lm567及ne567音频解码器原理及应用详解.docx
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lm567及ne567音频解码器原理及应用详解
LM567及NE567音频解码器原理及应用详解
音频解码器567功能概述 本文讨论锁相环电路，介绍NE567单片音频解码器集成电路。
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。
此音频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。
此音频解码器还可以用在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音频解码器/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已定为工业标准音频解码器，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·gDevice提供三种AD567，EXar公司提供5种XR567，而NationalSevniconductor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音频解码器。
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，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。
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（放大倍数
近似为1）。
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。
以图13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。
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。
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