progetto Power DAC

kingbowser ha scritto:ma secondo me la misura del carico potrebbe dare buoni frutti, perché si eviterebbe di usare il feedback alla radice

fammi capire dunque:
1) il segnale amplificato viene attenuato per poter rientrare nel processore
2) all'interno del procio si esegue una FFT
3) si attenuano per via digitale le armoniche di ordine alto come si fa in via analogica con il filtro LC
4) in base al risultato ottenuto si modifica il segnale di partenza
(cioè si fa "finta" di aver preso il segnale filtrato dall'LC trasposto a digitale per la correzione)

giusto?

la media mobile non mi piace come idea

Esatto ....
Comunque tieni presente che tutti i classe D basano il loro feedback sul PWM e non sul segnale definitivo.

La media mobile è un filtro passa basso come tanti altri. Certamente non certo il migliore.

Per la soluzione ADC ci sono diversi candidati

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/pcm4220.pdf
http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5342_F1.pdf
http://www.asahi-kasei.co.jp/akm/en/product/ak5386/ak5386_f00e.pdf
http://www.esstech.com/PDF/SABRE32%20ADC%20PF%20081218.pdf
http://www.wolfsonmicro.com/uploads/documents/en/WM8786_Rev4.3.pdf

questi penso siano i migliori

Credete ci voglia molta potenza per fare tutto ciò?
Con un procio a 32 bit non penso ci voglia tanto

studiando inglese per domani ho pensato ad una cosa

i classe d sono famosi sia per la loro efficienza sia per il loro basso PSRR
hanno bisogno di un filtro passa basso per passare dal segnale PWM di potenza ad una sinusoide

la mia idea penso innovatrice consiste in:
- fare una amplificazione bilanciata
- usare un trasformatore di uscita come balun e al contempo filtro di banda

che ne dite? Costa un po' di più ma mi sembra nuova come concezione (praticamente una specie di full bridge con uno stadio opposto all'altro con un trafo di uscita al posto del filtro LC)

ecco dei mosfet di potenza papabili (hanno però una capacità relativamente alta, ma sono molto veloci a switchare)

---- alta corrente ----
http://www.infineon.com/dgdl/IPD170N04N_rev1.0.pdf?folderId=db3a3043163797a6011643468e7505a4&fileId=db3a3043163797a601164367820f05dd
http://infineonpower.com/pdfs/BSZ165N04NSG_rev1.0.pdf

---- bassa corrente ----
http://www.vishay.com/docs/71253/71253.pdf

si possono usare quindi frequenze di switching più alte --> meno distorsione

lasciamo stare la soria dei trasformatori che ci ho pensato non servono a niente

Ho esposto per PM a Barone Rosso un metodo per avere
-alte frequenze di switching
-feedback totalmente digitale senza FFT né filtro passa banda digitale
se me lo approva siamo a buon punto

kingbowser ha scritto:

Ho esposto per PM a Barone Rosso un metodo per avere
-alte frequenze di switching
-feedback totalmente digitale senza FFT né filtro passa banda digitale
se me lo approva siamo a buon punto

Mettilo nel forum e vediamo che si dice.
Lo guarderò prossimamente.

ma mi vergognavo del disegnino

Avrei una idea per il feedback: invece di usare un'onda triangolare, se si usa un'onda a dente di sega per ottenere il segnale PWM si ha in corrispondenza della fase di passaggio da 1 a 0 del segnale PWM il passaggio da Vmax a Vmin del dente di sega. Si ha quindi un punto di riferimento da cui poter trovare facilmente il periodo di modulazione, che aiuta a PLLockare il segnale di feedback al segnale in uscita

Ho poi notato che, facendo il rapporto tra il periodo di tempo totale "delta t" e il periodo in cui il segnale PWM di feedback vale 1 ("t on"), si ottiene (moltiplicando per Vmax) nientemeno che il valore assunto dall'onda di partenza nell'intersezione con l'onda a dente di sega
Si può ottenere almeno uno dei due valori di intersezione calcolando bene i tempi.

Il problema è che è impensabile utilizzare alte frequenze di campionamento per il feedback (si ritornerebbe al discorso di madqwerty)
Possibile soluzione: si prendono a campione solo qualcosa come un decimo dei valori e se ne interpola gli altri (in altre parole, per il segnale di potenza si usa un campionamento alto, anche MHz, e per il segnale di feedback di ritorno se ne usa uno basso, nell'ordine delle decine di kHz, tanto da avere in buona approssimazione il valore del segnale in uscita)

visto che mi citi prendo il coraggio e mi ripropongo...
a cosa serve il feedback e perchè ci va?

