产生差分信号

电器工程 信号 麦克风 微分 正弦
2022-01-25 20:11:11

我被分配了一个小任务(实际上它是一个更大任务的一部分),其中要求生成一个看起来像是来自麦克风的信号。需要保持以下要求:

  • 1.0Vpp
  • 正弦波
  • 微分

现在这实际上是两个问题:

  • 我知道信号需要是差分的,所以我需要两个信号,但这两个信号必须在 0V 左右对称吗?麦克风在这里给出的正常输出是多少。否则:我可以只使用一个正弦波,将其乘以 2,接收器的输入看起来是否相同?

  • 有什么便宜的方法可以做到这一点?我知道我可以使用微控制器及其 DAC 功能来生成漂亮的正弦波。然而,我将如何从中获得差分信号。或者是否有任何 IC 已经可以满足我的要求?

4个回答

我会将此视为两个问题,生成正弦波和制作平衡线路驱动器。其他答案已经涵盖了正弦波发生器,这是一件容易研究的事情,我没有什么要补充的。但是,我会说一些关于差分线路驱动器的事情。

正如其他人所说,执行此操作的规范方法是使用变压器。变压器效果很好,但又大又贵。在音频应用中,您将需要更昂贵的变压器以避免引入不可接受的失真。但是,如果您想看起来完全像动圈麦克风,这是您的最佳选择,因为变压器模拟动圈麦克风上的绕组属性比任何其他方法都多。

但是,由于成本的原因,您从任何现代供电设备获得的任何平衡音频信号现在都可能没有变压器。有源(电容)麦克风可能属于这一类;混音板和前置放大器几乎可以肯定。我强烈建议您阅读《高性能平衡音频接口的设计》,了解常用技术的调查和相关问题的详细说明。另请参阅同一站点的平衡发射器和接收器 II

后面那篇文章有一部分我会在这里特别总结一下:重要的是两条线的阻抗相同,这样噪声就会产生相同的电压,这样就可以将其作为共模抑制。在消极方面有一个相反的信号根本不重要在那篇文章中,有一个示意图,在嘿!那是作弊

平衡线路驱动器原理图

有关详细讨论,请参阅文章,但您可以清楚地看到引脚 3,即信号的负极,只是通过电阻器接地。事实证明,如果你拆解很多专业的音频设备,这正是他们使用的线路驱动器类型。因为它有很多优点:

  • 简单的
  • 易于平衡
  • 如果引脚 3 在不平衡输入上接地,则不会发生任何不良情况

这里唯一的关键部分是确保 R2 和 R3 完全相等。使用 1% 或更好的电阻器,或使用惠斯通电桥平衡它们以获得最佳的共模抑制。

如果我理解正确,您需要一个产生正弦波的电路,并提供两个相隔 180 度的版本。这可以通过微控制器轻松实现,例如带有双 16 位 DAC 的 dsPIC,每个通道上都有差分输出(例如dsPICfJ64GP802 - 这是它的DAC 外设手册),这是一个典型的差分缓冲电路,由一个渠道:

dsPIC DAC 缓冲器


没有微控制器

这是一个非微型选项:

差异输出

这结合了一个维恩桥振荡器(如果需要,可以用白炽灯泡代替 FET)和一个简单的晶体管缓冲器,该缓冲器从集电极和发射极获取输出。导轨为 +/- 12V(如有必要,可设计为更低)

模拟:

差分输出模拟

请注意,当它到达任何地方时,上面的总和将为 2V pk-pk - 您可以通过用电位器替换 R11 和 R12 轻松控制幅度。

当您有一个不对称信号并想要一个对称(读取:差分)信号,并且您所需的信号看起来应该来自(动态)麦克风(除非您想要更高的 1 Vpkpk 电平),选择的设备是DI框

它们在无源版本中包含一个音频变压器,并且通常在输出侧有一个中心抽头,如果需要,可以通过开关连接到 GND。此外,还有一些有源版本,使用运算放大器而不是变压器。这些使用,简化,一个缓冲器和一个反相器。缓冲器产生与源同相的信号,反相器产生与原始信号相差 180° 的信号。缓冲和反转 = 差分。

通常,您的差分信号在 0 V 附近是对称的。只要您将开关保持打开状态,变压器的输出端甚至会浮动(即对称于其自身的平均值),这是避免接地环路的一个额外好处。

zebonaut 建议的变压器肯定会产生良好的差分信号,并具有共模隔离的好处。

另一种方法是首先产生两个信号。既然你正在综合这个,那应该不难安排。例如,使用微控制器的两个 D/A 或滤波 PWM 输出。您可以很容易地保证固件中的平均值始终相同。这两个信号仍会有一半电源电压的直流偏移,但这在音频电路中很常见。您缓冲两个信号,然后通过一个上限将它们分别耦合到输出。在每个输出上放置一个弱电阻,例如 10 kΩ 接地,以将平均值转移到接地并泄漏可能积累的任何静电荷,并让电压变得太高而无法阻止电容。

添加了关于缓冲

“缓冲”电压信号通常意味着保持电压大致相同但显着降低阻抗。换句话说,缓冲信号可以比其无缓冲版本提供更多的电流。

缓冲信号的一种简单方法是在“电压跟随器”模式下使用运算放大器。这只是一个运算放大器,其输出与负输入相关联。无论您在正输入上放置什么,都会显示在输出上,但具有运算放大器的电流驱动能力。

在您的情况下,A/D 或滤波后的 PWM 输出将是高阻抗的,不适合通过电缆发送。配置为电压跟随器的两个运算放大器将解决这个问题。