Seltsame Verzerrung durch aktiven Tiefpassfilter zweiter Ordnung

Ich speise ein 250-kHz-PWM-Audiosignal von einem ATtiny85 in ein aktives Tiefpassfilter zweiter Ordnung ein:

~~Der Ausgang wird dann in einen Entkopplungskondensator und dann in einen LM324-Verstärker eingespeist~~. Der Ausgang des LM324 wird dann in einen Entkopplungskondensator und dann in einen LM386-Audioverstärker eingespeist. Das Audio klingt im Allgemeinen gut, aber es gibt einige Verzerrungen. Wenn ich die Wellenform auf OUT1 betrachte, erhalte ich Folgendes (die gelbe Spur ist OUT1, die blaue Spur ist nach dem Entkopplungskondensator):

Was sind die seltsamen "Tropfen", die ich sehe? Die Oberseite der Wellenform sieht in Ordnung aus, aber die untere Hälfte weist diese Tropfen auf. Das ist eine Art Verzerrung, ja? Was verursacht das? Wie kann dies beseitigt werden?

UPDATE 1: Hier ist das PWM vom ATtiny85:

UPDATE 2: Ich habe oben angegeben

Der Ausgang wird dann in einen Entkopplungskondensator und dann in einen LM324-Verstärker eingespeist.

Das ist nicht richtig. Was ich hätte sagen sollen, war, dass der Ausgang des LM324 in einen Entkopplungskondensator und dann in einen LM386-Audioverstärker eingespeist wird.

UPDATE 3: Hier sind 12 ms des 250-kHz-PWM-Eingangs:

UPDATE 4: Hier ist das vollständige Schema:

Adressierung einiger Kommentare und der vorgeschlagenen Lösung:

Ich habe den Vcc für den LM324 von der geregelten 3,3-V-Versorgung auf die + 6-V-Versorgung umgestellt. Dadurch wurde das vom LM324 kommende Signal (dh das vom PWM-Eingang wiederhergestellte Audio) bereinigt, es sind jedoch immer noch erhebliche Verzerrungen zu hören. Ich muss noch testen, ob der LM324 bei bestimmten Frequenzen ausfällt.
Ich habe einen 1K-Widerstand vom Ausgang des LM324 zur Masse hinzugefügt. Ursprünglich habe ich dies getan, um einen Kommentar anzusprechen, der darauf hinweist, dass es keine gute Idee ist, den Ausgabe-Float zu haben. Die vorgeschlagene Antwort besagt (wenn ich es richtig verstanden habe), dass dieser an Masse gebundene 1K-Widerstand die LM324-Ausgangsstufe in einen Klasse-A-Verstärker zwingen sollte, um so ein Überkreuzungsproblem zu vermeiden. Zu dem Zeitpunkt, als dies vorgeschlagen wurde, um ein Crossover-Problem zu lösen, war es jedoch bereits vorhanden.

Ist es möglich, dass der LM324 nur eine sehr schlechte Wahl für Audio ist? Ich habe gehört, dass es eine relativ langsame Anstiegsrate hat, die zu Verzerrungen führt. Sollte ich mir einen anderen Operationsverstärker ansehen (der mit einer einzelnen + 6V-Versorgung funktioniert)?

UPDATE 5:

Hier sind die Spuren aus dem Stromkreis. Gelb ist der Ausgang des LM324. Nachdem Sie das Netzteil für den LM324 von +3,3 V auf +6 V umgestellt haben, können Sie feststellen, dass keine Tropfen mehr vorhanden sind (was diese Frage technisch löst). Die blaue Kurve ist der Ausgang des Audioverstärkers LM386. Es gibt Verzerrungen am Grund der Welle und es ist ziemlich hörbar. Ich denke, wenn ich diese Verzerrung beheben kann, kann ich loslegen. Und das beweist ziemlich genau, dass der LM324 für diese Audioanwendung "gut genug" ist.

UPDATE 6:

Ich habe vorhin festgestellt, dass der LM324 für meine Anwendung "gut genug" ist, und das ist wahr. Wenn Sie die Ausgangswellenform des LM324 mit höherer Auflösung untersuchen, können Sie feststellen, dass das Signal "verrauscht" ist (ich habe keine Spur davon aufgenommen). Durch einfaches Herausziehen des LM324 und Anschließen eines MC34074APG (ohne weitere Änderungen) wurde die Ausgangswellenform erheblich bereinigt. Dies könnte mein neuer Lieblings-Single-Source-Operationsverstärker werden.

