NE567音調(diào)解碼器原理及應(yīng)用

NE567音調(diào)解碼器內(nèi)含鎖相環(huán)，可以廣泛用于BB機(jī)、頻率監(jiān)視器等各種電路中。
　　音調(diào)解碼器
　　本文討論鎖相環(huán)電路，介紹NE567單片音調(diào)解碼器集成電路。此音調(diào)解碼塊包含一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)，當(dāng)在此集成塊的輸入端加上所先定的音頻時(shí)，即可產(chǎn)生一個(gè)接地方波。此音調(diào)解碼器可以解碼各種頻率的音調(diào)。例如檢測(cè)電話的按鍵音等。
　　此音調(diào)解碼器還可以用在BB機(jī)、頻率監(jiān)視器和控制器、精密振蕩器和遙測(cè)解碼器中。

　　本文主要討論P(yáng)hilip的NE567音調(diào)解碼器/鎖相環(huán)。此器件是8腳DIP封裝的567型廉價(jià)產(chǎn)品。圖1所示為這種封裝引腳圖。圖2所示為此器件的內(nèi)部框圖，可以看出，NE567的基本組成為鎖相環(huán)、直角相位檢波器（正交鑒相器）、放大器和一個(gè)輸出晶體管。鎖相環(huán)內(nèi)則包含一個(gè)電流控制振蕩器（CC0）、一個(gè)鑒相器和一個(gè)反饋濾波器。
　　Philip的NE567有一定的溫度工作范圍，即0至＋70℉。其電氣特性與Philip的SE567大致相同，只是SE567的工作溫度為－55至125℉。但是，567已定為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)解碼器，有其它若干個(gè)多國(guó)半導(dǎo)體集成電路制造廠同時(shí)生產(chǎn)此集成塊。
　　例如，Anal·g Device提供三種AD567，EXar公司提供5種XR567，而National Sevniconductor提供3種LM567。這類不同牌號(hào)的567器件均可在本文討論的電路中正常工作。因此，本文以下將這類器件通稱為567音調(diào)解碼器。
　　567基礎(chǔ)
　　567的基本工作狀況有如一個(gè)低壓電源開(kāi)關(guān)，當(dāng)其接收到一個(gè)位于所選定的窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時(shí)，開(kāi)關(guān)就接通。換句話說(shuō)567可做精密的音調(diào)控制開(kāi)關(guān)。
　　通用的567還可以用做可變波形發(fā)生器或通用鎖相環(huán)電路。當(dāng)其用作音調(diào)控制開(kāi)關(guān)時(shí)，所檢測(cè)的中心頻率可以設(shè)定于0.1至500KHz內(nèi)的任何值，檢測(cè)帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任何值。而且，輸出開(kāi)關(guān)延遲可以通過(guò)選擇外電阻和電容在一個(gè)寬時(shí)間范圍內(nèi)改變。
　　電流控制的567振蕩器可以通過(guò)外接電阻R1和電容器C1在一個(gè)寬頻段內(nèi)改變其振蕩頻率，但通過(guò)引腳2上的信號(hào)只能在一個(gè)很窄的頻段（最大范圍約為自由振蕩頻率的14%）改變其振蕩頻率。因此，567鎖相電路只能“鎖定”在預(yù)置輸入頻率值的極窄頻帶內(nèi)。567的積分相位檢波器比較輸入信號(hào)和振蕩器輸出的相對(duì)頻率和相位。只有當(dāng)這二個(gè)信號(hào)相同時(shí)（即鎖相環(huán)鎖定）才產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出，567音調(diào)開(kāi)關(guān)的中心頻率等于其自由振蕩頻率，而其帶寬等于鎖相環(huán)的鎖定范圍。

　　圖3所示為567用作音調(diào)開(kāi)關(guān)時(shí)的基本接線圖。輸入音調(diào)信號(hào)通過(guò)電容器C4交流耦合到引腳3，這里的輸入阻抗約為20KΩ。插接在電源正電源端和引腳8之間的外接輸出負(fù)載電阻RL與電源電壓有關(guān)，電源電壓的最大值為15V，引腳8可以吸收達(dá)100mA的負(fù)載電流。
　　引腳7通常接地，面引腳4接正電源，但其電壓值需最小為4.75V，最大為9V。如果注意節(jié)流，引腳8也可接到引腳4的正電源上。
　　振蕩器的中心頻率（f0）也由下式確定：
　　f0＝1.1×（R1×C1）··············（1）
　　這里電阻的單位是KΩ，電容的單位是uF，f0的單位為KHz。
　　將方程（1）進(jìn)行相應(yīng)移項(xiàng)，可得電容C1之值：
　　C1＝1.1/（f0×R1）··············（2）
　　利用這二個(gè)公式，電容和電阻的值均可確定，電阻R1之值應(yīng)在2至20KΩ的范圍內(nèi)。然后，再由（2）式確定電容值。
　　此振蕩器在引腳6上產(chǎn)生一個(gè)指數(shù)型鋸齒波，而在引腳5上則產(chǎn)生一個(gè)方波。此音調(diào)開(kāi)關(guān)的帶寬（以及PLL的鎖定范圍）則由C2及567內(nèi)部的一個(gè)3.9KΩ電阻共同確定。而此電路的輸出開(kāi)關(guān)延遲則由C3及集成電路內(nèi)的一個(gè)電阻共同確定。表1列出了Philip的NE567的電氣特性，所有其它廠家不同牌號(hào)的567芯片，其特性與表1大致相同。

