiltoleranzen deutlicher ein.

>- Die Phasendrehung da kommt mir extrem vor, wie würde sich das auf ein
>Audiosignal auswirken?
Aussagen dazu ziehen schnell den Widerspruch von HIFI-Enthusiasten auf 
sich. Man sagt, dass das Ohr keine Phasenempfindlichkeit hat. Schau und 
hör dir mal die angehängte Demo in z.B. Audacity an. Ich habe da ein 
Rechtecksignal synthetisiert und einmal die Phasenlage der Oberwellen 
deutlich verschoben.
Allerdings wirken sich Phasenunterschiede zwischen den beiden 
Stereokanälen direkt auf die Ortung aus.

>was der blaue Cursor bei 240kHz macht
Klicke mit der Maus in das Diagramm, dann stellt sich die blaue Linie 
dort ein und das Feld zeigt die zugehörige Frequenz an. Nur Ablesehilfe.

Die Verstärker haben üblicherweise keine besondere Filterung, häufig 
dient es ja als Werbeargument, wenn er bis 100kHz geht. Ab irgendeiner 
Frequenz gibt es halt einen harmlosen Abfall mit höchstens 6 oder 12dB 
pro Oktave. Auf den kannst du bei der Filterung nicht bauen.

Autor: Oliver Döring (odbs)
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Bei Audio spielt vor allem der (subjektive) Klangeindruck eine Rolle. 
Die technischen Daten allein zählen nicht.

Ein Filter vierter Ordnung, vermutlich Sallen-Key-Topologie mit 
geht-so-Opamps, ist da schon ziemlich unschön. Denn in dieses Monstrum 
aus hunderten Transistoren mit starker Gegenkopplung ein steilflankiges 
Signal reinzuzwingen, erzeugt sicherlich jede Menge Artefakte, die du 
mit einer statischen Klirr- oder IM-Messung gar nicht aufdeckst. Die 
techischen Daten stimmen dann, aber anhören tut es sich nicht gut.

In der Praxis ist es sicherlich besser, den außerhalb des hörbaren 
Bereichs liegenden spektralen Müll nicht perfekt auszufiltern und dafür 
erhebliche Komplexität im Signalweg einzusparen.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
> Soweit sieht das ok aus. Aber gerade der Tschebycheff hat die größten
> Gruppenlaufzeitverzerrungen. Vergleich das mal mit der Bessel-Variante.
> Das dämpft dafür nicht besonders. Einen Tod musst du sterben ...
> Mir wäre die Butterworth-Variante lieber.
Ich fütter nochmal.

Im Anhang jetzt mal drei Filtervarianten mit gleichen Parametern, so 
groß ist die Laufzeitverzerrung doch garnicht?

Das Programm von TI errechnet da für die beiden letzten Stufen ein GBP 
von etwa 9MHz, das schafft selbst der NE553x noch, also dahingehend wäre 
Spielraum vorhanden.
Klar, je einfacher die Schaltung wird, desto weniger Fehlerquellen 
gibts.

>>- Die Phasendrehung da kommt mir extrem vor, wie würde sich das auf ein
>>Audiosignal auswirken?
> Aussagen dazu ziehen schnell den Widerspruch von HIFI-Enthusiasten auf
> sich. Man sagt, dass das Ohr keine Phasenempfindlichkeit hat.
Ja, die Diskussion kenn ich :-)
Bisher konnte ich eigentlich auch keine Abstriche feststellen, solange 
die Phasendrehung auf beiden Seiten gleich war.

Autor: HildeK (Gast)
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>Im Anhang jetzt mal drei Filtervarianten mit gleichen Parametern, so
>groß ist die Laufzeitverzerrung doch garnicht?
Beim Bessel ist sie im Nutzband etwa Null, beim Butterweich ca. 20µs und 
beim Cheby fast 50µs. (Ich rede vom Delta bei der schwarzen Kurve = 
Gruppenlaufzeitverzerrungen)

>Ja, die Diskussion kenn ich :-)
Bleibt nur der eigene Hörvergleich.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
>>Im Anhang jetzt mal drei Filtervarianten mit gleichen Parametern, so
>>groß ist die Laufzeitverzerrung doch garnicht?
> Beim Bessel ist sie im Nutzband etwa Null, beim Butterweich ca. 20µs und
> beim Cheby fast 50µs. (Ich rede vom Delta bei der schwarzen Kurve =
> Gruppenlaufzeitverzerrungen)
Ja genau, du meinst die Abweichung von der Grundverzögerung.

Aber wie kommst du beim Butterworth auf 20 und beim Cheby sogar auf 
50µs? Hast du beim Bessel evtl. die falsche Skala erwischt? Da lese ich 
nämlich eine Grundverzögerung von 20µs etwa übers ganze Nutzband --

>>Ja, die Diskussion kenn ich :-)
> Bleibt nur der eigene Hörvergleich.
Jubb.

