構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬音頻混音器

混頻器是一種特殊類型的電子電路，它結(jié)合了兩個(gè)信號(hào)（周期性重復(fù)的波形）?；煲羝髟?a target="_blank">音頻和射頻系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，很少用作簡(jiǎn)單的模擬“計(jì)算機(jī)”。有兩種類型的模擬音頻混音器——加法混音器和乘法混音器。

1. 添加劑混合器

就像它們的名字所暗示的那樣，加法混頻器只是簡(jiǎn)單地將兩個(gè)信號(hào)的值在任何時(shí)刻相加，從而在輸出端產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)波形，該波形是各個(gè)波形值的總和。

最簡(jiǎn)單的加法混頻器只是兩個(gè)信號(hào)源以下列方式連接到兩個(gè)電阻器：

電阻器防止信號(hào)源相互干擾，加法發(fā)生在公共節(jié)點(diǎn)，而不是信號(hào)源本身。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)各個(gè)電阻值進(jìn)行加權(quán)求和。

從數(shù)學(xué)上講，

z = Ax + By

其中“z”是輸出信號(hào)，“x”和“y”是輸入信號(hào)，“A”和“B”是比例比例因子，即相對(duì)于彼此的電阻值。

例如，如果其中一個(gè)電阻值為 10K，另一個(gè)為 5K，則 A 和 B 分別變?yōu)?2 和 1，因?yàn)?10K 是 5K 的兩倍。

當(dāng)然，使用此音頻混音器可以將兩個(gè)以上的信號(hào)組合在一起。

構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的添加劑混合器

所需零件：

1. 2x 10K 電阻

2. 1x 3.3K 電阻

3.一個(gè)雙通道信號(hào)源

電路原理圖：

使用兩個(gè) 10K 電阻，輸出只是輸入信號(hào)的總和。A 和 B 都是統(tǒng)一的，因?yàn)閮蓚€(gè)縮放電阻器是相同的。

黃色和藍(lán)色波形是輸入，粉色波形是輸出。

當(dāng)我們用 3.3K 電阻器替換 10K 電阻器中的一個(gè)時(shí)，比例因子變?yōu)?3 和 1，并且一個(gè)信號(hào)的三分之一被添加到第二個(gè)。

數(shù)學(xué)方程為：

z = x + 3y

下圖顯示了結(jié)果輸出波形為粉紅色，輸入為黃色和藍(lán)色。

添加劑混合器的應(yīng)用

像這樣的簡(jiǎn)單混音器最引人注目的業(yè)余愛(ài)好者使用耳機(jī)均衡器或“單聲道到立體聲”轉(zhuǎn)換器的形式，它使用兩個(gè)（通常）10K 將左右聲道從 3.5 毫米立體聲插孔轉(zhuǎn)換為單聲道電阻器。

2.乘法混合器

乘法混頻器更有趣一些——它們將兩個(gè)（或者更多，但這很困難）輸入信號(hào)相乘，乘積就是輸出信號(hào)。

加法很簡(jiǎn)單，但是我們?nèi)绾芜M(jìn)行電子乘法呢？

我們可以在這里應(yīng)用另一個(gè)小數(shù)學(xué)技巧，稱為對(duì)數(shù)。

對(duì)數(shù)基本上是在問(wèn)一個(gè)問(wèn)題——必須將給定的基數(shù)提高到多少才能給出結(jié)果？

換句話說(shuō)，

2 x = 8， x = ？

就對(duì)數(shù)而言，這可以寫成：

日志2 x = 8

用公共底的指數(shù)來(lái)寫數(shù)字使我們能夠使用另一個(gè)基本的數(shù)學(xué)屬性：

a x xa y = a x+y

將兩個(gè)指數(shù)乘以公共底數(shù)相當(dāng)于將指數(shù)相加，然后將底數(shù)提高到該次方。

這意味著，如果我們對(duì)兩個(gè)信號(hào)應(yīng)用對(duì)數(shù)，將它們加在一起然后“取”一個(gè)反對(duì)數(shù)就相當(dāng)于將它們相乘！

電路實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有點(diǎn)復(fù)雜。

在這里，我們將討論一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的電路，稱為吉爾伯特單元混頻器。

吉爾伯特細(xì)胞混合器

下圖顯示了吉爾伯特單元混頻器電路。

該電路一開(kāi)始可能看起來(lái)很嚇人，但就像所有復(fù)雜的電路一樣，這個(gè)電路可以分解成更簡(jiǎn)單的功能塊。

晶體管對(duì) Q8/Q10、Q11/Q9 和 Q12/Q13 形成單獨(dú)的差分放大器。

差分放大器只是放大兩個(gè)晶體管的差分輸入電壓?？紤]下圖所示的簡(jiǎn)單電路。

輸入為差分形式，位于晶體管 Q14 和 Q15 的基極之間?；鶚O電壓相同，集電極電流也相同，R23 和 R24 兩端的電壓相同，因此輸出差分電壓為零。如果基極電壓不同，則集電極電流不同，從而在兩個(gè)電阻器上設(shè)置不同的電壓。由于晶體管的作用，輸出擺幅大于輸入擺幅。