表1

振蕩器設(shè)計(jì)



　　圖4和圖5所示為如何使567產(chǎn)生精密的方波輸出。從引腳6處可以獲得非線性鋸齒波，但其用途有限，不過(guò)，在引腳5上可獲得性能極佳的方波。如圖4所示，其輸出方波的上升時(shí)間和下降時(shí)間為20nS。
　　此方波的峰到峰幅值等于電源電壓減去1.4V。這種方波發(fā)生器和負(fù)載特性極佳，任何大于1KΩ的電阻性負(fù)載均不會(huì)影響電路的功能。另外，此方波發(fā)生器的輸出也可以加至低阻抗負(fù)載，如圖5所示，引腳8輸出端的峰值電流高達(dá)100mA，但波形略差。
　　利用前述的振蕩頻率和電容計(jì)算公式（1）和（2），即可確定這類振蕩器的各種參數(shù)。同樣的，R1必須限制在2至20KΩ的范圍內(nèi)。為使計(jì)算簡(jiǎn)化，節(jié)約時(shí)間，決定振蕩頻率的元件數(shù)值也可以由圖6所示的諾模圖上直接讀出。
　　例如，需要此567振蕩器工作在10KHz，C1和R1的值可以是0.055uF和2KΩ，或者是0.0055uF和20KΩ。
　　在567的引腳2上加一控制電壓，即可使振蕩器的工作頻率在一個(gè)窄范圍內(nèi)微調(diào)百分之幾。如果加上控制電壓，引腳2應(yīng)接去耦電容C2，其值應(yīng)大致為C1的2倍。
　　圖4和圖5的電路可以用不同的方式修改，如圖7至圖10所示。在圖7中，占空比或傳號(hào)/空號(hào)之比對(duì)所產(chǎn)生的波形而言是完全可變的，借助微調(diào)電位器R2，其變化范圍為27∶1至1∶27。另外，在每個(gè)工作周期內(nèi)，C1交替充放電，充電是經(jīng)電阻R1、二極管D1和R2的左側(cè)，而放電則通過(guò)電阻R1、二極管D2和R2的右側(cè)。只是隨著傳號(hào)/空號(hào)比率的改變，工作頻率略有改變。
　　圖8所示的電路可以產(chǎn)生正交方波，此振蕩器在引腳5和8上的二個(gè)方波輸出有90°的相位差。在此電路中，輸入引腳3通過(guò)接地。如果在引腳3上加有2.8V以上的偏置電壓，則引腳8上的方波有180°相移。
　　圖9和圖10所示為定時(shí)電阻值最大可為500KΩ左右的振蕩器的電路。這樣，定時(shí)電容C1之值即可按比例減小。在這二個(gè)電路中，在567的引腳6和R1、C1的節(jié)點(diǎn)間接有一個(gè)緩沖級(jí)。
　　在圖9中，這個(gè)緩沖級(jí)是一級(jí)晶體管射極跟隨器。踞遺憾的是，這一級(jí)的引入使波形的對(duì)稱性略差。相對(duì)應(yīng)的是，圖10所示電路以一級(jí)運(yùn)算放大器跟隨器作為緩沖級(jí)。這樣就不影響波形的對(duì)稱性。
567的五個(gè)輸出
　　567的五個(gè)輸出端子。其中二個(gè)（引腳5和6）提供振蕩器的輸出波形，而第三個(gè)輸出端子引腳8，則如前所述為567的主要輸出口。其余的二個(gè)輸出端為此解碼器的引腳1和2。
　　引腳2與鎖相環(huán)的相位檢波器輸出端相接，在內(nèi)部被靜態(tài)偏置到3.8V。當(dāng)567接收到帶內(nèi)輸入信號(hào)時(shí)，此偏置電壓隨之改變，且在典型的0.95至1.05倍振蕩器自由振蕩頻率范圍內(nèi)，偏置電壓的變化與輸入信號(hào)頻率呈線性關(guān)系。其斜率為每頻偏百分之一有20mV（即20mV/ f0）。

