第1节 混频交流信号简介(修订中)
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迄今为止，在我们对交流电路的研究中，我们探索了由单频正弦电压波形供电的电路。 (opens new window)然而，在电子学的许多应用中，单频信号是例外而不是规则。
我们经常会遇到多个电压频率同时共存的电路。此外，电路波形可能不是正弦波形，在这种情况下，我们称它们_为非正弦波__[形](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating (opens new window)- (opens new window)_
此外，我们可能会遇到直流与交流混合的情况：波形叠加在稳定 (DC) 信号上。
这种混合的结果是信号强度不同，但从不改变极性，或不对称地改变极性（例如，花费更多的时间正极而不是负极）。
由于 DC 不像 AC 那样交替，因此它的“频率”被认为是零，并且任何包含 DC 以及变化强度 (AC) 信号的信号也可以正确地称为混合频率信号。
在同一电路中混合频率的任何这些情况下，分析都比我们迄今为止所看到的更复杂。
# 1. 耦合
有时会意外产生混合频率的电压和电流信号。这可能是由于这些电路的[导体](https://www.allaboutcircuits.com/video (opens new window)- (opens new window)
耦合现象的典型例子在工业中经常出现，其中直流信号线放置在靠近交流电源线的位置。附近存在高交流电压和电流可能会导致“外来”电压施加在信号线的长度上。
由将电源导体与信号导体隔开的电绝缘层形成的杂散电容可能会导致来自电源导体的电压（相对于大地）施加在信号导体上，而由导管中平行布线形成的杂散电感可能会导致电流从电源导体沿信号导体电磁感应电压。
结果是信号负载处混合了直流和交流。以下示意图显示了交流“噪声”源如何通过沿导体长度的互感 (Mstray) 和电容 (Cstray) “耦合”到直流电路。（下图）
杂散电感和电容将杂散交流电耦合到所需的直流信号中。
当来自“噪声”源的杂散交流电压与沿信号线传导的直流信号混合时，结果通常是不理想的。因此，电源线和低电平信号线应_始终_通过单独的专用金属导管进行布线，并且应通过 2 芯“双绞线”电缆而不是通过单线和接地连接来传导信号：（下图)
屏蔽双绞线将噪音降至最低。
接地电缆屏蔽层——缠绕在两个绝缘导体上的金属丝编织物或金属箔——通过阻挡任何外部电场 (opens new window)将两个导体与静电（电容）耦合隔离开来，而两个导体的平行接近有效地消除了任何电磁（互感）因为任何感应噪声电压在两个导体上的幅度大致相等，相位相反，在接收端相互抵消，净（差分）噪声电压几乎为零。
放置在信号导体长度的每个感应部分附近的极性标记显示了感应电压如何以相互抵消的方式进行定相。
耦合也可能发生在承载交流信号的两组导体之间，在这种情况下，两个信号可能会相互“混合”：
并联导体之间的交流信号耦合。
耦合只是不同频率的信号如何混合的一个例子。无论是交流与直流混合，还是两个交流信号相互混合，通过杂散电感和电容的信号耦合通常是偶然且不受欢迎的。
在其他情况下，混合频率信号是有意设计的结果，或者它们可能是信号的内在质量。创建混合频率信号源通常非常容易。也许最简单的方法是简单地串联电压源：（下图）
电压源的串联混合信号。
一些计算机通信网络的工作原理是沿 60 Hz 电力线导体叠加高频电压信号，以便沿现有长度的电力电缆传输计算机数据。
该技术多年来一直用于配电网络中，以沿高压电力线传输负载数据。当然，这些是混合频率交流电压的例子，在刻意建立的条件下。
在某些情况下，混合频率信号可能由单个电压源产生。麦克风就是这种情况，它将音频气压波转换为相应的电压波形。
麦克风输出的电压信号中的特定频率混合取决于再现的声音。如果声波由单个纯音符或音调组成，则电压波形同样将是单个频率的正弦波。
如果声波是几个音符的和弦或其他和声，则由麦克风产生的电压波形将由混合在一起的这些频率组成。很少有自然声音由单一的纯正弦波振动组成，而是由不同幅度的不同频率振动混合而成。
