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锁相环频率合成器工作原理

发布时间:2009-07-03 16:52:40  来源:资料室    作者:   更新20220117 070745

三、锁相式双音多频信号(DTMF)解码器
1、实验原理
在自动电话交换网中,有两种呼叫信号:一种是一串串脉冲信号(如前面实验中用的HM9102D产生的信号);另一种是双音多频信号(DTMF)。一台按纽电话机共有12个按纽,分别代表0~9等10数字及“*”、“#”两个符号。每按一个按纽就产生两种音调的信号。不同按纽有不同的音调组合。DTMF信号有两组音调,称高频群(H)和低频群(L),每个按纽各由H和L中的一个频率组成。按纽的频率组合如表2所示。
双音多频按纽电话有很多优点:选号速度比脉冲选号速度快得多;在通话状态时还能发送其他信号(如计算机数据或遥测遥控信号);抗干扰性强,传输特性好等等。

                    图27                         

低频群(Hz)

高频群(Hz)

1209 1336 1477
697 1 2 3
770 4 5 6
852 7 8 9
941 * 0 #

 

 

 

 

                表2

为了产生DTMF信号,现在有很多专用芯片,5087就是其中之一,5087已广泛应用于按键式新型电话机,程控交换机等通信设备和其它电子仪器,是我国优选的通信集成电路品种。其引脚如图27。
引出端功能说明
COL1~ COL4——列输入端。它们通过内部电阻Rc保持于VSS。当与一行输入相接时,该输入将呈有效逻辑电平(近似为VDD/2)
ROW1~ ROW4——行输入端。它们通过内部电阻RR保持于VDD。当与一行输入相接时,该输入将呈有效逻辑电平(近似为VDD/2)
OSC1、OSC0——振荡器输入与输出端,通常于两端间外接3.579545MHz晶体,产生电路时钟信号。
MUTE——静默输出。当无按键输入时,该CMOS输出端为VSS电平,当有一按键输入时,该端呈现VDD电平。其输出状态与INHST无关。
XMTR——发送转换开关。它实际是集电极接于VDD的双极型晶体管之发射极输出,若无按键输入时,该输出保持在VDD电平;若有一按键输入时,该端呈高阻态,其状态于INTST无关。
INHST——单音禁止输入。该端通过内部上拉电阻接于VDD。若INHST悬空或接至VDD,电路可产生单音或DTMF信号,若INTST输入VSS电平,则电路只会产生DTMF信号,而禁止出现单音。
DTM F——DTM F信号输出端。它实际是集电极接于VDD的NPN晶体管之发射极输出。行和列单音经运放相加与稳幅后,加到晶体管的基极,经驱动而输出。
5087的应用电路如图28
当按单键时,产生DTMF信号;当同时按同一列,或同一行的多个键时产生该行或该列所对应的单音信号;当同时按不同行不同列的两键时,不产生信号。

 
                图28                                                                  图29

双音多频(DTMF)信号解码有多种方法,本实验利用具有很高频率选择性的锁相环集成电路来完成的。每当输入端收到某一键所对应的一对频率时,就输出一个表示该键的脉冲。
图29表示解码用的LM567锁相环集成电路的方框图。
R1C1决定振荡器的中心频率;R2C2是环路滤波器,其中C2可在外部调整,改变其通频带。当环路锁定时,鉴相器有一脉冲输出,经放大器放大后由(8)脚输出低电平。当环路失锁时,(8)脚输出高电平。
LM567的中心频率为:f0=
式中: R1C1的单位分别为欧姆和法拉。

环路带宽BW为:BW=
式中,BW是环路捕捉范围相对于中心频率fo的百分率;
Vin是输入信号有效值,应≤200 mVrms,单位伏特;
C2单位为mf;
fo的单位为Hz。
图30为用LM567进行单一频率检测电路。如567的中心频率为fo , 当ui中包含有fo成分时,(8)输出低电平,否则高电平。
DTMF信号解码通常是由两个锁相环路成对运用的,分别调谐于输入的两个频率,如图31所示。当输入信号同时包含两个频率时,输出可或逻辑“1”。图32是一个具有公共输入信号的按纽音调解码器,用以解调6组DTMF信号。电路中用5个锁相环路,分别调谐于不同频率。电路的功能是能检测出输入信号是由五个频率中的哪两个频率组成,并驱动6个或非门产生表示6个数字的输出信号。(如用7个LM567和12个或非门则可解调12个DTMF信号。)



              图30


                              图31

2、实验步骤:

1) 567捕捉带测试:电路如图30。调W,让(5)脚的频率为1000Hz,Vin=100mVrms(用数字电压表测),测出捕捉范围。

2)DTMF信号发生器。电路如图28,一定要注意IC的电源端不要接错。用示波器观察单音信号和双音信号(按双键和单键),并用频率计测7个单音信号频率。

3) DTMF信号的解码(PLL法),电路如图32所示,6路输出对应键盘的1、2、3、4、5、6键。5块567中2块调谐于低频群,3块调谐于高频群。或非门用CD4001,每个或非门的输出端接一个如图33的跟随器。最终应做到按键盘中的某个键时则对应的发光二极管就亮起来


