混頻器是一種特殊類(lèi)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)。混頻器在音頻和射頻系統(tǒng)中有很多用途，很少用作簡(jiǎn)單的模擬“計(jì)算機(jī)”。有兩種類(lèi)型的模擬音頻混頻器-加法混頻器和乘法混頻器。

1. 加法混頻器

顧名思義，加法混頻器只是在任意時(shí)刻將兩個(gè)信號(hào)的值加在一起，從而在輸出端產(chǎn)生連續(xù)波形，即單個(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)源以以下方式連接到兩個(gè)電阻：

電阻器防止信號(hào)源相互干擾，附加發(fā)生在共同節(jié)點(diǎn)，而不是信號(hào)源本身。這種方法的美妙之處在于，可以根據(jù)各個(gè)電阻器的值進(jìn)行加權(quán)求和。

數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō),

其中“z”是輸出信號(hào)，“x”和“y”是輸入信號(hào)，“A”和“B”是比例縮放因子，即電阻值相對(duì)于彼此。

例如，如果一個(gè)電阻器值是10K，另一個(gè)是5K， A和B分別變成2和1，因?yàn)?0K是5K的兩倍。

當(dāng)然，使用這個(gè)音頻混頻器可以將兩個(gè)以上的信號(hào)組合在一起。

構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單的加法混頻器

部分要求:

1. 2個(gè)10K電阻

2. 1x 3.3K電阻

3. 一個(gè)雙通道信號(hào)源

線(xiàn)路圖:

使用兩個(gè)10K電阻，輸出僅僅是輸入信號(hào)的總和。A和B都是統(tǒng)一的，因?yàn)閮蓚€(gè)標(biāo)度電阻是相同的。

黃色和藍(lán)色波形是輸入，粉紅色波形是輸出。

當(dāng)我們用3.3K電阻替換其中一個(gè)10K電阻時(shí)，比例因子變?yōu)?和1，并且一個(gè)信號(hào)的三分之一被添加到第二個(gè)電阻上。

數(shù)學(xué)方程為：

下圖顯示了粉紅色的輸出波形，黃色和藍(lán)色的輸入。

加法混頻器的應(yīng)用

最引人注目的業(yè)余愛(ài)好者使用簡(jiǎn)單的混音器像這樣的形式來(lái)一個(gè)耳機(jī)均衡器或“單聲道到立體聲”轉(zhuǎn)換器，它轉(zhuǎn)換左右通道從3.5毫米立體聲插孔到一個(gè)單一通道使用兩個(gè)(通常)10K電阻。

2. 乘法混頻器

乘法混頻器更有趣一點(diǎn)——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，但我們?cè)趺从秒娮映朔?

這里還有一個(gè)數(shù)學(xué)上的小技巧，叫做對(duì)數(shù)。

對(duì)數(shù)基本上是在問(wèn)一個(gè)問(wèn)題——給定的底數(shù)必須取幾次方才能得到結(jié)果?

換句話(huà)說(shuō)，

用對(duì)數(shù)表示，可以寫(xiě)成：

用共同基數(shù)的指數(shù)來(lái)表示數(shù)字，使我們能夠使用另一個(gè)基本的數(shù)學(xué)性質(zhì)：

兩個(gè)指數(shù)同底數(shù)相乘等于指數(shù)相加，然后底數(shù)取冪。

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

電路的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)變得有點(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(chēng)為吉爾伯特細(xì)胞混頻器。

吉爾伯特單元混頻器

下圖顯示了吉爾伯特單元混頻器電路。

電路一開(kāi)始可能看起來(lái)很?chē)樔?，但像所有?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。

差分放大器只是將差分輸入電壓放大到兩個(gè)晶體管。考慮下圖所示的簡(jiǎn)單電路。

輸入是差分形式，在晶體管Q14和Q15的基極之間?；鶚O電壓相同，集電極電流相同，R23和R24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，輸出擺幅比輸入擺幅大。

由此得出的結(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。

在上面顯示的吉爾伯特單元混頻器電路中，頂部的兩個(gè)差差放大器(由Q8/Q10和Q11/Q9組成)具有交叉連接的輸出和一組共同的負(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有一個(gè)小的差分電壓時(shí)也是如此，因?yàn)槲膊侩娏魇窍嗤?，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)，輸出電壓是尾電流差的函數(shù)。

根據(jù)尾電流的大小，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。

尾電流的差異是由晶體管Q12/Q13組成的另一個(gè)差分放大器帶來(lái)的。

總的結(jié)果是，輸出的微分?jǐn)[幅與輸入A和B的微分?jǐn)[幅的乘積成正比。

構(gòu)建吉爾伯特細(xì)胞混頻器

部分要求:

1. 3x 3.3K電阻

2. 6個(gè)NPN晶體管(2N2222、BC547等)

兩個(gè)相移正弦波被送入輸入(由黃色和藍(lán)色跡線(xiàn)顯示)，輸出在下圖中顯示為粉紅色，與示波器的數(shù)學(xué)乘法函數(shù)相比，其輸出是紫色跡線(xiàn)。

由于示波器做“實(shí)時(shí)”乘法，輸入必須是交流耦合的，這樣它也可以計(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。

混頻器輸出和范圍跟蹤之間也有輕微的相位差，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中必須考慮傳播延遲等問(wèn)題。

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)高頻波形。

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：

Arduino正弦波發(fā)生器

本項(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)生成器電路。

線(xiàn)路圖:

代碼的解釋:

設(shè)置部分創(chuàng)建兩個(gè)查找表，其中包含正弦函數(shù)的值，縮放為從0到255的整數(shù)，一個(gè)相位移動(dòng)90度。
循環(huán)部分簡(jiǎn)單地將存儲(chǔ)在查找表中的值寫(xiě)入PWM定時(shí)器。PWM引腳11和3的輸出可以進(jìn)行低通濾波，以獲得近乎完美的正弦波。這是DDS(直接數(shù)字合成)的一個(gè)很好的例子。
由此產(chǎn)生的正弦波具有非常低的頻率，受到PWM頻率的限制。這可以用一些低級(jí)的寄存器魔法來(lái)修復(fù)。正弦波發(fā)生器的完整Arduino代碼如下：
Arduino代碼:

結(jié)論

混頻器是將兩個(gè)輸入相加或相乘的電子電路。它們廣泛應(yīng)用于音頻、射頻，偶爾也用作模擬計(jì)算機(jī)的元件。

本文編譯自circuitdigest