567音调解码器内含锁相环,可以广泛用于BB机、频率监视器等各种电路中。
音调解码器
本文讨论锁相环电路,介绍NE567单片音调解码器集成电路。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关,当在此集成块的输入端加上所先定的音频时,即可产生一个接地方波。此音调解码器可以解码各种频率的音调。例如检测电话的按键音等。
此音调解码器还可以用在BB机、频率监视器和控制器、精密振荡器和遥测解码器中。
本文主要讨论Philip的NE567音调解码器/锁相环。此器件是8脚DIP封装的567型廉价产品。图1所示为这种封装引脚图。图2所示为此器件的内部框图,可以看出,NE567的基本组成为锁相环、直角相位检波器(正交鉴相器)、放大器和一个输出晶体管。锁相环内则包含一个电流控制振荡器( CC0)、一个鉴相器和一个反馈滤波器。
Philip的NE567有一定的温度工作范围,即0至+70℉。其电气特性与Philip的SE567大致相同,只是SE567的工作温度为-55至125℉。但是,567已定为工业标准音调解码器,有其它若干个多国半导体集成电路制造厂同时生产此集成块。
例如,Anal.g Device提供三种AD567,EXar公司提供5种XR567,而National Sevniconductor提供3种LM567。这类不同牌号的567器件均可在本文讨论的电路中正常工作。因此,本文以下将这类器件通称为567音调解码器。
567基础
567的基本工作状况有如一个低压电源开关,当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时,开关就接通。换句话说567可做精密的音调控制开关。
通用的567还可以用做可变波形发生器或通用锁相环电路。当其用作音调控制开关时,所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHz内的任何值,检测带宽可以设定在中心频率14%内的任何值。而且,输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内改变。
电流控制的567振荡器可以通过外接电阻R1和电容器C1在一个宽频段内改变其振荡频率,但通过引脚2上的信号只能在一个很窄的频段(最大范围约为自由振荡频率的14%)改变其振荡频率。因此,567锁相电路只能“锁定”在预置输入频率值的极窄频带内。567的积分相位检波器比较输入信号和振荡器输出的相对频率和相位。只有当这二个信号相同时(即锁相环锁定)才产生一个稳定的输出,567音调开关的中心频率等于其自由振荡频率,而其带宽等于锁相环的锁定范围。
图3所示为567用作音调开关时的基本接线图。输入音调信号通过电容器C4交流耦合到引脚3,这里的输入阻抗约为20KΩ。插接在电源正电源端和引脚8之间的外接输出负载电阻RL与电源电压有关,电源电压的最大值为15V,引脚8可以吸收达100mA的负载电流。
引脚7通常接地,面引脚4接正电源,但其电压值需最小为4.75V,最大为9V。如果注意节流,引脚8也可接到引脚4的正电源上。
振荡器的中心频率(f0)也由下式确定:
f0=1.1×(R1×C1)..............(1)
这里电阻的单位是KΩ,电容的单位是uF,f0的单位为KHz。
将方程(1)进行相应移项,可得电容C1之值:
C1=1.1/(f0×R1)..............(2)
利用这二个公式,电容和电阻的值均可确定,电阻R1之值应在2至20KΩ的范围内。然后,再由(2)式确定电容值。
此振荡器在引脚6上产生一个指数型锯齿波,而在引脚5上则产生一个方波。此音调开关的带宽(以及PLL的锁定范围)则由C2及567内部的一个3.9KΩ电阻共同确定。而此电路的输出开关延迟则由C3及集成电路内的一个电阻共同确定。表1列出了Philip的NE567的电气特性,所有其它厂家不同牌号的567芯片,其特性与表1大致相同。
|
参 数 |
条 件 |
NE567 |
单 位 |
|
最 小 |
典 型 |
最 大 |
|
中
心
频
率 |
最高中心频率
中心频率稳定度
中心频率分布
中心频率随电源的漂移 |
|
|
500
35±140
35±60
0
0.7 |
+10
2 |
kHz
ppm/℃
ppm/℃
%
%V |
|
|
最大检测频段
最大检测频带-随温度的变化
最大检测频带-随温度的变化 |
|
|
14
3
±0.1
±2
|
18
6
|
f0
f0
%/℃
%/℃
|
|
|
输入电阻
最小可检测输入电压
最大无输出输入电压
最大同时的带外信号与带内信号比
最小输入信号与宽带噪声比 |
IL=100mA
IL=100mA
Bn=140kHz |
|
20
20
15
+6
-6 |
25
25
|
kΩ
mVrms
mVrms
dB
dB |
|
|
最快开-关循环速率
“1”输出漏电流
“0”输出电压
输出下降时间
输出上升时间 |
V8=15V
IL=30mA
IL=100mA
RL=50Ω
RL=50Ω |
|
f0/20
25
0.2
0.6
30
150 |
0.01
0.4
1.0
|
uA
V
V
ns
ns |
|
|
工作电压范围
电源电流(静止)
电源电流(工作)
静止功耗 |
|
|
7
12
35 |
9.0
10
15
|
V
mA
mA
mW |
表1
振荡器设计
