构建一个简单的模拟音频混音器

科技观察员 2022-08-23 7065

描述

　　混频器是一种特殊类型的电子电路，它结合了两个信号（周期性重复的波形）。混音器在音频和射频系统中得到了广泛应用，很少用作简单的模拟“计算机”。有两种类型的模拟音频混音器——加法混音器和乘法混音器。

　　1. 添加剂混合器

混合器

　　就像它们的名字所暗示的那样，加法混频器只是简单地将两个信号的值在任何时刻相加，从而在输出端产生一个连续波形，该波形是各个波形值的总和。

　　最简单的加法混频器只是两个信号源以下列方式连接到两个电阻器：

混合器

　　电阻器防止信号源相互干扰，加法发生在公共节点，而不是信号源本身。这种方法的优点在于可以根据各个电阻值进行加权求和。

　　从数学上讲，

　　z = Ax + By

　　其中“z”是输出信号，“x”和“y”是输入信号，“A”和“B”是比例比例因子，即相对于彼此的电阻值。

　　例如，如果其中一个电阻值为 10K，另一个为 5K，则 A 和 B 分别变为 2 和 1，因为 10K 是 5K 的两倍。

　　当然，使用此音频混音器可以将两个以上的信号组合在一起。

　　构建一个简单的添加剂混合器

　　所需零件：

　　1. 2x 10K 电阻

　　2. 1x 3.3K 电阻

　　3.一个双通道信号源

　　电路原理图：

混合器

　　使用两个 10K 电阻，输出只是输入信号的总和。A 和 B 都是统一的，因为两个缩放电阻器是相同的。

混合器

　　黄色和蓝色波形是输入，粉色波形是输出。

　　当我们用 3.3K 电阻器替换 10K 电阻器中的一个时，比例因子变为 3 和 1，并且一个信号的三分之一被添加到第二个。

　　数学方程为：

　　z = x + 3y

　　下图显示了结果输出波形为粉红色，输入为黄色和蓝色。

混合器

　　添加剂混合器的应用

　　像这样的简单混音器最引人注目的业余爱好者使用耳机均衡器或“单声道到立体声”转换器的形式，它使用两个（通常）10K 将左右声道从 3.5 毫米立体声插孔转换为单声道电阻器。

　　2.乘法混合器

混合器

　　乘法混频器更有趣一些——它们将两个（或者更多，但这很困难）输入信号相乘，乘积就是输出信号。

　　加法很简单，但是我们如何进行电子乘法呢？

　　我们可以在这里应用另一个小数学技巧，称为对数。

　　对数基本上是在问一个问题——必须将给定的基数提高到多少才能给出结果？

　　换句话说，

　　2 x = 8， x = ？

　　就对数而言，这可以写成：

　　日志2 x = 8

　　用公共底的指数来写数字使我们能够使用另一个基本的数学属性：

　　a x xa y = a x+y

　　将两个指数乘以公共底数相当于将指数相加，然后将底数提高到该次方。

　　这意味着，如果我们对两个信号应用对数，将它们加在一起然后“取”一个反对数就相当于将它们相乘！

　　电路实现可能会有点复杂。

　　在这里，我们将讨论一个相当简单的电路，称为吉尔伯特单元混频器。

　　吉尔伯特细胞混合器

　　下图显示了吉尔伯特单元混频器电路。

混合器

　　该电路一开始可能看起来很吓人，但就像所有复杂的电路一样，这个电路可以分解成更简单的功能块。

　　晶体管对 Q8/Q10、Q11/Q9 和 Q12/Q13 形成单独的差分放大器。

　　差分放大器只是放大两个晶体管的差分输入电压。考虑下图所示的简单电路。

混合器

　　输入为差分形式，位于晶体管 Q14 和 Q15 的基极之间。基极电压相同，集电极电流也相同，R23 和 R24 两端的电压相同，因此输出差分电压为零。如果基极电压不同，则集电极电流不同，从而在两个电阻器上设置不同的电压。由于晶体管的作用，输出摆幅大于输入摆幅。