- crei un segnale modulato PWM, con le tecniche sopra esposte
- lo passi ai mosfet col solo obiettivo di amplificarlo in tensione, i mosfet sono configurati come fossero degli interruttori on/off, comandati dal tuo segnale modulato pwm, e creano un segnale identico ma amplificato in ampiezza
- il segnale pwm amplificato va al filtro passa basso, che elimina tutte le ripetizioni dello spettro del segnale originale (ante modulazione) tranne quella in banda base, quindi riottiene il segnale originale ante-modulazione, ma amplificato in ampiezza..

e il feedback dove si infila? non c'è in questo contesto una amplificazione "lineare" da correggere (abbassando il guadagno e diminuendo la banda per esempio) c'è un segnale (fatto come piace a lui) degli interruttori acceso-spento, e un filtro passa-basso..

attendo le tessere mancanti del puzzle, ho verificato e sotto il mio tavolo non ce n'è

Fosse così semplice non ci sarebbero problemi, ma la pratica (o, meglio, internet ) fa capire che un feedback per compensare la non linearità di sistema filtro LC e altoparlante ci va
solo con lo stadio a full bridge in teoria può non essercene bisogno

però forse con una frequenza di modulazione molto alta (svariati MHz) si può riuscire ad evitare il feedback e ridurre la distorsione
...forse...

Comunque sia, con un fpga proasic3 nano a 250k porte (bassissima latenza, fino ad operazioni a 350MHz, costo 10€) si può processare l'audio come si vuole e in fretta. Si potrebbe provare con i giusti mosfet e il giusto driver ad arrivare a frequenze molto alte - anche più di 10MHz - quando il classe D più veloce che conosco arriva a "soli" 2,8MHz (MCD amplifier)

Visto che si usa un DSP si può fare un "DAC di potenza"
esempio (circuito R-2R):


I MOSFET M2 e M11 sono attivi contemporaneamente, e simmetricamente avviene la stessa cosa tra M1 e M12
Gli altri MOSFET corrispondono ognuno ad un bit del segnale. Il disegno è da 8 bit, ma per avere un "power DAC (TM)" () bisogna usarne 24.

Totale MOSFET di potenza per 2 canali: 104
Ha il suo costo. Contando circa 50 centesimi a MOSFET si arriva a una cinquantina di euro

Le resistenze di potenza si possono ottenere mettendo in parallelo diverse resistenze a film metallico (si ottiene un valore più preciso, meno rumore termico e possono dissipare più potenza). Su ebay si trovano grandi lotti di resistenze (2000+ pezzi) a prezzo abbordabile (circa 12 euro spedite)

Poi bisogna trovare dei driver adeguati ai MOSFET utilizzati (altri euri)
Poi il processore di segnale (una quindicina di euro per un FPGA abbastanza potente)
Poi la PCB (magari fatta in casa per la prototipizzazione)
Poi l'alimentazione (se fatta come dovrebbe partono altri soldi)

In tutto, senza inscatolare, il costo totale dei pezzi si potrebbe aggirare attorno a... 300 euro?

Che ne dite, proviamo a tirarci fuori qualcosa? Che io sappia un circuito del genere è una novità

dico che la tua fantasia non ha limiti !
( e questa è una bella cosa )

ma un circuito di questo tipo che vantaggi ti da, in confronto alla classica conversione R-2R a livello linea,
con successivo filtro e successiva amplificazione "unificata" ?

il sistema "power DAC (TM)" esce in corrente, forse la scelta migliore per smuovere un altoparlante (ricordo che la forza di Lorentz che fa sì che si muova la membrana degli altoparlanti va in corrente, non in tensione)
Utilizza un sistema a MOSFET che garantisce alta efficienza

Ha il vantaggio rispetto a quello che dici tu di utilizzare direttamente i bit del segnale per governare l'amplificatore.
Il metodo classico prevede un'amplificazione in classe A, B, AB... di un'onda sinusoidale, questo metodo compone l'onda a partire da segnale digitale. Non so se mi sono spiegato bene...