— mbmast
quelle

Sie müssen den + Anschluss irgendwo auf Masse verweisen (durch eine Impedanz). Ihre gesamte Schaltung ist nicht enthalten, aber wenn Sie nur einen schwebenden entkoppelten Eingang haben, ist dies wahrscheinlich nicht geeignet.

— Daniel

Wie sieht die Ausgabe der MCU aus? Ich vermute, dass Sie ein Firmware-Problem haben.

— Mark

Und was ist das?

V_{cc}

$\text{V}_\text{cc}$ und

V_{ss}

$\text{V}_\text{ss}$ des LM324 in Ihrer Schaltung?

— rdtsc

@rdtsc 6V bzw. 0V mit 4 AA-Batterien in Reihe.

— mbmast

Und noch ein Kommentar: Sie verwenden "Hochspannungs" -OP-AMP in seinem niedrigsten (extremen) Versorgungsbereich: 0 / 3,3 V. Sie müssen spezielle Niederspannungs-OP-AMPs verwenden, z. B. Rail-to-Rail-OPA365. Ich würde niemals Hochspannungs-OP-AMP an einer 3,3-V-Versorgung verwenden.

— Meister

Antworten:

Der LM324 ist zwar eine brillante Leistung mit Transistoren aus den 1970er Jahren, weist jedoch einen bekannten Fehler auf, der tatsächlich in seinem Datenblatt dokumentiert ist. Diese Antwort basiert auf der Vermutung, dass Sie auf diesen Fehler stoßen.

Einige Leute verhöhnen es wegen solcher Einschränkungen - aber es ist immer noch ein guter Opamp, wenn Sie nach seinen Einschränkungen entwerfen.

Die Endstufe der Klasse B ist speziell für geringe Leistung ausgelegt, aber asymmetrisch: Das heißt, sie kann ziemlich stark nach oben (in Richtung V +) ziehen, aber nicht sehr effektiv nach unten. Dies vermeidet einen übermäßigen Stromverbrauch, bei dem beide Ausgangstransistoren vorübergehend zusammen eingeschaltet werden könnten (wie beim Bipolar 555) - eine Möglichkeit angesichts der relativ geringen Drehzahl dieser Transistoren.

(Siehe Tabelle 6.5, Seite 6, Abschnitt Ausgangsstrom, im Datenblatt - bei 5 V kann es 20 mA liefern, aber nur 8 uA sinken, sodass der Pullup 2500-mal stärker ist.)

Diese Kombination von Umständen: Ausgangsstufe der Klasse B, langsame Transistoren, asymmetrische Stärke, führt zu einem besonders schlimmen Fall von Überkreuzungsverzerrung bei Hochfrequenzsignalen. Es gibt einen Bereich, in dem beide Ausgangstransistoren ausgeschaltet sind und die Ausgangsspannung effektiv undefiniert ist.

Führen Sie eine Sinuswelle mit einigen kHz durch diesen Filter (Unit-Tests sind in der Hardware genauso gültig wie in der Software!), Und Sie werden große Bisse aus der Ausgangswellenform herausnehmen.

Die (dokumentiert, wenn Sie danach suchen ... BEARBEITEN ... es befindet sich in Abschnitt 7.4 auf Seite 11, und meine Erinnerung an das Problem ist etwas falsch) besteht darin, die Ausgangsstufe mit ein paar Kiloohm Pulldown in die Klasse A zu zwingen Widerstand gegen V- (ich empfehle 1K bei dieser niedrigen Spannung). Jetzt muss sich der Pulldown-Transistor nie mehr einschalten (obwohl kein Schaden angerichtet wird), und der viel stärkere Pullup-Transistor hat immer die Kontrolle und zieht gegen den Widerstand.

Daher ist der 324 so konzipiert, dass er in Klasse B für langsame Konstruktionen mit geringer Leistung oder in Klasse A für schnellere Konstruktionen erfolgreich eingesetzt werden kann.

Der Nachteil von Klasse A ist offensichtlich ein erhöhter Stromverbrauch - wenn das wichtig ist, können Sie heutzutage einen besseren Opamp wählen.

— Brian Drummond
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Interessant. Der LM324 hat mich wegen seiner Fähigkeit, mit einem einzigen Netzteil zu arbeiten, angezogen. Ich werde mit einer Sinuswelle testen, wie Sie vorschlagen. Ich habe Wochenendverpflichtungen, daher kann ich erst am Montag posten.

— mbmast

Es stellt sich heraus, dass R17, 1K, schon eine Weile in der Schaltung ist und dies kein Verzerrungsproblem gelöst hat. Das haben Sie vorgeschlagen, ja?