                           图32



        图33

四、PLL 数字调谐实验
现代的接收机(如电视机、收音机)大多采用超外差接收方式。如要接收的信号的载波频率为fC,则接收机要产生一个本振信号,其频率fL=fC+fI,其中fI为中频。在模拟调谐方式中,本振信号一般是由LC振荡回路产生的。调谐(调台)时,一般是用改变LC振荡回路中电容的容量(如改变变容二极管的反向偏压),来改变本振信号的频率,从而达到选台的目的。
在数字调谐方式中,本振信号则是用锁相环的方法来产生。即由晶振电路产生频率高稳定的标准信号,再用锁相环倍频的方法产生本振信号,通过改变锁相环反馈回路分频比的方法来改变本振信号频率,就象前面实验中用一片4046和三片4522以及1KHz标准信号就可获得1~999KHz信号一样。要获得某一准确的本振频率,只要在4522的置数端置入相应的数值(BCD码)即可。所以数字调谐的关键就是解决如何置数的问题。在这个实验中我们是用键盘通过DTMF编解码的方法来置数。最终应做到:如要接收某一载波信号(如fC=345KHz),则只要在键盘上按该载波的数值(即3,4,5三个键),就可得到fL=fC+fI=345+455=800 KHz的本振信号。(这里中频fI为455 KHz)。最后信号发生器输出的载波信号和本振信号(4046的4脚输出的方波)经混频滤波后应得到455 KHz的中频信号(用示波器观察)。
实验的方框图如图34。


 
                                                图34

其中:
键盘和5087(或HM9102D)组成DTMF编码电路。
MT8870是DTMF解码电路。当输入某个DTMF编码信号(即按键盘的某个键)时,8870的数据输出端D01-D04就输出相应的二进码,同时其15脚(CID)输出高电平。即每按一次键,CID就输出一个正脉冲可作为百、十、个位选择电路的CP信号
4017为百、十、个位选择电路,作用是按第一次键时,8870的D01-D04输出的BCD码应锁存到“百”位的锁存器,二、三次则分别为“十”、“个”位。
三片74LS175(或CD40175)分别为“百”、“十”、“个”位锁存器。每片74LS175含有4个D触发器(D1~D4),分别对应BCD码的1,2,4,8位。三片的D1端应都接到MT 8870的D01输出端,D2、D3、D4也类似。4017的“1”、“2”、“3”输出端(即2、4、7脚)的输出信号分别作为三片74LS175的CP信号。这样,当清零(对4017)后,8870再顺序输出三个数字(如:3,4,5),则相应的二进码(0011,0100,0101)就锁存在三片74LS175的输出端。
三片74LS175的输出信号(如:3,4,5)输入到加法器(三片4560)A输入端,和固定中频数值455(由B输入端输入)相加后的和的数值(如:8,0,0)就作为4522的置数信号。即这时锁相环输出的是800KHz的方波,作为本振信号。
混频电路如图35,输入信号Us的幅度为15mV ,本振信号为TTL电平。
根据上述工作原理、方框图以及附录1,自己设计、搭接具体电路。要求当信号发生器输出123KHz的正弦波(即Us)时,如顺序按“1”、“2”、“3”三键,则用示波器可看到455KHz的中频信号UI,而且要求“上电清零”。


                      图35

混频电路(MC1496)调试步骤:
(1)455KHz谐振回路调整
Us开路,电位器W旋到任一极端位置,示波器探头(X10档)测1496(12)脚,UL为200mVp-p的455KHz附近的正弦信号,微调UL的频率,观察LC回路的选频作用,其中心频率应为455KHz。如不是455KHz,则固定UL的频率为455KHz,调线圈的磁芯,使(12)脚输出信号的幅度最大,即可。
(2)平衡电位器的调整
在步骤(1)的基础上,调电位器W,使(12)脚输出信号的幅度为零,即可。
五、用锁相环方法自己设计一个变频电路。要求将600Hz的TTL信号变为600* 5 / 6 = 500Hz的信号。锁相环的LPF 为附录3中的(d)。
1)用一片4046和两片4017组成上述电路;
2)用一片4046和一片4518及若干二极管组成上述电路。

附录1
74LS175(或CD40175)是四重上升沿D触发器(有公共清零端),真值表如下(每个触发器):

输 入

输 出
L X X L
H H H
H L L
H L X QO



CD4060
4560是BCD码加法器,真值表如下:
S=A+B+CI ,CO是进位输出。

输 入 输 出

备 注

A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1 CI CO S4 S3 S2 S1  
0      1 0 0 0
 
0 1 1 1 0
 
1
 
0 0 0 4+3+1=8
7+4=11
9+9+1=19
           

MT8870
MT8870是MITEL公司生产的DTMF接收器,主要用于程控交换机、键控电话系统、无线通信及遥控等领域。
1、电路的基本特性为:
1) 提供DTMF信号分离滤波和译码功能,输出相应16种DTMF频率组合的4位并行二进码。
2) 可外接3.58MHz 晶体,与内含振荡器产生基准频率信号。
3) 具有抑制拨号音和模拟信号输入增益可调能力
4) 二进码为三态输出
5) 提供基准电压(VDD/2)输出
6) 电源:+5V
7) 功耗:15mW
8) 工艺:CMOS
9) 封装:DIP—18PIN
2、引出端符号说明:
IN+、IN- 运放同、反相输入,模拟信号或DTMF信号从此端输入。
FB 运放输出,外接反馈电阻可调节输入放大器的增益。
VREF 基准电压(VDD/2)输出。
IC 内部连接点,应接至VSS。
OSCI 、OSCO 振荡器输入、输出,外接3.58MHz晶体。
EN 为“1”时数据允许输出,
      为“0”时禁止输出。
D01 ~ D04 数据输出。
CID 当一有效单音对被接收时为“1”。
ECO 检测出一可识别的单音时为:“1”。
CI/GTO 控制输入/时间监测输出。
VDD 正电源
DSS 负电源(地)

3、典型应用(DTMF接收器)
如下图




附录2






附录3 LPF编号及元件值

  a b c d
R1 100K 100K 100K 750K
R2 510Ω 1K 5K1 75K
C 4n7 470n 47n 470n





 

 

CD4046锁相环电路-pll锁相环作用-什么是数字锁相环-应用实验
 


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