è semplice farne anche una versione differenziale ma ha un costo quasi doppio

penso che verrà scartata l'idea:

Resistors used with the more significant bits must be proportionally more accurate than those used with the lower significant bits; for example, in the R-2R network shown above, inaccuracies in the Bit4 MSB resistors must be insignificant compared to R/32 (i.e., much better than 3%). Further, to avoid problems at the 10000 to 01111 transition, the sum of the inaccuracies in the lower bits must be significantly less than R/32. The required accuracy doubles with each additional bit—for 8 bits, the accuracy required will be better than 1/256 (0.4%). Within integrated circuits, high accuracy R-2R networks may be printed directly onto a single substrate using thin-film technology, ensuring the resistors share similar electrical characteristics. Even so, they must often be laser trimmed to achieve the required precision. Such on-chip resistor ladders for digital-to-analog converters achieving 14 bits accuracy have been demonstrated. On a printed circuit board, using discrete components, high precision resistors of 1% accuracy may be employed for a 5 bit circuit, however with bit counts beyond this the cost of ever increasing precision resistors becomes prohibitive. Often, even for a 5 bit circuit, the home constructor will use either a matched set (by measuring a batch of 100 5% resistors and selecting the best set of 15) or by trimming down individual resistors to a common value (by adding high value resistors in parallel).

per il 24° bit servirebbe una precisione di valore di resistenza del 0,00000596%
ottenibile con moooolte resistenze di piccolo taglio e molta precisione in serie (diciamo che basta l'induttanza delle piste di rame, dei mosfet, dello stagno usato per saldare, dei coefficienti di temperatura e cavolate varie per sbagliare tutto)

con il faidate non penso si possa andare oltre gli 8 bit (0,39% di precisione richiesta)

IDEA (purtroppo) BOCCIATA

Torniamo al classe D

Ho l'idea: utilizzando sempre il metodo R-2R si può implementare un sigma delta multibit (5 o 6 bit sono esageratamente sufficienti) di secondo o terzo ordine per avere il massimo della risoluzione e quindi della fedeltà

Il problema è che un sigma delta del genere è ostico, e non poco. Faccio fatica anche già solo a comprenderne il funzionamento

Ma è sicuramente il meglio che le conoscenze attuali possono fornire.
E l'idea di utilizzarlo con un circuito simile a quello postato sopra (R-2R con MOSFET di potenza) penso sia cosa nuova (le mie ricerche non hanno portato ad alcun amplificatore del genere, al massimo dei sigma delta ad 1 bit)

Ora sto leggendo questo "Geerts_Steyaert_Sansen-Design_of_Multi-Bit_Delta-Sigma_A_D_Converters-9781402070785" che spiega bene tutto ciò che c'è da sapere riguardo l'argomento multibit sigma delta DAC (ma, ripeto, l'argomento è veramente duro da affrontare, ci vogliono buone basi e tanta calma)

Adottando poi un oversampling superlativo (32x del sesto ordine) si ottiene teoricamente una bestia spaventosa. Bisogna solo vedere se il DSP ce la fa a calcolare tutto...

Durante le vacanze finisco l'Altair DAC e mi butto sul flow chart del firmware (se non viene niente di meglio fuori).

Difficile ma... che gran figata! (perdonate l'espressione XD)
Questo finisce diretto sul curriculum vitae

dopo alcuni giorni di letture sono arrivato a questa conclusione

un modulatore sigma delta su fpga ha bisogno di parecchi gate. Più è alto l'ordine di lavoro e più ce ne vanno
Un multibit, sebbene potrebbe essere una novità in questo campo, ha bisogno di MOLTA potenza

Se si riesce a raggiungere questa potenza ad un costo umano siamo a cavalo: con 5 bit di risoluzione ed un buon passabasso si dovrebbero ottenere risultati migliori di un 1bit (uso il condizionale perché nessuno l'ha mai fatto, quindi non ci sono credenziali)

spiegazione dell'output di un sigma delta multibit vs 1bit


la modulazione segue il segnale di partenza, adottando sempre però la modulazione degli impulsi invece che dare una vera sinusoide
con un filtro RL si ottengono risultati migliori di un 1bit