# 2. 基波和谐波频率
音乐_和弦_是通过将一个频率与第一个特定分数倍数的其他频率混合来产生的。
然而，进一步调查，我们发现即使是一个钢琴音符（由拨弦产生）也由一个主要频率与几个其他频率混合而成，每个频率都是第一个频率的整数倍（称为_谐波_，而第一个频率称为_基频_）。
下表中 (opens new window)显示了这些术语的说明，基频为 1000 Hz（此示例选择的任意数字）。
对于 1000 Hz 的“基本”频率：
| 频率 | 学期 |
|---|---|
| 1000 | 一次谐波或基波 |
| 2000 | 二次谐波 |
| 3000 | 三次谐波 |
| 4000 | 4 次谐波 |
| 5000 | 5次谐波 |
| 6000 | 六次谐波 |
| 7000 | 7次谐波 |
# 3. 泛音
有时，“泛音”一词用于描述乐器产生的谐波频率。
“第一”泛音是_大于_基频的第一谐波频率。如果我们有一台仪器可以产生上表中显示的整个谐波频率范围，那么第一个泛音将是 2000 Hz（第二个谐波），而第二个泛音将是 3000 Hz（第三个谐波），等等。
然而，术语“泛音”的这种应用是特定于特定乐器的。
碰巧某些仪器无法产生某些类型的谐波频率。
例如，由一端开口而另一端封闭的管子制成的乐器（例如瓶子，当空气吹过开口时会发出声音）不能产生偶数谐波。
这种设置为产生 1000 赫兹基频的仪器也将产生 3000 赫兹、5000 赫兹、7000 赫兹等频率，但_不会_产生 2000 赫兹、4000 赫兹、6000 赫兹或任何其他偶数倍频根本。
因此，我们会说这种乐器中的第一个泛音（大于基频的第一个频率）将是 3000 Hz（第三谐波），而第二泛音将是 5000 Hz（第五谐波），依此类推.
完全没有任何谐波的纯正弦波（单频）在人耳中听起来非常“平坦”且“毫无特色”。
大多数乐器都无法发出如此简单的声音。赋予每种乐器独特音调的原因与赋予每个人独特声音的现象相同：谐波波形与每个基本音符的独特混合，由每个产生声音的独特物体的运动物理特性描述。
铜管乐器不具有与木管乐器相同的“谐波含量”，也不会产生与弦乐器相同的谐波含量。独特的频率混合赋予了乐器独特的音色。
任何弹过吉他的人都会告诉你，钢弦的声音与尼龙弦不同。此外，吉他弦产生的音调会根据其长度方向的不同而变化。
这些音调差异也是由于乐器部件的机械振动差异产生的不同谐波含量的结果。
当演奏单个音符时，所有这些乐器都会产生谐波频率（基频的整数倍），但这些谐波频率的相对幅度对于不同的乐器是不同的。在音乐方面，音调的谐波含量的度量称为_音色_或_颜色_。
当乐器的共振元件是二维表面而不是一维弦时，音调变得更加复杂。
基于弦乐（吉他、钢琴、班卓琴、琵琶、扬琴等）或管中空气柱（小号、长笛、单簧管、大号、管风琴等）振动的乐器往往会产生声音由单一频率（“基波”）和混合谐波组成。
然而，基于平板振动的乐器（钢鼓和某些类型的钟）产生的频率范围更广，不仅限于基频的整数倍。结果是一种独特的音调，有些人觉得在声学上令人反感。
如您所见，音乐为混合频率及其效果提供了丰富的研究领域。本章后面的部分将把乐器作为波形来源进行更详细的分析。
# 4. 总结
- _正弦波_形是一种形状与正弦波完全相同的波形。
- _非正弦波_形可以是任何东西，从失真的正弦波形状到完全不同的东西，如方波。
- 混合频率波形可能是意外创建的、有意创建的，或者只是出于需要而存在。例如，大多数音乐音调不是由单一频率的正弦波组成，而是不同频率的丰富混合。
- 当多个正弦波混合在一起时（音乐中经常出现这种情况），最低频率的正弦波称为_基波_，而其他频率为基波整数倍的正弦波称为_谐波_。
- _泛音_是由特定设备产生的谐波。“第一”泛音是大于基频的第一个频率，而“第二”泛音是产生的下一个更大的频率。连续的泛音可能会或可能不会对应于增量谐波，这取决于产生混合频率的设备。一些设备和系统不允许建立某些谐波，因此它们的泛音只会包括一些（不是全部）谐波频率。
相关练习：
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