图4和图5所示为如何使567产生精密的方波输出。从引脚6处可以获得非线性锯齿波,但其用途有限,不过,在引脚5上可获得性能极佳的方波。如图4所示,其输出方波的上升时间和下降时间为20nS。
此方波的峰到峰幅值等于电源电压减去1.4V。这种方波发生器和负载特性极佳,任何大于1KΩ的电阻性负载均不会影响电路的功能。另外,此方波发生器的输出也可以加至低阻抗负载,如图5所示,引脚8输出端的峰值电流高达100mA,但波形略差。
利用前述的振荡频率和电容计算公式(1)和(2),即可确定这类振荡器的各种参数。同样的,R1必须限制在2至20KΩ的范围内。为使计算简化,节约时间,决定振荡频率的元件数值也可以由图6所示的诺模图上直接读出。
例如,需要此567振荡器工作在10KHz,C1和R1的值可以是0.055uF和2KΩ,或者是0.0055uF和20KΩ。
在567的引脚2上加一控制电压,即可使振荡器的工作频率在一个窄范围内微调百分之几。如果加上控制电压,引脚2应接去耦电容C2,其值应大致为C1的2倍。
图4和图5的电路可以用不同的方式修改,如图7至图10所示。在图7中,占空比或传号/空号之比对所产生的波形而言是完全可变的,借助微调电位器R2,其变化范围为27∶1至1∶27。另外,在每个工作周期内,C1交替充放电,充电是经电阻R1、二极管D1和R2的左侧,而放电则通过电阻R1、二极管D2和R2的右侧。只是随着传号/空号比率的改变,工作频率略有改变。
图8所示的电路可以产生正交方波,此振荡器在引脚5和8上的二个方波输出有90°的相位差。在此电路中,输入引脚3通过接地。如果在引脚3上加有2.8V以上的偏置电压,则引脚8上的方波有180°相移。
图9和图10所示为定时电阻值最大可为500KΩ左右的振荡器的电路。这样,定时电容C1之值即可按比例减小。在这二个电路中,在567的引脚6和R1、C1的节点间接有一个缓冲级。
在图9中,这个缓冲级是一级晶体管射极跟随器。踞遗憾的是,这一级的引入使波形的对称性略差。相对应的是,图10所示电路以一级运算放大器跟随器作为缓冲级。这样就不影响波形的对称性。
567的五个输出
567的五个输出端子。其中二个(引脚5和6)提供振荡器的输出波形,而第三个输出端子引脚8,则如前所述为567的主要输出口。其余的二个输出端为此解码器的引脚1和2。
引脚2与锁相环的相位检波器输出端相接,在内部被静态偏置到3.8V。当567接收到带内输入信号时,此偏置电压随之改变,且在典型的0.95至1.05倍振荡器自由振荡频率范围内,偏置电压的变化与输入信号频率呈线性关系。其斜率为每频偏百分之一有20mV(即20mV/ f0)。
图11所示为当567作为音调开关时,引脚2输出和引脚8输出之间的时间关系。图中所示为在两种带宽(14%和7%)下的时间关系。
引脚1给出567正交相位检波的输出。当音调锁定时,在引脚1上的平均电压是此电路带内输入信号幅度的函数,如图12的传输函数所示。当引脚1上的平均电压被下拉到3.8V门限值之下时,集电极在引脚8上的内部输出晶体管就导通。
带宽的确定
当567被用作音调开关时,其带宽(中心频率的百分数)的最大值约为14%。此值与25至250mV均方根值的带内信号电压成正比。但是,当信号电压由200变至300mV时,则不影响带宽。同时,带宽反比于中心频率f0和电容器C2的乘积。实际带宽为:
BW=1070
BW的单位为中心频率的百分数(%),而且,Vi≤200mVRMS。式中Vi的单位为V-RMS,C2的单位为uF。
通过试探和误差处理来选择C2,一开始可选择C2的值为C1的2倍。随后可增加C2的值以减小带宽,也可减小C2的值以增加带宽。
检测带宽的对称性
所谓检测整容的对称性就是测量此带宽与中心频率的对称程度。对称性的定义如下:
(fmax+fmin-2f0)/2f
这时fmax和fmin是相应于所检测频带二边沿的频率。
如果一个音调开关的中心频率为100KHz,而带宽为10KHz,频带的边沿频率对称于95KHz和105KHz,这样,其对称性为0%。但是,如果其频带相当不对称,边沿频率为100KHz和110KHz,其对称值增加到5%。
如果需要,可以用微调电位器R2和47KΩ的电阻R4在567的引脚2上加一外偏微调电压,以使对称值减至0,如图13所示。将电位器的中间滑动触点向上移则中心频率降低,向下移则中心频率升高。硅二极管D1和D2用作温度补偿。
音调开关设计
以图3所示的典型电路为基础,很容易设计出实用的音调开关。频率控制元件电阻R1和电容C1各值的选定可利用图6的诺模图。电容C2容量的选择可以上述讨论为基础,由实验确定。一开始可用其容量为C1的两倍的电容,然后,若有需要可调整其值,以给出所要求的信号带宽。如果对于频带的对称性要求严格,可如图13所示,加一对称性调整级。
最后,使C3之值为C2的2倍。并检查此电路的响应。如果C3太小,引脚8上的输出可能会在开关期间因过渡历程而发生脉冲。如C3选择适当,则整个电路设计完毕。
多路转接开关
可以从一个音频输入馈入任意多个567音调开关,以构成任何所希望规模的多音调开关网络。图14和图15是二种实用的两级开关网络。
在图14中的电路有双音解码器的作用。在二个输入输入信号中有任一个出现时,都可激励出一个信号输出。图中,二个音调开关是由是一个信号源激励的,而其输出则由一个CD4001B型CMOS门集成块来进行或非处理。图15所示为二个567音调开关并行联接,其作用有中一个相对带宽为24%的单个音调开关。在此电路中,IC1音调开关的工作频率设计成比IC2音调开关的工作频率高1.12倍。因此,它们的转接频带是叠合的。
