如何建立一个模拟混频器-加法混频器和乘法混频器

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)。混频器在音频和射频系统中有很多用途，很少用作简单的模拟“计算机”。有两种类型的模拟音频混频器-加法混频器和乘法混频器。

1. 加法混频器

顾名思义，加法混频器只是在任意时刻将两个信号的值加在一起，从而在输出端产生连续波形，即单个波形值的总和。

最简单的加法混频器只是两个信号源以以下方式连接到两个电阻：

电阻器防止信号源相互干扰，附加发生在共同节点，而不是信号源本身。这种方法的美妙之处在于，可以根据各个电阻器的值进行加权求和。

数学上来说,

其中“z”是输出信号，“x”和“y”是输入信号，“A”和“B”是比例缩放因子，即电阻值相对于彼此。

例如，如果一个电阻器值是10K，另一个是5K， A和B分别变成2和1，因为10K是5K的两倍。

当然，使用这个音频混频器可以将两个以上的信号组合在一起。

构造一个简单的加法混频器

部分要求:

1. 2个10K电阻

2. 1x 3.3K电阻

3. 一个双通道信号源

线路图:

使用两个10K电阻，输出仅仅是输入信号的总和。A和B都是统一的，因为两个标度电阻是相同的。

黄色和蓝色波形是输入，粉红色波形是输出。

当我们用3.3K电阻替换其中一个10K电阻时，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电阻上。

数学方程为：

下图显示了粉红色的输出波形，黄色和蓝色的输入。

加法混频器的应用

最引人注目的业余爱好者使用简单的混音器像这样的形式来一个耳机均衡器或“单声道到立体声”转换器，它转换左右通道从3.5毫米立体声插孔到一个单一通道使用两个(通常)10K电阻。

2. 乘法混频器

乘法混频器更有趣一点——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，但我们怎么用电子乘法呢?

这里还有一个数学上的小技巧，叫做对数。

对数基本上是在问一个问题——给定的底数必须取几次方才能得到结果?

换句话说，

用对数表示，可以写成：

用共同基数的指数来表示数字，使我们能够使用另一个基本的数学性质：

两个指数同底数相乘等于指数相加，然后底数取幂。

这意味着，如果我们对两个信号应用对数，将它们相加，然后“取”一个反对数相当于将它们相乘!

电路的实现可能会变得有点复杂。

在这里，我们将讨论一个相当简单的电路，称为吉尔伯特细胞混频器。

吉尔伯特单元混频器

下图显示了吉尔伯特单元混频器电路。

电路一开始可能看起来很吓人，但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。

差分放大器只是将差分输入电压放大到两个晶体管。考虑下图所示的简单电路。

输入是差分形式，在晶体管Q14和Q15的基极之间。基极电压相同，集电极电流相同，R23和R24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，输出摆幅比输入摆幅大。

由此得出的结论是，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。

在上面显示的吉尔伯特单元混频器电路中，顶部的两个差差放大器(由Q8/Q10和Q11/Q9组成)具有交叉连接的输出和一组共同的负载。

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有一个小的差分电压时也是如此，因为尾部电流是相同的，交叉连接抵消了整体输出。

只有当两个尾电流不同时，输出电压是尾电流差的函数。

根据尾电流的大小，增益可以是正的或负的(相对于输入信号)，即反相或非反相。

尾电流的差异是由晶体管Q12/Q13组成的另一个差分放大器带来的。

总的结果是，输出的微分摆幅与输入A和B的微分摆幅的乘积成正比。

构建吉尔伯特细胞混频器

部分要求:

1. 3x 3.3K电阻

2. 6个NPN晶体管(2N2222、BC547等)

两个相移正弦波被送入输入(由黄色和蓝色迹线显示)，输出在下图中显示为粉红色，与示波器的数学乘法函数相比，其输出是紫色迹线。

由于示波器做“实时”乘法，输入必须是交流耦合的，这样它也可以计算负峰值，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。

混频器输出和范围跟踪之间也有轻微的相位差，因为在现实生活中必须考虑传播延迟等问题。

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高频波形。

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：

Arduino正弦波发生器

本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函数生成器电路。

线路图:

代码的解释:

设置部分创建两个查找表，其中包含正弦函数的值，缩放为从0到255的整数，一个相位移动90度。
循环部分简单地将存储在查找表中的值写入PWM定时器。PWM引脚11和3的输出可以进行低通滤波，以获得近乎完美的正弦波。这是DDS(直接数字合成)的一个很好的例子。
由此产生的正弦波具有非常低的频率，受到PWM频率的限制。这可以用一些低级的寄存器魔法来修复。正弦波发生器的完整Arduino代码如下：
Arduino代码:

结论

混频器是将两个输入相加或相乘的电子电路。它们广泛应用于音频、射频，偶尔也用作模拟计算机的元件。

本文编译自circuitdigest