- 1. Additivmischer
- Aufbau eines einfachen Additivmischers
- 2. Multiplikative Mischer
- Gilbert Zellmischer
- Arduino Sinusgenerator
- Fazit
Ein Mischer ist eine spezielle Art von elektronischer Schaltung, die zwei Signale kombiniert (sich periodisch wiederholende Wellenformen). Mischer finden in Audio- und HF-Systemen viel Verwendung und werden selten als einfache analoge „Computer“ verwendet. Es gibt zwei Arten von analogen Audiomischern - Additivmischer und Multiplikativmischer.
1. Additivmischer
Wie der Name schon sagt, addieren additive Mischer einfach zu jedem Zeitpunkt die Werte zweier Signale, was zu einer kontinuierlichen Wellenform am Ausgang führt, die die Summe der Werte der einzelnen Wellenformen ist.
Der einfachste additive Mischer besteht einfach aus zwei Signalquellen, die auf folgende Weise mit zwei Widerständen verbunden sind:
Die Widerstände verhindern, dass sich die Signalquellen gegenseitig stören. Die Addition erfolgt am gemeinsamen Knoten, nicht an den Signalquellen selbst. Das Schöne an dieser Methode ist, dass abhängig von den einzelnen Widerstandswerten eine gewichtete Summe möglich ist.
Mathematisch gesehen, z = Axe + By
Wobei 'z' das Ausgangssignal ist, 'x' und 'y' das Eingangssignal sind und 'A' und 'B' die ratiometrischen Skalierungsfaktoren sind, dh die Widerstandswerte relativ zueinander.
Wenn beispielsweise einer der Widerstandswerte 10 K und der andere 5 K beträgt, werden A und B zu 2 bzw. 1, da 10 K zweimal 5 K sind.
Natürlich können mit diesem Audiomischer mehr als zwei Signale miteinander kombiniert werden.
Aufbau eines einfachen Additivmischers
Erforderliche Teile:
1. 2x 10K Widerstände
2. 1x 3,3K Widerstand
3. Eine zweikanalige Signalquelle
Schaltplan:
Bei den beiden 10K-Widerständen ist der Ausgang einfach die Summe der Eingangssignale. A und B sind beide eins, da die beiden Skalierungswiderstände gleich sind.
Die gelben und blauen Wellenformen sind die Eingänge und die rosa Wellenform ist der Ausgang.
Wenn wir einen der 10K-Widerstände durch einen 3,3K-Widerstand ersetzen, werden die Skalierungsfaktoren 3 und 1 und ein Drittel eines Signals wird zum zweiten addiert.
Die mathematische Gleichung lautet:
z = x + 3y
Die folgende Abbildung zeigt die resultierende Ausgangswellenform in Pink und die Eingänge in Gelb und Blau.
Anwendung von Additivmischern
Die auffälligste Hobby-Verwendung einfacher Mixer wie dieser ist ein Kopfhörer-Equalizer oder ein Mono-Stereo-Wandler, der den linken und rechten Kanal von einer 3,5-mm-Stereobuchse mit zwei (normalerweise) 10K in einen einzelnen Kanal umwandelt Widerstände.
2. Multiplikative Mischer
Multiplikative Mischer sind etwas interessanter - sie multiplizieren zwei (oder vielleicht mehr, aber das ist schwierig) Eingangssignale und das Produkt ist das Ausgangssignal.
Addition ist einfach, aber wie multiplizieren wir elektronisch ?
Es gibt noch einen kleinen mathematischen Trick, den wir hier anwenden können, den Logarithmus.
Ein Logarithmus stellt im Grunde die Frage: Zu welcher Potenz muss eine bestimmte Basis erhoben werden, um das Ergebnis zu erhalten?
Mit anderen Worten, 2 x = 8, x =?
In Bezug auf Logarithmen kann dies wie folgt geschrieben werden:
log 2 x = 8
Das Schreiben von Zahlen als Exponent einer gemeinsamen Basis ermöglicht es uns, eine andere grundlegende mathematische Eigenschaft zu verwenden:
a x xa y = a x + y
Das Multiplizieren von zwei Exponenten mit einer gemeinsamen Basis entspricht dem Addieren der Exponenten und dem anschließenden Erhöhen der Basis auf diese Potenz.
Dies hat zur Folge, dass, wenn wir einen Logarithmus auf zwei Signale anwenden, das Addieren dieser Signale und das anschließende "Nehmen" eines Antilogs dem Multiplizieren dieser Signale entspricht!
Die Schaltungsimplementierung kann etwas kompliziert werden.
Hier werden wir eine ziemlich einfache Schaltung diskutieren, die als Gilbert-Zellmischer bezeichnet wird .
Gilbert Zellmischer
Die folgende Abbildung zeigt die Gilbert-Zellmischerschaltung.
Die Schaltung mag zunächst sehr einschüchternd aussehen, aber wie alle komplizierten Schaltungen kann diese in einfachere Funktionsblöcke unterteilt werden.
Die Transistorpaare Q8 / Q10, Q11 / Q9 und Q12 / Q13 bilden einzelne Differenzverstärker.
Differenzverstärker verstärken einfach die differentiellen Eingangsspannungen der beiden Transistoren. Betrachten Sie die in der folgenden Abbildung gezeigte einfache Schaltung.
Der Eingang liegt in Differentialform zwischen den Basen der Transistoren Q14 und Q15 vor. Die Basisspannungen sind gleich, ebenso wie die Kollektorströme und die Spannung an R23 und R24 sind gleich, so dass die Ausgangsdifferenzspannung Null ist. Wenn sich die Basisspannungen unterscheiden, unterscheiden sich die Kollektorströme und richten unterschiedliche Spannungen zwischen den beiden Widerständen ein. Der Ausgangshub ist dank der Transistorwirkung größer als der Eingangshub.