　　从中得出的结论是，放大器的增益取决于尾电流，即两个集电极电流的总和。尾电流越大，增益越大。

　　在上面所示的吉尔伯特单元混频器电路中，顶部的两个差分放大器（由 Q8/Q10 和 Q11/Q9 组成）具有交叉连接的输出和一组公共负载。

　　当两个放大器的尾电流相同且差分输入A为0时，电阻两端的电压相同，没有输出。当输入 A 具有较小的差分电压时也是如此，由于尾电流相同，因此交叉连接抵消了整体输出。

　　只有当两个尾电流不同时，输出电压才是尾电流之差的函数。

　　取决于哪个尾电流更大或更小，增益可以是正的或负的（相对于输入信号），即反相或非反相。

　　尾电流的差异是使用由晶体管 Q12/Q13 形成的另一个差分放大器产生的。

　　总体结果是输出差分摆幅与输入 A 和 B 的差分摆幅的乘积成正比。

　　构建吉尔伯特细胞混合器

　　所需零件：

　　1. 3x 3.3K 电阻

　　2. 6x NPN晶体管（2N2222、BC547等）

　　两个相移正弦波被馈入输入（由黄色和蓝色迹线显示），输出在下图中以粉红色显示，与示波器的数学乘法函数相比，其输出为紫色迹线。

混合器

　　由于示波器进行“实时”乘法，因此输入必须是交流耦合的，以便它也计算负峰值，因为实际混频器的输入是直流耦合的，它可以处理两个极性的乘法。

　　混频器输出和示波器轨迹之间也存在细微的相位差，因为在现实生活中必须考虑传播延迟等因素。

　　乘法混频器的应用

　　乘法混频器的最大用途是在射频电路中，通过将高频波形与中频波形混合来解调。

　　像这样的吉尔伯特细胞是一个四象限乘法器，这意味着两个极性的乘法都是可能的，遵循简单的规则：

　　A x B = AB

　　-A x B = -AB

　　A x -B = -AB

　　-A x -B = AB

混合器

　　Arduino正弦波发生器

　　该项目使用的所有波形都是使用 Arduino 生成的。我们之前已经详细解释了Arduino函数发生器电路。

　　电路原理图：

　　代码说明：

　　设置部分使用正弦函数的值创建两个查找表，缩放为从 0 到 255 的整数，其中一个相移 90 度。

　　循环部分只是将查找表中存储的值写入 PWM 定时器。PWM 引脚 11 和 3 的输出可以经过低通滤波以获得近乎完美的正弦波。这是 DDS 或直接数字合成的一个很好的例子。

　　产生的正弦波具有非常低的频率，受 PWM 频率的限制。这可以通过一些低级寄存器魔法来解决。正弦波发生器的完整 Arduino 代码如下：

#define pinOne 11
#define pinTwo 3
#定义圆周率 3.14
浮动阶段 = 0;
int 结果，resultTwo，sineValuesOne 混合器，sineValuesTwo，i，n；
无效设置（）
{
pinMode（pinOne，输出）；
pinMode（pinTwo，输入）；
序列号.开始（115200）；
for(相位 = 0, i = 0; 相位 <= (2*pi); 相位 = 相位 + 0.1, i++)
{
结果 = (50 * (2.5 + (2.5 * sin(相位))));
sineValuesOne[i] = 结果；
resultTwo = (50 * (2.5 + (2.5 * sin(相位 - (pi*0.5)))));
sineValuesTwo[i] = 结果二；
}
n = 我;
}
无效循环（）
{
for(i = 0; i <= n; i++)
{
类比写入（pinOne，sineValuesOne[i]）；
类比写入（pinTwo，sineValuesTwo[i]）；
延迟（5）；
}
}

　　结论

　　混频器是两个输入相加或相乘的电子电路。它们广泛用于音频、射频，偶尔也用作模拟计算机的元件。

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