- 1. Additivi Miscelatori
- Costruire un semplice mixer additivo
- 2. Mixer moltiplicativi
- Miscelatore a cella Gilbert
- Generatore di onde sinusoidali Arduino
- Conclusione
Un mixer è un tipo speciale di circuito elettronico che combina due segnali (forme d'onda che si ripetono periodicamente). I mixer trovano molto impiego nei sistemi audio e RF e vengono usati raramente come semplici "computer" analogici. Esistono due tipi di mixer audio analogici: mixer additivi e mixer moltiplicativi.
1. Additivi Miscelatori
Come suggerisce il nome, i mixer additivi sommano semplicemente i valori di due segnali in qualsiasi istante, il che si traduce in una forma d'onda continua in uscita che è la somma dei valori delle singole forme d'onda.
Il più semplice mixer additivo è semplicemente due sorgenti di segnale collegate a due resistori nel modo seguente:
Le resistenze impediscono alle sorgenti di segnale di interferire tra loro, l'aggiunta avviene al nodo comune, non alle sorgenti di segnale stesse. La bellezza di questo metodo è che è possibile una somma ponderata , a seconda dei valori dei singoli resistori.
Matematicamente parlando, z = Ax + By
Dove "z" è il segnale di uscita, "x" e "y" sono il segnale di ingresso e "A" e "B" sono i fattori di scala raziometrici, ovvero i valori dei resistori l'uno rispetto all'altro.
Ad esempio, se uno dei valori di resistenza è 10K e l'altro è 5K, A e B diventano rispettivamente 2 e 1, poiché 10K è il doppio di 5K.
Naturalmente, più di due segnali possono essere combinati insieme utilizzando questo mixer audio.
Costruire un semplice mixer additivo
Parti necessarie:
1. 2x 10K resistenze
2. 1x resistenza 3.3K
3. Una sorgente di segnali a due canali
Schema elettrico:
Con le due resistenze da 10K, l'uscita è semplicemente la somma dei segnali di ingresso. A e B sono entrambi unità, poiché i due resistori di scala sono gli stessi.
Le forme d'onda gialla e blu sono gli ingressi e la forma d'onda rosa è l'uscita.
Quando sostituiamo uno dei resistori da 10K con un resistore da 3,3K, i fattori di scala diventano 3 e 1 e un terzo di un segnale viene aggiunto al secondo.
L'equazione matematica è:
z = x + 3y
La figura seguente mostra la forma d'onda di uscita risultante in rosa e gli ingressi in giallo e blu.
Applicazione di additivi miscelatori
L'uso più sorprendente per gli hobbisti di semplici mixer come questo si presenta sotto forma di un equalizzatore per cuffie o un convertitore da 'mono a stereo', che converte i canali sinistro e destro da un jack stereo da 3,5 mm a un singolo canale utilizzando due (di solito) 10K resistenze.
2. Mixer moltiplicativi
I mixer moltiplicativi sono un po 'più interessanti: moltiplicano due (o forse più, ma è difficile) segnali di ingresso e il prodotto è il segnale di uscita.
L'addizione è semplice, ma come ci moltiplichiamo elettronicamente ?
C'è un altro piccolo trucco matematico che possiamo applicare qui, chiamato logaritmo.
Un logaritmo sta fondamentalmente ponendo la domanda: a quale potenza deve essere elevata una data base per dare il risultato?
In altre parole, 2 x = 8, x =?
In termini di logaritmi, questo può essere scritto come:
log 2 x = 8
Scrivere numeri in termini di esponente di una base comune ci consente di utilizzare un'altra proprietà matematica di base:
a x xa y = a x + y
Moltiplicare due esponenti con una base comune equivale ad aggiungere gli esponenti e quindi elevare la base a quella potenza.
Ciò implica che, se applichiamo un logaritmo a due segnali, sommarli e poi "prendere" un antilog equivale a moltiplicarli!
L'implementazione del circuito può diventare un po 'complicata.
Qui, discuteremo un circuito piuttosto semplice chiamato mixer di celle Gilbert .
Miscelatore a cella Gilbert
La figura seguente mostra il circuito del mixer delle celle Gilbert.
Il circuito può sembrare molto intimidatorio all'inizio, ma come tutti i circuiti complicati questo può essere suddiviso in blocchi funzionali più semplici.
Le coppie di transistor Q8 / Q10, Q11 / Q9 e Q12 / Q13 formano singoli amplificatori differenziali.
Gli amplificatori differenziali amplificano semplicemente le tensioni di ingresso differenziali ai due transistor. Considera il semplice circuito mostrato nella figura sottostante.
L'ingresso è in forma differenziale, tra le basi dei transistor Q14 e Q15. Le tensioni di base sono le stesse, così come le correnti del collettore e la tensione tra R23 e R24 sono le stesse, quindi la tensione differenziale di uscita è zero. Se c'è una differenza nelle tensioni di base, le correnti del collettore differiscono, impostando tensioni diverse tra i due resistori. L'oscillazione dell'uscita è maggiore dell'oscillazione dell'ingresso, grazie all'azione del transistor.
