Come realizzare un semplice mixer audio

I mixer audio vengono utilizzati principalmente per miscelare tracce audio di singoli strumenti come microfono, chitarra e batteria e creare così una sola traccia di brano principale. Un mixer di livello professionale può avere dozzine di canali e impostazioni per ciascun canale, inclusi preset, effetti incorporati, equalizzatori grafici, controlli monitor e amplificatori di uscita, solo per citarne alcuni. In questo articolo, analizzeremo l'architettura generale di un mixer audio e vedremo come poter realizzare una semplice implementazione che consente il controllo del volume principale e dei singoli canali audio.

Introduzione

Il mixer audio, chiamato anche console di mixaggio, è un dispositivo elettronico per la combinazione e modifica dei segnali audio. I mixer audio possono essere analogici o digitali. Il mixer audio digitale utilizza l'elaborazione numerica del segnale (DSP) mentre i mixer analogici sono generalmente basati su circuiti elettronici con amplificatori operazionali (op amp).

Il mixer è in grado di combinare segnali audio provenienti da diverse sorgenti di segnale, modificare i volumi di ciascun canale di ingresso, nonché il volume complessivo dell'uscita del mixer. In termini semplici, un mixer è un componente che riceve più segnali audio e li fonde insieme in un unico segnale mono o stereo. Questo segnale mixato viene quindi inviato tramite l'uscita principale ad apparecchiature come un amplificatore o un set di altoparlanti attivi. Utilizzando i comandi offerti da qualsiasi pannello di controllo del mixer, tutte le diverse sorgenti audio possono essere bilanciate e mixate fino a quando non suonano come un insieme coeso.

Ad ogni segnale d'ingresso viene associato un canale. Ogni canale è composto da un ingresso (mono o stereo) e da una serie di controlli dedicati a quel particolare canale. I canali della maggior parte dei mixer tendono a includere tutti lo stesso set di controlli, ma ci sono alcune differenze qua e là. Ad esempio, i canali del microfono avranno spesso un layout diverso rispetto agli altri.

Ogni canale sarà sempre dotato di un fader scorrevole per il controllo del volume del canale. I mixer più piccoli a volte hanno manopole rotanti invece che fader. Impostando i fader dei canali, si determina il livello del segnale dei canali mentre vengono inviati come mix all'uscita. Di solito, i comandi per ogni canale includono anche due o tre controlli per l'equalizzazione. Servono per regolare le frequenze alte, medie e basse del segnale audio inviato attraverso quel particolare canale, in modo da poter attenuare o amplificare i toni bassi o acuti.

Poiché il segnale di un microfono è più debole dei segnali di linea, allora i segnali di tutti i microfoni collegati devono essere fatti passare attraverso un preamplificatore in modo che possano essere portati allo stesso livello di un segnale di linea. Questo perché i mixer sono generalmente progettati per funzionare con segnali audio a livello di linea e, come tale, a ciascun canale per microfono è assegnato il suo preamplificatore, il cui livello viene controllato utilizzando la manopola denominata Gain o Trim.

L'uscita principale è ciò che invia il suono mixato dal mixer ad apparecchiature come amplificatori o altoparlanti. Nei mixer più piccoli il volume del mix principale viene impostato tramite una manopola. I mixer più grandi possono fornire un set di due fader: uno per il lato sinistro e uno per quello destro nel caso stereo. Alcuni mixer includeranno anche un equalizzatore dedicato per l'uscita principale in modo che il mix finale possa essere bilanciato con maggior dettaglio.

Struttura generale del mixer audio

Il sistema mostrato nella Figura 1, riporta lo schema a blocchi di un generico mixer audio.

Figura 1: Schema a blocchi di un generico mixer audio

Lo schema contiene tre segnali di ingresso, un preamplificatore, un amplificatore sommatore, l'equalizzatore e l'altoparlante.