Wäre der Filter an sich denn so brauchbar? Am liebsten wär mir natürlich 
der Cheby, weil der so schön steil wird :-)

Danke nochmal!

Autor: HildeK (Gast)
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>Aber wie kommst du beim Butterworth auf 20 und beim Cheby sogar auf
>50µs? Hast du beim Bessel evtl. die falsche Skala erwischt? Da lese ich
>nämlich eine Grundverzögerung von 20µs etwa übers ganze Nutzband --
Die Skalen sind unterschiedlich, beim Bessel 5µs pro Teil, beim Butterw. 
20µs und beim Cheby 40µs.
Die absolute Laufzeit spielt dabei überhaupt keine Rolle! Erst ab 
einigen Millisekunden, wenn du eine Differenz hast beim Abspielen z.B. 
von der Soundkarte und gleichzeitigem Aufnehmen neuer Spuren bei der 
Musikproduktion. Stichwort Latenzzeit. Sonst nicht, denn du kannst ja 
gar nicht merken, wenn deine CD/MP3-Wiedergabe 100µs später am 
Lautsprecher erscheint? Es gibt ja keinen Bezug.

Hier interessiert die Differenz zwischen der minimalen und der 
maximalen Laufzeit innerhalb des Nutzbandes und die ist beim Bessel 
schnurgerade bis 20kHz. Deshalb: fast Null Gruppenlaufzeitverzerrungen. 
Verzerrungen!

>Wäre der Filter an sich denn so brauchbar?
Das Bessel-Filter hat zuwenig Dämpung, die beiden anderen kann man schon 
gebrauchen.

>Am liebsten wär mir natürlich der Cheby,
Bau ihn auf und mach den Hörvergleich mit und ohne Filter, speziell auf 
die Ortung im Stereobild.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
>
> Hier interessiert die Differenz zwischen der minimalen und der
> maximalen Laufzeit innerhalb des Nutzbandes und die ist beim Bessel
> schnurgerade bis 20kHz. Deshalb: fast Null Gruppenlaufzeitverzerrungen.
> Verzerrungen!
Klar, das hab ich begriffen. Was ich meine: Selbst bei dem Cheby: Bis 
20kHz ist doch da kaum ne 'GLV' zu sehen, erst danach kommt doch die 
Spitze, da isses doch schon längst egal? Also, klar, dort dämpft der 
natürlich noch nicht so stark, aber das ist doch dann insofern egal, als 
dass ich die Signalanteile dort sowieso nicht mehr reproduzieren kann, 
oder?

>>Wäre der Filter an sich denn so brauchbar?
> Das Bessel-Filter hat zuwenig Dämpung, die beiden anderen kann man schon
> gebrauchen.
>
>>Am liebsten wär mir natürlich der Cheby,
> Bau ihn auf und mach den Hörvergleich mit und ohne Filter, speziell auf
> die Ortung im Stereobild.
Ok, dann probier ichs einfach mal aus, ist ja noch überschaubar.

Interessehalber: Womit könnte man denn sowas gleich am PC durchrechnen 
und simulieren (=anhören)?

Autor: HildeK (Gast)
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>Bis 20kHz ist doch da kaum ne 'GLV' zu sehen,
In deinen Bildern ist der Marker (blaue Linie) bei 10kHz, bis dahin ist 
es noch recht ruhig. Die 20kHz sind die nächste Skalenline.

>Interessehalber: Womit könnte man denn sowas gleich am PC durchrechnen
>und simulieren (=anhören)?

Du kannst in LTSPICE einen WAV-File als Signalquelle definieren und ihn 
auch wieder auf einen Output-WAV-File schreiben. Dann mit deinem 
Lieblingsaudioprogramm abspielen ....
Das rechnet aber schon einige Zeit ...
Siehe Beispiel im Anhang.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
>>Bis 20kHz ist doch da kaum ne 'GLV' zu sehen,
> In deinen Bildern ist der Marker (blaue Linie) bei 10kHz, bis dahin ist
> es noch recht ruhig. Die 20kHz sind die nächste Skalenline.
Hast natürlich recht, hab mich verguckt :-/

>>Interessehalber: Womit könnte man denn sowas gleich am PC durchrechnen
>>und simulieren (=anhören)?
>
> Du kannst in LTSPICE einen WAV-File als Signalquelle definieren und ihn
> auch wieder auf einen Output-WAV-File schreiben. Dann mit deinem
> Lieblingsaudioprogramm abspielen ....
> Das rechnet aber schon einige Zeit ...
> Siehe Beispiel im Anhang.
Ich probiers gleich mal, das hätte ich jetzt nicht gedacht :-D

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Kurios, das funktioniert tatsächlich :-D

Kurios auch folgendes: Wenn ich ein Signal im Schwitzercad lade, mit 
10MOhm belaste und wieder speichern lasse, dann gehen schon Höhen 
verloren, das hört man. Sollte doch eigentlich nicht so sein, oder?