Daraus ergibt sich, dass die Verstärkung des Verstärkers vom Endstrom abhängt, der die Summe der beiden Kollektorströme ist. Je größer der Schwanzstrom ist, desto größer ist die Verstärkung.
In der oben gezeigten Gilbert-Zellmischerschaltung haben die beiden oberen Diff-Verstärker (gebildet aus Q8 / Q10 und Q11 / Q9) über Kreuz geschaltete Ausgänge und einen gemeinsamen Satz von Lasten.
Wenn die Endströme der beiden Verstärker gleich sind und der Differenzeingang A 0 ist, sind die Spannungen an den Widerständen gleich und es gibt keinen Ausgang. Dies ist auch dann der Fall, wenn der Eingang A eine kleine Differenzspannung aufweist, da die Endströme gleich sind, hebt die Querverbindung den Gesamtausgang auf.
Nur wenn die beiden Endströme unterschiedlich sind, ist die Ausgangsspannung eine Funktion der Differenz der Endströme.
Abhängig davon, welcher Endstrom größer oder kleiner ist, kann die Verstärkung positiv oder negativ sein (relativ zum Eingangssignal), dh invertierend oder nicht invertierend.
Die Differenz der Endströme wird unter Verwendung eines anderen Differenzverstärkers bewirkt, der durch die Transistoren Q12 / Q13 gebildet wird.
Das Gesamtergebnis ist, dass der Ausgangsdifferentialhub proportional zum Produkt der Differentialschwingungen der Eingänge A und B ist.
Bau eines Gilbert-Zellmischers
Erforderliche Teile:
1. 3x 3,3K Widerstände
2. 6x NPN-Transistoren (2N2222, BC547 usw.)
Zwei phasenverschobene Sinuswellen werden in die Eingänge eingespeist (dargestellt durch die gelben und blauen Spuren), und die Ausgabe wird im folgenden Bild in Rosa angezeigt, verglichen mit der mathematischen Multiplikationsfunktion des Oszilloskops, deren Ausgabe die violette Spur ist.
Da das Oszilloskop eine Echtzeitmultiplikation durchführt, mussten die Eingänge wechselstromgekoppelt werden, damit auch die negative Spitze berechnet wurde, da die Eingänge des tatsächlichen Mischers gleichstromgekoppelt waren und die Multiplikation beider Polaritäten handhaben konnten.
Es gibt auch einen geringfügigen Phasendifferenz zwischen der Mischerleistung und der Oszilloskopspur, da Dinge wie Ausbreitungsverzögerungen im wirklichen Leben berücksichtigt werden müssen.
Anwendungen multiplikativer Mischer
Die größte Verwendung für multiplikative Mischer besteht in HF-Schaltungen, um Hochfrequenzwellenformen durch Mischen mit einer Zwischenfrequenzwellenform zu demodulieren.
Eine Gilbert-Zelle wie diese ist ein Vier-Quadranten- Multiplikator, was bedeutet, dass eine Multiplikation in beiden Polaritäten nach den einfachen Regeln möglich ist:
A x B = AB-A x B = -AB A x -B = -AB-A x -B = AB
Arduino Sinusgenerator
Alle für dieses Projekt verwendeten Wellenformen wurden mit einem Arduino erzeugt. Wir haben zuvor die Arduino-Funktionsgeneratorschaltung im Detail erklärt.
Schaltplan:
Code-Erklärung:
Der Setup-Abschnitt erstellt zwei Nachschlagetabellen mit den Werten der Sinusfunktion, die auf eine Ganzzahl von 0 bis 255 skaliert und um eine Phase um 90 Grad verschoben sind.
Der Schleifenabschnitt schreibt einfach die in der Nachschlagetabelle gespeicherten Werte in den PWM-Timer. Der Ausgang der PWM-Pins 11 und 3 kann tiefpassgefiltert werden, um eine nahezu perfekte Sinuswelle zu erhalten. Dies ist ein gutes Beispiel für DDS oder direkte digitale Synthese.
Die resultierende Sinuswelle hat eine sehr niedrige Frequenz, die durch die PWM-Frequenz begrenzt ist. Dies kann mit etwas Register-Magie auf niedriger Ebene behoben werden. Der vollständige Arduino-Code für den Sinusgenerator ist unten angegeben:
Arduino-Code:
#define pinOne 11 #define pinTwo 3 #define pi 3.14 float phase = 0; int result, resultTwo, sineValuesOne, sineValuesTwo, i, n; void setup () {pinMode (pinOne, OUTPUT); pinMode (pinTwo, INPUT); Serial.begin (115200); für (Phase = 0, i = 0; Phase <= (2 * pi); Phase = Phase + 0,1, i ++) {Ergebnis = (50 * (2,5 + (2,5 * sin (Phase))); sineValuesOne = Ergebnis; resultTwo = (50 * (2,5 + (2,5 * sin (Phase - (pi * 0,5)))); sineValuesTwo = resultTwo; } n = i; } void loop () {for (i = 0; i <= n; i ++) {analogWrite (pinOne, sineValuesOne); analogWrite (pinTwo, sineValuesTwo); Verzögerung (5); }}
Fazit
Mischer sind elektronische Schaltungen, die zwei Eingänge addieren oder multiplizieren. Sie finden umfangreiche Verwendung in Audio, RF und gelegentlich als Elemente eines analogen Computers.