Le tre sorgenti di segnale, ovvero i tre canali, forniscono i segnali al sistema. La fonte può essere qualsiasi dispositivo elettronico, come telefoni cellulari e computer. Il microfono serve per convertire il segnale acustico in segnale elettrico.
Il preamplificatore è implementato solo sulla sorgente del microfono perché gli altri segnali audio sono generalmente già preamplificati prima di entrare nel circuito, mentre il segnale proveniente dal microfono non lo è ancora.
L'amplificatore in configurazione sommatore viene utilizzato per combinare i tre canali e controllare il volume del mix in uscita. Anche il volume dei singoli canali viene generalmente impostato in questo blocco. Ad esempio, se si prevede un potenziamento della sorgente 1 e un'attenuazione della sorgente 2, l'amplificatore sommatore è il circuito per eseguire questa funzione.
L'equalizzatore serve per amplificare o attenuare il segnale d'uscita dal sommatore in una certa gamma di frequenze.
L'altoparlante è il dispositivo per convertire il segnale elettrico analogico in segnali acustici.

Il circuito del preamplificatore può essere implementato attraverso un amplificatore operazionale in configurazione non invertente con qualche modifica. Un potenziometro in serie con il resistore a cavallo tra ingresso invertente e uscita dell'op amp, viene utilizzato per modificare il guadagno del circuito. Un condensatore in parallelo con resistore e potenziometro, viene aggiunto per rimuovere il rumore bianco nella gamma delle alte frequenze.

Anche il circuito dell'amplificatore sommatore può essere implementato con un amplificatore operazionale in configurazione non invertente. Al posto del singolo resistore in ingresso, vi sono tre potenziometri. Essi hanno il compito di modificare i volumi dei singoli canali. Questi potenziometri si possono connettere in due modi:

Uno dei terminali esterni e il terminale centrale vengono collegati in comune all'ingresso invertente dell'opamp e l'altro terminale esterno viene collegato alla sorgente di segnale.
Uno dei terminali esterni viene collegato alla sorgente di segnale, l'altro terminale esterno a massa e il terminale centrale viene collegato all'ingresso invertente dell'opamp. Questa configurazione ha il vantaggio di poter gestire livelli di ingresso più elevati.

Un quarto potenziometro viene posto a cavallo tra ingresso invertente e uscita dell'opamp per modificare il volume complessivo (della somma dei tre). Anche in questo caso, un condensatore viene aggiunto per rimuovere il rumore bianco nella gamma delle alte frequenze.

Una possibile implementazione

Andiamo adesso a descrivere una possibile implementazione di un mixer audio. Questa implementazione di base può essere riprodotta con elementi discreti su una basetta millefori o meglio ancora su un circuito stampato.

Si tratta di un mixer mono a tre canali con volume master. Il circuito è pensato per sommare tre segnali provenienti da tre microfoni. Per renderlo un mixer stereo, basta semplicemente duplicare il circuito così da avere un circuito per il lato destro e uno per quello sinistro. Entrambi possono condividere la stessa alimentazione.

La Figura 2 riporta i circuiti del preamplificatore, del sommatore e del divisore di tensione. Il circuito del preamplificatore va replicato per ognuno degli ingressi S1, S2, S3.

Figura 2: Una possibile implementazione circuitale per preamplificatore, sommatore e divisore di tensione

La maggior parte delle sorgenti audio e dei microfoni dinamici presenta un'impedenza di uscita di 47 kΩ. Quindi, per un buon adattamento di impedenza occorre che l'impedenza di ingresso presentata a ciascun ingresso assuma il valore di 47 kΩ. Inoltre, è importante che questa impedenza sia costante e non una funzione dell'impostazione del guadagno. Il mixer funziona con una singola alimentazione da 12 V (questo impone un severo vincolo sulla gamma di headroom del segnale).

Tecnicamente parlando, l'headroom (misurato in dB) è il rapporto tra la quantità massima di segnale non distorto che un sistema può gestire rispetto al livello medio per il quale il sistema è stato progettato. Ad esempio, supponiamo di avere un sistema con un livello medio nominale di -10 dB. Se un segnale di +8 dB attraversa il sistema senza distorsioni, allora si ha 18 dB di headroom. Le parole chiave qui sono “senza distorsione”. Quando l'headroom non è sufficiente, si verifica la distorsione. Per un mixer audio questa non è una buona cosa.

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