La conclusione è che il guadagno dell'amplificatore dipende dalla corrente di coda, che è la somma delle due correnti del collettore. Maggiore è la corrente di coda, maggiore è il guadagno.
Nel circuito del mixer delle celle Gilbert mostrato sopra, i primi due amplificatori diff (formati da Q8 / Q10 e Q11 / Q9) hanno uscite collegate tra loro e un insieme comune di carichi.
Quando le correnti di coda dei due amplificatori sono le stesse e l'ingresso differenziale A è 0, le tensioni ai capi dei resistori sono le stesse e non c'è uscita. Questo è anche il caso quando l'ingresso A ha una piccola tensione differenziale, poiché le correnti di coda sono le stesse, il collegamento incrociato annulla l'uscita complessiva.
Solo quando le due correnti di coda sono diverse, la tensione di uscita è funzione della differenza delle correnti di coda.
A seconda di quale corrente di coda è maggiore o minore, il guadagno può essere positivo o negativo (rispetto al segnale di ingresso), cioè invertente o non invertente.
La differenza nelle correnti di coda è ottenuta utilizzando un altro amplificatore differenziale formato dai transistori Q12 / Q13.
Il risultato complessivo è che l'oscillazione differenziale dell'uscita è proporzionale al prodotto delle oscillazioni differenziali degli ingressi A e B.
Costruzione di un miscelatore cellulare Gilbert
Parti richieste:
1. 3 resistenze da 3,3 K.
2. 6x transistor NPN (2N2222, BC547, ecc.)
Due onde sinusoidali sfasate vengono alimentate agli ingressi (mostrati dalle tracce gialla e blu) e l'output è mostrato in rosa nell'immagine sottostante, rispetto alla funzione di moltiplicazione matematica dell'oscilloscopio, il cui output è la traccia viola.
Poiché l'oscilloscopio esegue la moltiplicazione "in tempo reale", gli ingressi dovevano essere accoppiati in CA in modo da calcolare anche il picco negativo, poiché gli ingressi al mixer effettivo erano accoppiati in CC e poteva gestire la moltiplicazione di entrambe le polarità.
C'è anche una leggera differenza di fase tra l'uscita del mixer e la traccia dell'oscilloscopio, poiché cose come i ritardi di propagazione devono essere considerati nella vita reale.
Applicazioni dei miscelatori moltiplicativi
Il più grande utilizzo dei mixer moltiplicativi è nei circuiti RF, per demodulare le forme d'onda ad alta frequenza mescolandole con una forma d'onda a frequenza intermedia.
Una cella di Gilbert come questa è un moltiplicatore a quattro quadranti , il che significa che è possibile la moltiplicazione in entrambe le polarità, seguendo le semplici regole:
A x B = AB -A x B = -AB A x -B = -AB -A x -B = AB
Generatore di onde sinusoidali Arduino
Tutte le forme d'onda utilizzate per questo progetto sono state generate utilizzando un Arduino. Abbiamo precedentemente spiegato in dettaglio il circuito del generatore di funzioni Arduino.
Schema elettrico:
Spiegazione del codice:
La sezione di configurazione crea due tabelle di ricerca con i valori della funzione seno, scalati su un numero intero da 0 a 255 e una fase spostata di 90 gradi.
La sezione loop scrive semplicemente i valori memorizzati nella tabella di ricerca nel timer PWM. L'uscita dei pin PWM 11 e 3 può essere filtrata passa-basso per ottenere un'onda sinusoidale quasi perfetta. Questo è un buon esempio di DDS, o sintesi digitale diretta.
L'onda sinusoidale risultante ha una frequenza molto bassa, limitata dalla frequenza PWM. Questo può essere risolto con qualche magia di registro di basso livello. Di seguito è riportato il codice Arduino completo per il generatore di onde sinusoidali:
Codice Arduino:
#define pinOne 11 #define pinTwo 3 #define pi 3.14 float phase = 0; int risultato, resultTwo, sineValuesOne, sineValuesTwo, i, n; void setup () {pinMode (pinOne, OUTPUT); pinMode (pinTwo, INPUT); Serial.begin (115200); for (phase = 0, i = 0; phase <= (2 * pi); phase = phase + 0.1, i ++) {result = (50 * (2.5 + (2.5 * sin (phase)))); sineValuesOne = risultato; risultatoDue = (50 * (2,5 + (2,5 * sin (fase - (pi * 0,5))))); sineValuesTwo = resultTwo; } n = i; } void loop () {for (i = 0; i <= n; i ++) {analogWrite (pinOne, sineValuesOne); analogWrite (pinTwo, sineValuesTwo); ritardo (5); }}
Conclusione
I mixer sono circuiti elettronici che aggiungono o moltiplicano due ingressi. Trovano ampio uso in audio, RF e occasionalmente come elementi di un computer analogico.