LM567及NE567原理及應(yīng)用
音頻解碼器567功能概述
本文討論鎖相環(huán)電路,介紹NE567單片音頻解碼器集成電路。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 音頻解碼器可以解碼各種頻率的音調(diào)。例如檢測電話的按鍵音等。此音頻解碼器還可以用在BB機(jī)、頻率監(jiān)視器和控制器、精密振蕩器和遙測解碼器中。
本文主要討論P(yáng)hilip的NE567音頻解碼器/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) 音頻解碼器,有其它若干個(gè)多國半導(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音頻解碼器。
567的基本工作狀況有如一個(gè)低壓電源開關(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),開關(guān)就接通。換句話說567可做精密的音調(diào)控制開關(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)控制開關(guān)時(shí),所檢測的中心頻率可以設(shè)定于0.1至500KHz內(nèi)的任何值,檢測帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任何值。而且,輸出開關(guān)延遲可以通過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)開關(guān)時(shí)的基本接線圖。輸入音調(diào)信號(hào)通過電容器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。
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,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。
在圖9中,這個(gè)緩沖級是一級晶體管射極跟隨器。踞遺憾的是,這一級的引入使波形的對稱性略差。相對應(yīng)的是,圖10所示電路以一級運(yùn)算放大器跟隨器作為緩沖級。這樣就不影響波形的對稱性。
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。
通過試探和誤差處理來選擇C2,一開始可選擇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。
檢測帶寬的對稱性
所謂檢測整容的對稱性就是測量此帶寬與中心頻率的對稱程度。對稱性的定義如下:
(fmax+fmin-2f0)/2f
這時(shí)fmax和fmin是相應(yīng)于所檢測頻帶二邊沿的頻率。
如果一個(gè)音調(diào)開關(guān)的中心頻率為100KHz,而帶寬為10KHz,頻帶的邊沿頻率對稱于95KHz和105KHz,這樣,其對稱性為0%。但是,如果其頻帶相當(dāng)不對稱,邊沿頻率為100KHz和110KHz,其對稱值增加到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。
以圖13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。如果對于頻帶的對稱性要求嚴(yán)格,可如圖13所示,加一對稱性調(diào)整級。
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)在開關(guān)期間因過渡歷程而發(fā)生脈沖。如C3選擇適當(dāng),則整個(gè)電路設(shè)計(jì)完畢。
可以從一個(gè)音頻輸入饋入任意多個(gè)567音調(diào)開關(guān),以構(gòu)成任何所希望規(guī)模的多音調(diào)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。圖14和圖15是二種實(shí)用的兩級開關(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門集成塊來進(jìn)行或非處理。圖15所示為二個(gè)567音調(diào)開關(guān)并行聯(lián)接,其作用有中一個(gè)相對帶寬為24%的單個(gè)音調(diào)開關(guān)。在此電路中,IC1音調(diào)開關(guān)的工作頻率設(shè)計(jì)成比IC2音調(diào)開關(guān)的工作頻率高1.12倍。因此,它們的轉(zhuǎn)接頻帶是疊合的。
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