Innanzitutto Buon Natale tu evvriuan

IDEA
senza intricarsi nei meandri dei sigma delta, si potrebbe applicare l'idea del multibit alla modulazione classica via onda triangolare:
si divide il segnale di partenza in 256 "livelli"
il segnale è contenuto in ognuno di questi "livelli" in "blocchetti" di segnale
Se si fa un oversampling e si prendono gli 8 bit più importanti per vedere a quale livello (e quindi blocchetto) appartiene il pezzo di segnale si può confrontare il blocchetto ottenuto con un'onda triangolare fittizia per creare un PWM multibit simile a quello sigma delta dell'immagine postata sopra.
Con una configurazione R-2R a 8 bit (dove quindi la resistenza più precisa deve essere al 0,39%, valore più che abbordabile utilizzando tante resistenze a film metallico all'1% in parallelo) unitamente a buon timing e filtro passabasso si ottiene un risultato migliore di un sigma delta 1bit di ordine relativamente elevato (3 o 4 direi) senza avere la complessità di un sigma delta (ma solo un semplice PWM)
Questa, come l'idea precedente, è comunque cosa nuova, mai implementata in stadi di potenza


L'ipotesi sigma delta non è ancora scartata, ma è veramente ostica da implementare (e, soprattutto, capire lol)

Ciao e buone feste, Riccardo

Sei un mito riccardo.
Alla fine ce la farai a realizzare questo dac
In pratica il progetto sul sabre lo hai abbandonato?

tranquillo, a rilento (non trovo mai tempo per attaccare il saldatore) ma sto andando
Spero proprio di riuscire a fare sto power dac XD
mi sta intrippando un casino

sto pensando a questo progetto e non ad altair solo perché è più facile leggere e scarabocchiare qualche foglio che avere il tempo e la pazienza di saldare il tutto
Comunque sperando di non bruciare nulla e che tutto funzioni al primo colpo per queste vacanze dovrei finire altair

c'entra poco con questo livello di progettazione...

ma volevo dare un piccolo aiuto...

l'idea in se non e per niente male ANZI...
quindi se funziona e pure bene ti consiglio di brevettarla o almeno registrarla...



dopo di cio... se riesci e lo spero davvero per te, potresti inizarne una produzione...

ma il punto era quest... io studio (studicchio ) chimica industriale e anche da poco...

ma posso dirti che si stanno sviluppando delle interessanti batterie... a basso rumore, che si ricaricano al volo (dai un occhiata ai super condensatori tipo manwell da 100/200 farad)

un progetto innovativo lo deve esssre sotto tutti gli aspetti...
un ampli del genere non consumera molto di sicuro, sara efficente, quindi la batteria è utilizzabbile, anzi lo migliorera...

pero su questo volevo darti due dritte...
se puoi implementare nel progetto:

cerca di alimentarlo con una tensione singola, positivo negativo senza massa, perche creare la massa alle batteria è tosta, e due accoppiate non rendono al 100%
cerca sempre se puoi di usare un alimentazione a 12volt...
o almeno a 6 o 24

in maniera che si possano usare batterie standard... oppure loro multipli...

tensioni strane tipo 14volt, 28, ma pure 30... rendono scomoda la cosa...


il mio era un aiuto un po filosofico, ma magari in un futuro commerciale puo tornare utile...

se va a 12volt, lo monti dappertutto, auto comprese...

il valore richiesto di alimentazione dipende solo dai mosfet, basta scegliere quello giusto per la propria applicazione (diciamo che in linea di massima si possono prendere tutti quelli capaci di erogare tanta corrente in poco tempo). Con la mia idea si può benissimo usare un'alimentazione singola


Mi puoi dire di più (anche per PM va bene) di queste nuove batterie? sono moolto interessanti
Come se la cavano con i transienti? Un ampli del genere si basa sui transienti per lavorare

In teoria il consumo dipende da soli tre fattori: il valore della resistenza interna del mosfet (bassa), quella della rete R-2R (da scegliere) e l'impedenza dell'altoparlante

Sto prendendo appunti sul mio quadernetto personale delle idee che mi stanno venendo un mente.
Riassunto:
l'ampli è come un dac di potenza
unisce un po' di concetti (amplificatore classe D e classe B, dac R-2R e sigma delta)
modula un segnale di 8 o 16 bit invece che 16/24bit
richiede molta meno potenza di calcolo
si riducono i problemi dei tempi morti della classe D (cioè i tempi di switching)

l'unico svantaggio consiste nel bisogno di più hardware e che questo sia più preciso

ma il costo totale può benissimo aggirarsi sui 250-300 euro, non male per un ampli "che ti fa pure il caffé"

se volete più informazioni sono qui a disposizione


Stay tuned

arrivo da qualche simulazione con ltspice

come previsto la potenza fornita ai diffusori è molto varia: la scala va da 0W (valore nullo) a 21W (valore max) su 8 ohm @ 20V con una dissipazione resistiva dovuta alla rete R-2R (con R=4ohm) che va da per esempio 74% (valore 00000001 - 1116mA) a 18% (valore 10000000 - 250mA) a 40% (valore 11111111 - 819mA).

