В предлагаемой статье рассказывается о применении DTMF-приемника КТ3170 в качестве узкополосного детектора однотонального синусоидального сигнала в диапазоне звуковых частот до 5 кГц. Устройство обладает высокими характеристиками.
В радиолюбительской, а также профессиональной практике нередко приходится решать задачи узкополосной фильтрации низкочастотных сигналов с их последующим детектированием и цифровой обработкой для определения принадлежности сигнала к определенной частоте или группе частот. Примером этому могут служить приемники DTMF сигналов, широко используемых в телефонии (набор номера в тональном режиме) и в радиосвязи (персональный радиовызов).
Обычно для идентификации синусоидальных сигналов в телефонии, телемеханике применяют аналоговые фильтры (активные или пассивные), настраиваемые на нужные частоты. Выделенный сигнал детектируется, подается на компаратор, с которого уже снимается логический сигнал наличия или отсутствия тона заданной частоты. Подобные детекторы достаточно громоздки и не всегда удовлетворяют требованиям стабильности по частоте при изменении температуры и напряжения питания.
С появлением технологии изготовления фильтров на переключаемых конденсаторах (switched capacitor technology SCT) задача достижения высоких стабильных характеристик фильтров значительно упрощается. Многие зарубежные фирмы производят различные типы фильтров, выполненных по этой технологии. Например, фирма MAXIM выпускает широкую номенклатуру интегральных активных полосовых и режекторных фильтров, фильтров низких и высоких частот с характеристиками Чебышева. Баттерворта, Бесселя, Гаусса разных порядков (от 2 до 9), у которых можно программировать центральную частоту/частоту среза от десятых долей герца до 100...200 кГц и добротность от 0,5 до 64 с помощью перемычек или под управлением микропроцессора.
Такая универсальность, разумеется, не может не сказываться на цене этих изделий. Стоимость их у отечественных дилеров достаточно высока, приобрести их не всегда просто, да и применение в качестве детектора однотональных сигналов требует, как отмечалось выше, детектирования и дальнейшей цифровой обработки.
В этом случае интересным кажется применение хорошо зарекомендовавшего себя в телефонии и радиосистемах приемника DTMF сигналов КТ3170 фирмы SAMSUNG (аналог MV8870 фирмы GEC PLESSEY SEMICONDUCTOR). Отечественным аналогом KT3170 является мик росхема КР1008ВЖ18 производства минского НПО "Интеграл".
Этот приемник позволяет декодировать 16 стандартных тональных пар в 4-битовый код. Выполненный по КМОП технологии с использованием полосовых фильтров на переключаемых конденсаторах он обладает следующими характеристиками:
- узкой полосой пропускания (1,5 % от центральной частоты);
- широким динамическим диапазоном входного сигнала (от 77 мВ до 2.45 В);
- высоким входным сопротивлением по аналоговым входам IN+/IN -- 10 МОм (типовое значение на частоте 1 кГц);
- низкой потребляемой мощностью - 15 мВт;
- высокой стабильностью частотных параметров в широком температурном диапазоне (от -40°С до +85°С).
Однако этот приемник декодирует только пары стандартных DTMF-частот из верхней и нижней частотных групп, определяемых частотой задающего генератора (стандартное значение - 3,58 МГц). и не реагирует на однотональные сигналы.
Принцип декодирования одночастотного сигнала показан на структурной схеме (рис. 1).
Поскольку DTMF-приемник декодирует только пары частот, надо на его входе к исследуемому однотональному сигналу частотой Fc добавить образцовый частотой F0, дополняющей его до стандартной пары. Следовательно, на вход DTMF-приемника будет подан уже двутональный сигнал, который декодируется обычным образом.
В качестве генератора образцового сигнала удобно использовать DTMF-гeнератор ТР5088 (ТР5089), имеющий режим генерации однотонального сигнала. Так как синхронизация DTMF-приемника и генератора осуществляется от одного внутреннего кварцевого генератора, стандартные пары образуются автоматически.
Рассмотрим принципиальную схему устройства на примере детектора факс-сигнала (рис. 2).
Детектор должен срабатывать на присутствие в линии связи сигнала частотой 1100±15 Гц длительностью 0,5 с, который передается вызывающим факсимильным аппаратом при установлении соединения для факсимильной передачи данных.
DTMF-приемник DD2 включен по типовой схеме. Операционный усилитель, встроенный в микросхему приемника, включен как суммирующий с коэффициентом передачи, равным 1. Входное сопротивление для исследуемого сигнала определяется сопротивлением резистора R2 и составляет 100 кОм. Тактовая частота стабилизируется кварцевым резонатором ZQ1. Тактовые импульсы поступают и на приемник DD2 и на генератор DD1.
Времязадающая цепь C5R5. подключенная к выводу ESO, служит для защиты от возможных помех, в том числе и речевых, обеспечивая временную фильтрацию сигнала. С ее помощью осуществляется проверка длительности принятого сигнала. Сигналы длительностью меньше заданной игнорируются. Также производится проверка на наличие допустимой межсимвольной паузы. Иными словами, микросхема не будет принимать DTMF сигналы короче допустимой длительности и не станет учитывать пропадание сигнала короче допустимой паузы. При указанных на схеме номиналах это время составляет 80... 100 мс.