Nachtrag, hab nichts gesagt... scheinbar hat Schwitzercad es nicht 
gerne, wenn es selbst noch die Samplerate umrechnen muss. Jetzt 
funzenierts astrein.

Über das Filter selbst höre ich minimale Einbußen bei den Höhen.
Wenn ich vergleichsweise mit einem digitalen und messerscharften 
Tiefpass ab 20kHz absäge, dann höre ich die nicht -- ergo dämpft mein 
Filter schon früher und dort stärker, als es sollte.

Ich mach mal ein Bode-Plot.

Autor: HildeK (Gast)
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Ich glaube, du bist jetzt auf dem besten Weg ...

>Über das Filter selbst höre ich minimale Einbußen bei den Höhen.
So jung möchte ich auch nochmal sein :-)

Autor: Oliver Döring (odbs)
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Amplitudenverzerrrungen sind sehr gut hörbar, das kann der Mensch. So ab 
0,5 bis 1dB kann man das im direkten Vergleich unterscheiden, je nach 
Frequenz.

Wobei man sich an den Frequenzgang seiner Anlage auch gewöhnt und dann 
alles andere als "falsch" - zu hell, zu dunkel, zu "schlank" etc. 
empfindet.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Das sowieso :-)

Wenn ich das Filter mit E24-Werten annähere, gibts beim Cheby eine 
Verzerrung im Amplitudengang ein Stück weit vor der Grenzfrequenz von 
vll. 1dB, das hört man und wenn mans simuliert (Sinus), sieht man das 
auch ganz deutlich.
Wenn ich das Filter mit präzisen Werten berechne, gehts aber. Ich mach 
mal nen Vergleich.

Hier im Anhang das Original.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Dann halt nicht.
Also hier im Anhang das Original :-)

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Hier nach dem Filter mit E24-Werten.
Ich bilde mir ein, dass das Original frischer wirkt...

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Nächster Versuch im Simulator:

Das Rechenprogramm von TI errechnet bei meinem Filteraufbau bei 100kHz 
schon über -70dB, der Simulator (Switchercad) kommt bei weit über 100kHz 
erst auf -30dB -- Konfigurationsfehler eines der beiden Programme...?

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Das mit dem Simulator wäre ja nun geklärt...

Also trotz eines Amplitudenhubs nahe der Grenzfrequenz hör ich nun keine 
klanglichen Unterschiede mehr. Wenn das Filter steil genug ist, benutze 
ich es.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Zitat von Helmut aus Beitrag "Re: FilterPro vs. SwitcherCAD"
> Bessel: max. flache Gruppenlaufzeit
>
> Butterworth: max. flach im Durchlassbereich
>
> Tschebycheff: max.steiler Übergang zum Sperrbereich bei vorgegebner
> Welligkeit im Durchlassbereich
>
> Sprungantwort beim Bessel-Filter zeigt kaum Überschwingen.
> Butterworth hat da viel Überschwingen und Tschebycheff noch mehr.
Vollständiger Thread: Beitrag "FilterPro vs. SwitcherCAD"

Dazu die Gretchenfrage: Das Besselfilter fällt also nicht steil genug, 
das hab ich jetzt begriffen -- bleiben also Butterworth und Cheby.

Angenommen, ihr wolltet diese Schaltung (Tiefpass 6. Ordnung gegen 
Aliasing am Ausgang des DAC) parametrieren, also mal ganz unabhängig 
davon, ob das überhaupt der ideale Weg ist und so weiter (ist er 
sicherlich nicht, klar):
Welches Filter würdet ihr dann einstellen?

Autor: Peter (Gast)
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hallo HildeK,
könntest du bitte mal das WAV-file aus deinem Beitrag vom Datum: 
25.07.2009 20:30 etwas mehr erläutern, also wie man soetwas erstellen 
kann, besten dank.
Gruß Peter

Autor: HildeK (Gast)
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>hallo HildeK,
>könntest du bitte mal das WAV-file aus deinem Beitrag vom Datum:
>25.07.2009 20:30 etwas mehr erläutern, also wie man soetwas erstellen
>kann, besten dank.

Der WAV-File ist in meinem Beispiel ein einfacher Mono-Soundfile mit dem 
Windows WAV-Format. Erstellbar aus jedem Liedchen, das du von einer CD 
rippen kannst. Muss man möglicherweise noch in Mono konvertieren - ich 
hab's noch nicht probiert, wie Stereofiles behandelt werde. Das sollte 
z.B. mit Audacity machbar sein.

Nimm eine normale Spannungs- oder Stromquelle und klicke unter Drücken 
der Ctrl- (Strg-)Taste mit der rechten Maustaste auf die Quelle. Dort 
kannst du den Pfad zu dieser Audiodatei eintragen. Siehe Anhang.

Die Syntax zum Schreiben in eine Datei steht in der Hilfe (Suche nach 
Wave: .WAVE -- Write Selected Nodes to a .Wav File.)
Auch unter den Quellendefinitionen ist was zu dem Wave-File als Quelle 
in der Hilfe vermerkt.

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