NE567音调解码器原理及应用

NE567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。

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。