Come si può notare la potenza dissipata dalla rete R-2R è molto variabile: ogni bit ha il suo consumo

Se ne deduce che ad alte potenze l'ampli può arrivare a scaldare anche molto. Ma a massimo valore 11111111 si arriva a dissipare 40% per un valore di resistenze decente

Riassunto: con 20V di alimentazione bisogna erogare 64W (2,66A) per avere 21W su 8 ohm con segnale 11111111.
Con il valore 1000000 la resistenza che dissipa di più (8ohm) arriva teoricamente a 21W (!!!) quindi occorre una resistenza adeguata o tante in parallelo...
...e un adeguato dissipatore

Lo si poteva già presupporre dalla famosa formula P=R*(I^2)

Il tutto ha inoltre il suo costo.

L'ampli non consuma tanto ma ha una efficienza parecchio variabile. Ha un senso costruirlo solo se si sente bene

Altrimenti invece di R-2R si può provare ad usare il metodo a resistenze pesate






EDIT: moooolto più interessante (ma richiede più precisione) è il metodo a resistenze pesate

efficienza teorica: alta (perdite minime date dalle resistenze pesate, dalla resistenza interna ai mosfet -compensabile- e dalla resistenza totale della PSU)

RIEDIT: ho rifatto le simulazioni e anche con valori bassi vengono fuori potenze abbastanza grosse per resistenze relativamente piccole (0,5 - 64 ohm) se sono le uniche in funzione. Bisogna pesare bene questi valori quindi:
-resistenza interna del mosfet
-resistenze parassite della pcb.
E' fattibile con un paio di calcoli in più

si parla comunque di meno di 8W dissipati, un'inezia rispetto ai 30 di prima.
Ora cerco una soluzione (una sarebbe di utilizzare un po' di resistenze in parallelo e in parallelo a queste un trimmer per tarare manualmente il valore di resistenza totale)

miticu!
ma quindi alla fine lo fai con un gheiclone, qualche OpAmp unitario e una manata di resistenze

te piacerebbe! XD

non sono espertissimo, ma visto lo sviluppo recente del progetto, e cioe la sua variabile a livello di consumi... forse se vuoi le batterie ti conviene usa le solite piombo gel...
ma se invece usi le resistenze pesate...

oppure potresti provare quelle al litio da macchinetta RC
ma non so precisamente come funzionano...
sono cmq ioni litio, se riesci a trovarle sono interessanti le litio POLIMERI...
una tecnologia diversa... piu moderna...

per le nuove tecnologie almeno per ora bisogna aspettare almeno per il normale commercio...

in ogni caso 20 quindi poi potendo 24volt, non duale, è un ottimo valore per usare delle batterie...

cmq dai un occhiata qua...

http://it.wikipedia.org/wiki/Batteria_(chimica)

http://it.wikipedia.org/wiki/Supercondensatore

se ti va di sbatterti, un sistema composto da un super condensatore, e un batteria piu piccola, piu un sistema di carica di del supercondesatore, e la batteria per sopperire al momento della carica, che è cmq istantanea...



di altre tecnologie ce ne sn a bizzeffe, ma non penso ti va di fare il chimico piuttosto che l'ingegniere elettronico...

sto facendo un foglio elettronico di calcoli e vedo che il rendimento è parecchio basso
dal 50% in giù...

Cercherò qualche altra soluzione che questa non mi piace un granché. Magari mettendo una sorgente di corrente dedicata per ogni bit...


Se però continua così non mi pare proprio un progetto da batteria

Comunque io sapevo che i supercondensatori andavano bene solo per differenze di potenziale basso, confermi?
Avevo letto da qualche parte che è in fase di sviluppo un supercondensatore formato da array di condensatorini con le armature così vicine (pochi nanometri) da non subire lo sforacchiamento del dielettrico in caso di survoltaggio

Trovata: http://www.pctuner.net/blogwp/2009/12/in-futuro-anche-le-batterie-saranno-quantistiche/
sarebbe una gran figata