　　圖11所示為當(dāng)567作為音調(diào)開(kāi)關(guān)時(shí)，引腳2輸出和引腳8輸出之間的時(shí)間關(guān)系。圖中所示為在兩種帶寬（14%和7%）下的時(shí)間關(guān)系。
　　引腳1給出567正交相位檢波的輸出。當(dāng)音調(diào)鎖定時(shí)，在引腳1上的平均電壓是此電路帶內(nèi)輸入信號(hào)幅度的函數(shù)，如圖12的傳輸函數(shù)所示。當(dāng)引腳1上的平均電壓被下拉到3.8V門(mén)限值之下時(shí)，集電極在引腳8上的內(nèi)部輸出晶體管就導(dǎo)通。
　　帶寬的確定
　　當(dāng)567被用作音調(diào)開(kāi)關(guān)時(shí)，其帶寬（中心頻率的百分?jǐn)?shù)）的最大值約為14%。此值與25至250mV均方根值的帶內(nèi)信號(hào)電壓成正比。但是，當(dāng)信號(hào)電壓由200變至300mV時(shí)，則不影響帶寬。同時(shí)，帶寬反比于中心頻率f0和電容器C2的乘積。實(shí)際帶寬為：
　　BW＝1070
　　BW的單位為中心頻率的百分?jǐn)?shù)（%），而且，Vi≤200mVRMS。式中Vi的單位為V-RMS，C2的單位為uF。
　　通過(guò)試探和誤差處理來(lái)選擇C2，一開(kāi)始可選擇C2的值為C1的2倍。隨后可增加C2的值以減小帶寬，也可減小C2的值以增加帶寬。
　　檢測(cè)帶寬的對(duì)稱性
　　所謂檢測(cè)整容的對(duì)稱性就是測(cè)量此帶寬與中心頻率的對(duì)稱程度。對(duì)稱性的定義如下：
　　（fmax＋fmin－2f0）/2f
　　這時(shí)fmax和fmin是相應(yīng)于所檢測(cè)頻帶二邊沿的頻率。
　　如果一個(gè)音調(diào)開(kāi)關(guān)的中心頻率為100KHz，而帶寬為10KHz，頻帶的邊沿頻率對(duì)稱于95KHz和105KHz，這樣，其對(duì)稱性為0%。但是，如果其頻帶相當(dāng)不對(duì)稱，邊沿頻率為100KHz和110KHz，其對(duì)稱值增加到5%。
　　如果需要，可以用微調(diào)電位器R2和47KΩ的電阻R4在567的引腳2上加一外偏微調(diào)電壓，以使對(duì)稱值減至0，如圖13所示。將電位器的中間滑動(dòng)觸點(diǎn)向上移則中心頻率降低，向下移則中心頻率升高。硅二極管D1和D2用作溫度補(bǔ)償。
　　音調(diào)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
　　以圖3所示的典型電路為基礎(chǔ)，很容易設(shè)計(jì)出實(shí)用的音調(diào)開(kāi)關(guān)。頻率控制元件電阻R1和電容C1各值的選定可利用圖6的諾模圖。電容C2容量的選擇可以上述討論為基礎(chǔ)，由實(shí)驗(yàn)確定。一開(kāi)始可用其容量為C1的兩倍的電容，然后，若有需要可調(diào)整其值，以給出所要求的信號(hào)帶寬。如果對(duì)于頻帶的對(duì)稱性要求嚴(yán)格，可如圖13所示，加一對(duì)稱性調(diào)整級(jí)。

最后，使C3之值為C2的2倍。并檢查此電路的響應(yīng)。如果C3太小，引腳8上的輸出可能會(huì)在開(kāi)關(guān)期間因過(guò)渡歷程而發(fā)生脈沖。如C3選擇適當(dāng)，則整個(gè)電路設(shè)計(jì)完畢。
　　多路轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)
　　可以從一個(gè)音頻輸入饋入任意多個(gè)567音調(diào)開(kāi)關(guān)，以構(gòu)成任何所希望規(guī)模的多音調(diào)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。圖14和圖15是二種實(shí)用的兩級(jí)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

　　在圖14中的電路有雙音解碼器的作用。在二個(gè)輸入輸入信號(hào)中有任一個(gè)出現(xiàn)時(shí)，都可激勵(lì)出一個(gè)信號(hào)輸出。圖中，二個(gè)音調(diào)開(kāi)關(guān)是由是一個(gè)信號(hào)源激勵(lì)的，而其輸出則由一個(gè)CD4001B型CMOS門(mén)集成塊來(lái)進(jìn)行或非處理。圖15所示為二個(gè)567音調(diào)開(kāi)關(guān)并行聯(lián)接，其作用有中一個(gè)相對(duì)帶寬為24%的單個(gè)音調(diào)開(kāi)關(guān)。在此電路中，IC1音調(diào)開(kāi)關(guān)的工作頻率設(shè)計(jì)成比IC2音調(diào)開(kāi)關(guān)的工作頻率高1.12倍。因此，它們的轉(zhuǎn)接頻帶是疊合的。