Микросхема ТР5088 фирмы National Semiconductor представляет собой генератор DTMF сигналов, работающий под управлением микроконтроллера. На его входы DO - D3 (выводы 9 - 12) подают двоичный эквивалент цифр, знаков или букв (табл. 1).
Когда на входе ТЕ (вывод 2) низкий уровень, микросхема DD1 находится в режиме микропотребления и на выходе TOUT (вывод 14) сигнал отсутствует. При изменении уровня на входе ТЕ с низкого на высокий данные на входах D0-D3 запоминаются в регистре микросхемы, запускается внутренний генератор (если он имеет собственную времязадающую цепь). При этом сигнал выбранной тональной пары из стандартных DTMF-частот появляется на выходе TOUT и присутствует до тех пор, пока на входе ТЕ опять не появится низкий уровень. Выход TOUT - с открытым эмиттером. Временные диаграммы работы генератора и параметры сигналов показаны на рис. 3.
Конденсатор С1, установленный на входе ТЕ, совместно с внутренним резистором микросхемы образуют цепь запуска генератора при подаче напряжения питания. Его устанавливают, если используют тон-декодер автономно (без микро-ЭВМ).
Вход STE (вывод 3) управляет генерацией одного или пары тонов. Когда он подключен к плюсовому выводу источника питания или вообще никуда не подключен, генерируется пара тонов. В нашем случае этот вход соединен с общим проводом для генерации одно-тонального сигнала. Сигнал на входе GS (вывод 4) определяет генерацию одно-тонального сигнала из верхней или нижней частотной группы (табл. 1). При низком уровне на этом входе генерируется сигнал с частотой из нижней группы, при высоком (или отключенном входе) - из верхней.
Теперь приведем методику расчета частоты задающего генератора, определяющего частоту генерации однотонального сигнала и, как следствие, частоту настройки тон-декодера. Для этого определим коэффициенты деления тактовой частоты соответственно для каждой тональной частоты стандартного DTMF сигнала по эмпирическим формулам: k=Fн/Fг или k = Fв/Fн где Fн - частота из нижней группы в герцах. Fв - частота из верхней группы в герцах. Fг - частота задающего генератора в мегагерцах. Расчет коэффициентов производят для стандартных DTMF-частот, т. е. при частоте задающего генератора 3,579545 МГц (3,58 МГц). Результаты расчета - в табл. 2.
Далее для искомой частоты тон-декодера 1100 Гц определяем расчетную частоту задающего генератора Fr для каждого к по формулам, приведенным выше, и выбираем кварцевый резонатор на частоту, максимально близкую к рассчитанной (табл. 2. столбец 4). В данном случае это - частота распространенного резонатора 4.608 МГц. Исходя из этого вычисляем частоты по той же формуле (табл. 2, столбец 5).
Как видно из табл. 2, исходная частота тон-декодера 1100 Гц (расчетная 1097 Гц) соответствует частоте Ft0 из нижней группы. Если теперь в качестве вспомогательной частоты выбрать любую из верхней группы, например, FB1=1557 Гц. и воспользоваться таблицей истинности DTMF-приемника и генератора (см. табл. 1), можно определить двоичный код. который необходимо подать на вход DTMF-генератора для получения сигнала частотой 1557 Гц, и код, считываемый с выходов DTMF-приемника. соответствующий входному сигналу частотой 1100 Гц.
Генератор будет вырабатывать сигнал частотой 1557 Гц при подаче на его входы двоичного кода, соответствующего всем символам, тональные частоты которых имеют частоту Fв1 а именно: "1", "4". "7", При этом, разумеется, на вход GS микросхемы DDI должен быть подан высокий логический уровень. На схеме (см. рис. 2) показана подача кода соответствующего цифре" 1". Код на выходе DTMF-приемника будет соответствовать цифре "7" (тональные частоты Fи3 и Fи1).
Вполне очевидно, что одним приемником можно определять до четырех однотональных сигналов. В нашем примере это сигналы с частотами 899, 991, 1097 (наш факс-сигнал) и 1212 Гц. Идентификация этих четырех сигналов осуществляется по коду, считанному с выходов DD2 при наличии стробирующего сигнала на выходе DSO (вывод 15). который появляется каждый раз, когда приемник детектирует одну из указанных частот. Если же достоверно известно, что в канале может присутствовать только одна частота, в качестве выхода тон-декодера допустимо использовать просто выход DSO.
Здесь надо заметить, что алгоритм цифровой обработки сигналов предусматривает защиту от приема случайно совпадающих сигналов, в частности речевых, а также при наличии более двух сигнальных частот. Эту особенность следует учитывать.
Для автономных устройств, т. е. не работающих под управлением микроконтроллера или ЭВМ. в качестве генератора можно также использовать микросхему ТР5089. имеющую входы для подключения матричной клавиатуры 4x4. Замыкая соответствующие выводы столбцов и строк между собой или на общий провод, добиваются генерации однотонального сигнала необходимой частоты.
Варианты построения декодирующих узлов показаны на рис. 4.
Поскольку данные на выходе приемника DD2 заносятся в регистр-защелку и сохраняются в нем после действия сигнала DSO, дешифраторы необходимо стробировать сигналом DSO.
Максимальная частота задающего генератора, на которой стабильно работают указанные микросхемы, составляет 9-10 МГц. Следовательно, максимальная частота, детектируемая приемником, лежит в пределах 4100 ..4560 Гц.
Автор: О.Потапенко, г.Ростов-на-Дону