כיצד לבנות מערבל אנלוגי

מערבל הוא סוג מיוחד של מעגל אלקטרוני המשלב שני אותות (מעת לעת צורות גל). מערבלים מוצאים שימוש רב במערכות שמע ו- RF ולעתים נדירות משמשים כ'מחשבים 'אנלוגיים פשוטים. ישנם שני סוגים של מיקסרים שמע אנלוגיים - מערבלי תוספים ומיקסרים מרובים.

1. מערבלי תוספים

כפי ששמם מרמז, מערבלים תוספים פשוט מוסיפים יחד את הערכים של שני אותות בכל רגע, מה שמביא לצורת גל רציפה בפלט שהוא סכום הערכים של צורות הגל הבודדות.

מערבל התוספים הפשוט ביותר הוא פשוט שני מקורות איתות המחוברים לשני נגדים באופן הבא:

הנגדים מונעים ממקורות האות להפריע זה לזה, התוספת מתרחשת בצומת המשותף, ולא במקורות האות עצמם. היופי בשיטה זו הוא שסכום משוקלל אפשרי, תלוי בערכי הנגד האישיים.

באופן מתמטי, z = Ax + By

כאשר 'z' הוא אות הפלט, 'x' ו- 'y' הם אות הקלט ו- 'A' ו- 'B' הם גורמי קנה המידה היחסיים, כלומר ערכי הנגד ביחס זה לזה.

לדוגמא אם אחד מערכי הנגד הוא 10K והשני הוא 5K, A ו- B הופכים ל- 2 ו- 1 בהתאמה, מכיוון ש- 10K הוא כפול 5K.

כמובן, ניתן לשלב יותר משני אותות יחד בעזרת מערבל שמע זה.

בניית מערבל תוספים פשוט

חלקים נדרשים:

1. נגדים 2x 10K

2. נגד x 3.3K

3. מקור אותות שני ערוצים

תרשים מעגל:

עם שני הנגדים 10K, הפלט הוא פשוט סכום אותות הקלט. A ו- B שניהם אחדות, מכיוון ששני נגדי קנה המידה זהים.

צורות הגל הצהובות והכחולות הן התשומות, וצורת הגל הוורודה היא הפלט.

כאשר אנו מחליפים את אחד הנגדים 10K בנגד 3.3K, גורמי המדרג הופכים ל -3 ו -1 ושליש מאות האות מתווסף לשני.

המשוואה המתמטית היא:

z = x + 3y

האיור להלן מציג את צורת גל הפלט המתקבלת בוורוד, ואת התשומות בצהוב וכחול.

יישום של מערבלי תוספים

השימוש החביבני המדהים ביותר במיקסרים פשוטים כאלה מגיע בצורה של אקולייזר לאוזניות או ממיר 'מונו לסטריאו', הממיר את הערוצים השמאליים והימניים משקע סטריאו 3.5 מ"מ לערוץ יחיד באמצעות שני (בדרך כלל) 10K נגדים.

2. מערבלים מרובים

מערבלים מכפלים הם קצת יותר מעניינים - הם מכפילים שני אותות קלט (או אולי יותר, אבל זה קשה) והמוצר הוא אות הפלט.

התוספת היא פשוטה, אבל איך נכפיל אלקטרונית ?

יש עוד טריק מתמטי קטן שנוכל ליישם כאן, הנקרא לוגריתם.

לוגריתם בעצם שואל את השאלה - לאיזה כוח יש להעלות בסיס נתון בכדי לתת את התוצאה?

במילים אחרות, 2 ^x = 8, x =?

במונחים של לוגריתמים, ניתן לכתוב זאת כ:

יומן ₂ x = 8

כתיבת מספרים במונחים של אקספוננט של בסיס משותף מאפשרת לנו להשתמש בתכונה מתמטית בסיסית אחרת:

a ^x xa ^y = ^{x + y}

הכפלת שני מעריצים עם בסיס משותף שווה ערך להוספת המעריכים ואז העלאת הבסיס לאותו כוח.

משמעות הדבר היא שאם אנו מיישמים לוגריתם על שני אותות, הוספתם יחד ואז 'נטילת' אנטילוג שקולה להכפלתם !

יישום המעגל יכול להסתבך מעט.

כאן נדון במעגל פשוט למדי הנקרא מערבל תאים של גילברט .

מערבל תאים של גילברט

איור להלן מראה את מעגל מערבל התאים גילברט.

המעגל עשוי להיראות מאיים מאוד בהתחלה, אך כמו כל המעגלים המסובכים ניתן לפרק את זה למבנים פונקציונליים פשוטים יותר.

זוגות טרנזיסטורים Q8 / Q10, Q11 / Q9 ו- Q12 / Q13 יוצרים מגברים דיפרנציאליים בודדים.

מגברים דיפרנציאליים פשוט מגבירים את מתח הכניסה הדיפרנציאלי לשני הטרנזיסטורים. שקול את המעגל הפשוט שמוצג באיור להלן.

הקלט נמצא בצורה דיפרנציאלית בין בסיסי הטרנזיסטורים Q14 ו- Q15. מתח הבסיס זהה, כך גם זרמי הקולט והמתח על פני R23 ו- R24 זהים, כך שמתח הפרשי המוצא הוא אפס. אם יש הבדל במתח הבסיס, זרמי הקולט שונים, ומגדירים מתח שונה על פני שני הנגדים. תנופת הפלט גדולה יותר מתנודת הקלט, הודות לפעולת טרנזיסטור.