— mbmast

Ja. Hätten Sie den Schaltplan überhaupt veröffentlicht, wäre meine Antwort nicht erforderlich gewesen. Das verbleibende Problem sieht so aus, als würden Sie einfach zu viel vom LM386 verlangen: Verringern Sie die Lautstärke ein wenig!

— Brian Drummond

Während ich weiterhin Verzerrungsprobleme hatte, nachdem ich den Ausgang des LM324 über einen 1K-Widerstand an gnd geleitet hatte, löste dieser Widerstand das Problem, nach dem ich in diesem Beitrag gefragt hatte. Seitdem habe ich diesen zusätzlichen Widerstand und den Topf entfernt und den Topf durch einen Spannungsteiler ersetzt, dessen Gesamtwiderstand etwa 1 kOhm beträgt. Daher zwinge ich den LM324 gemäß dieser Antwort immer noch in den Betrieb der Klasse A. Durch Hinzufügen zusätzlicher Jumper zwischen den 4 Stromschienen des Steckbretts (es handelt sich um ein 3-fach Steckbrett) wurden verbleibende Verzerrungen im Wesentlichen beseitigt. LM324 und LM386 sind laut, aber gut genug für diese App.

— mbmast

Vermisse ich hier etwas? Der LM324 hat eine Verstärkungsbandbreite von 1,2 MHz. Der nützliche Frequenzbereich liegt also an einem guten Tag bei etwa 10 kHz. Willst du ihm eine 250kHz Rechteckwelle zuführen? Viel Glück damit.
Ich denke, Sie werden mit passiver Filterung vielleicht bessere Ergebnisse erzielen.

— Robert Endl
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Sie sollten Ihren Kommentar in Ihrer Antwort bearbeiten. Dies ist in der Tat eine gute Beobachtung und ein kritisches Problem beim Versuch, analoge Wellenformen aus hochfrequenten Signalen mit niedriger Auflösung (PWM, Delta-Sigma-Modulation) zu erzeugen.

— user2943160

Ja, Ihnen fehlt hier etwas. Das PWM-Signal im LM324 beträgt 250 kHz. Das PWM-Signal ist das Ergebnis der Modulation durch 16-Bit-Audio, das mit 44,1 Hzz abgetastet wurde. Grundsätzlich handelt es sich um eine Microsoft WAV-Datei. Was aus dem LM324 herauskommt, ist Audio, meistens um 2 kHz (Sie können dies in den Scope-Spuren sehen). Das aktive Filter 2. Ordnung, das um den LM324 herum aufgebaut ist, hat eine Grenzfrequenz von etwa 4 kHz (oder vielleicht 3 kHz ...). Und die Filterausgabe, gelbe Kurve, sieht ziemlich gut aus.

— mbmast

Ignoriere meinen letzten Kommentar. Ok, ja, ich speise dem LM324 ein 250-kHz-Signal ein und anscheinend ist es auf ungefähr 10 kHz begrenzt. Trotzdem sieht das Ausgangssignal ziemlich gut aus. Der Ausgang des LM324 ist nicht verzerrt.

— mbmast

Ist nicht der Gewinn der LM324-Einheit (eins) in dem von mir gelieferten Schaltplan? Wenn ja, gibt mir das nicht genügend Bandbreite für ein 250-kHz-PWM-Signal?

— mbmast

Ja, aber das ist eine seltsame Art von Filter. Die Filterung erfolgt nach der Geschwindigkeit des Operationsverstärkers! Betrachten Sie zumindest etwas Passives.

— Robert Endl

Der Sallen-Key-Filter leidet unter der Tatsache, dass er eine Kombination aus positiver und negativer Rückkopplung verwendet. Wenn Sie gezwungen sind, einen Verstärker mit begrenzter Bandbreite zu verwenden, ist die Konfiguration mit mehreren Rückkopplungen häufig die bessere Wahl. Siehe http://www.ti.com/lit/an/sbfa001c/sbfa001c.pdf

— AnalogMan
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Das sieht nach einem ziemlich guten Werkzeug aus. Es wäre besser, wenn es den verwendeten Operationsverstärker vorschlagen und berücksichtigen könnte. Der Text legt nahe, dass der Leser den TI UAF42 in Betracht zieht, einen sehr teuren Operationsverstärker für etwa 18 US-Dollar für eine einzelne Einheit. Wie ich in einem Update meiner Frage festgestellt habe, ist der MC34074 ziemlich gut und kostet ungefähr 1,36 US-Dollar pro Einheit.

— mbmast