從中得出的結(jié)論是，放大器的增益取決于尾電流，即兩個(gè)集電極電流的總和。尾電流越大，增益越大。

在上面所示的吉爾伯特單元混頻器電路中，頂部的兩個(gè)差分放大器（由 Q8/Q10 和 Q11/Q9 組成）具有交叉連接的輸出和一組公共負(fù)載。

當(dāng)兩個(gè)放大器的尾電流相同且差分輸入A為0時(shí)，電阻兩端的電壓相同，沒(méi)有輸出。當(dāng)輸入 A 具有較小的差分電壓時(shí)也是如此，由于尾電流相同，因此交叉連接抵消了整體輸出。

只有當(dāng)兩個(gè)尾電流不同時(shí)，輸出電壓才是尾電流之差的函數(shù)。

取決于哪個(gè)尾電流更大或更小，增益可以是正的或負(fù)的（相對(duì)于輸入信號(hào)），即反相或非反相。

尾電流的差異是使用由晶體管 Q12/Q13 形成的另一個(gè)差分放大器產(chǎn)生的。

總體結(jié)果是輸出差分?jǐn)[幅與輸入 A 和 B 的差分?jǐn)[幅的乘積成正比。

構(gòu)建吉爾伯特細(xì)胞混合器

所需零件：

1. 3x 3.3K 電阻

2. 6x NPN晶體管（2N2222、BC547等）

兩個(gè)相移正弦波被饋入輸入（由黃色和藍(lán)色跡線顯示），輸出在下圖中以粉紅色顯示，與示波器的數(shù)學(xué)乘法函數(shù)相比，其輸出為紫色跡線。

由于示波器進(jìn)行“實(shí)時(shí)”乘法，因此輸入必須是交流耦合的，以便它也計(jì)算負(fù)峰值，因?yàn)閷?shí)際混頻器的輸入是直流耦合的，它可以處理兩個(gè)極性的乘法。

混頻器輸出和示波器軌跡之間也存在細(xì)微的相位差，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中必須考慮傳播延遲等因素。

乘法混頻器的應(yīng)用

乘法混頻器的最大用途是在射頻電路中，通過(guò)將高頻波形與中頻波形混合來(lái)解調(diào)。

像這樣的吉爾伯特細(xì)胞是一個(gè)四象限乘法器，這意味著兩個(gè)極性的乘法都是可能的，遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則：

A x B = AB

-A x B = -AB

A x -B = -AB

-A x -B = AB

Arduino正弦波發(fā)生器

該項(xiàng)目使用的所有波形都是使用 Arduino 生成的。我們之前已經(jīng)詳細(xì)解釋了Arduino函數(shù)發(fā)生器電路。

電路原理圖：

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代碼說(shuō)明：

設(shè)置部分使用正弦函數(shù)的值創(chuàng)建兩個(gè)查找表，縮放為從 0 到 255 的整數(shù)，其中一個(gè)相移 90 度。

循環(huán)部分只是將查找表中存儲(chǔ)的值寫入 PWM 定時(shí)器。PWM 引腳 11 和 3 的輸出可以經(jīng)過(guò)低通濾波以獲得近乎完美的正弦波。這是 DDS 或直接數(shù)字合成的一個(gè)很好的例子。

產(chǎn)生的正弦波具有非常低的頻率，受 PWM 頻率的限制。這可以通過(guò)一些低級(jí)寄存器魔法來(lái)解決。正弦波發(fā)生器的完整 Arduino 代碼如下：

#define pinOne 11
#define pinTwo 3
#定義圓周率 3.14
浮動(dòng)階段 = 0;
int 結(jié)果，resultTwo，sineValuesOne，sineValuesTwo，i，n；
無(wú)效設(shè)置（）
{
pinMode（pinOne，輸出）；
pinMode（pinTwo，輸入）；
序列號(hào).開(kāi)始（115200）；
for(相位 = 0, i = 0; 相位 <= (2*pi); 相位 = 相位 + 0.1, i++)
{
結(jié)果 = (50 * (2.5 + (2.5 * sin(相位))));
sineValuesOne[i] = 結(jié)果；
resultTwo = (50 * (2.5 + (2.5 * sin(相位 - (pi*0.5)))));
sineValuesTwo[i] = 結(jié)果二；
}
n = 我;
}
無(wú)效循環(huán)（）
{
for(i = 0; i <= n; i++)
{
類比寫入（pinOne，sineValuesOne[i]）；
類比寫入（pinTwo，sineValuesTwo[i]）；
延遲（5）；
}
}

結(jié)論

混頻器是兩個(gè)輸入相加或相乘的電子電路。它們廣泛用于音頻、射頻，偶爾也用作模擬計(jì)算機(jī)的元件。