ההסרה מכך היא שהרווח של המגבר תלוי בזרם הזנב, שהוא סכום שני זרמי הקולט. ככל שזרם הזנב גדול יותר, כך הרווח גדול יותר.

במעגל מערבל התאים של גילברט המוצג לעיל, לשני המגברים הבדוליים העליונים (שנוצרו על ידי Q8 / Q10 ו- Q11 / Q9) יש יציאות מחוברות ומערכת עומסים משותפת.

כאשר זרמי הזנב של שני המגברים זהים והכניסה הדיפרנציאלית A היא 0, המתחים על פני הנגדים זהים ואין פלט. זה המקרה גם כאשר לקלט A יש מתח דיפרנציאלי קטן, מכיוון שזרמי הזנב זהים, החיבור הנגדי מבטל את התפוקה הכוללת.

רק כאשר שני זרמי הזנב שונים זה מזה, מתח המוצא הוא פונקציה של הפרש זרמי הזנב.

תלוי איזה זרם הזנב גדול או קטן יותר, הרווח יכול להיות חיובי או שלילי (ביחס לאות הקלט), כלומר הפוך או לא הפוך.

ההבדל בזרמי הזנב נוצר באמצעות מגבר דיפרנציאלי אחר שנוצר על ידי הטרנזיסטורים Q12 / Q13.

התוצאה הכוללת היא שנדנדת ההפרש ביציאה היא פרופורציונאלית לתוצר הנדנדות הדיפרנציאליות של כניסות A ו- B.

בניית מערבל תאים של גילברט

חלקים נדרשים:

1. נגדים 3x 3.3K

2. 6 טרנזיסטורי NPN 6x (2N2222, BC547 וכו ')

שני גלי סינוס שהועברו פאזה מוזנים לקלטים (מוצגים על ידי העקבות הצהובים והכחולים), והפלט מוצג בוורוד בתמונה למטה, בהשוואה לפונקציית הכפלת המתמטיקה של היקף, שהפלט שלה הוא העקבות הסגולים.

מכיוון שהאוסצילוסקופ מבצע כפל 'בזמן אמת', היה על הקלטות להיות מחוברות לזרם AC כך שהוא גם חישב את השיא השלילי, מכיוון שהתשומות למיקסר בפועל היו מצומדות לזרם זה ויכולו להתמודד עם הכפל של שני הקוטבים.

קיים גם הבדל פאזה קל בין תפוקת המיקסר למעקב היקף, שכן יש לקחת בחשבון דברים כמו עיכוב התפשטות בחיים האמיתיים.

יישומים של מערבלים מרובים

השימוש הגדול ביותר במערבלים כפולים הוא במעגלי RF, לפיתוח צורות גל בתדרים גבוהים על ידי ערבובו עם צורת גל בתדר ביניים.

תא גילברט כמו זה הוא מכפיל של ארבע רבעות , כלומר הכפלה בשני הקוטבים אפשרית, בהתאם לכללים הפשוטים:

A x B = AB -A x B = -AB A x -B = -AB -A x -B = AB

מחולל גלי סינוס Arduino

כל צורות הגל ששימשו לפרויקט זה נוצרו באמצעות ארדואינו. הסברנו בעבר את מעגל מחוללי הפונקציות Arduino בפירוט.

תרשים מעגל:

הסבר קוד:

קטע ההתקנה יוצר שתי טבלאות בדיקה עם הערכים של פונקציית הסינוס, מוגדלות למספר שלם בין 0 ל -255 ושלב אחד מוסט ב 90 מעלות.

קטע הלולאה פשוט כותב את הערכים המאוחסנים בטבלת החיפוש לטיימר ה- PWM. את הפלט של סיכות PWM 11 ו -3 ניתן לסנן במעבר נמוך כדי לקבל גל סינוס כמעט מושלם. זו דוגמה טובה ל- DDS, או לסינתזה דיגיטלית ישירה.

לגל הסינוס שנוצר יש תדר נמוך מאוד, מוגבל על ידי תדר PWM. ניתן לתקן את זה בעזרת קסם רישום ברמה נמוכה. קוד ארדואינו מלא לגנרטור גלי סינוס מופיע להלן:

קוד ארדואינו:

# הגדר סיכה אחת 11 # הגדר סיכה שני 3 # הגדר pi 3.14 שלב צף = 0; int result, resultTwo, sineValuesOne, sineValuesTwo, i, n; הגדרת חלל () {pinMode (pinOne, OUTPUT); pinMode (pinTwo, INPUT); Serial.begin (115200); עבור (שלב = 0, i = 0; שלב <= (2 * pi); שלב = שלב + 0.1, i ++) {תוצאה = (50 * (2.5 + (2.5 * sin (שלב)))); sineValuesOne = תוצאה; resultTwo = (50 * (2.5 + (2.5 * sin (שלב - (pi * 0.5))))); sineValuesTwo = resultTwo; } n = i; } loop loop () {for (i = 0; i <= n; i ++) {analogWrite (pinOne, sineValuesOne); analogWrite (pinTwo, sineValuesTwo); עיכוב (5); }}

סיכום

מערבלים הם מעגלים אלקטרוניים שמוסיפים או מכפילים שני כניסות. הם מוצאים שימוש נרחב באודיו, RF ולעיתים כאלמנטים של מחשב אנלוגי.