Як зробити тональний кварцовий генератор. Тональний генератор для емі

Тональний набір (Dual-tone multi-frequency signaling, DTMF) був розроблений компанією Bell Labs у 50-х роках минулого століття для революційного на той час кнопкового телефону. Для представлення та передачі цифрових даних у тоновому режимі використовують пару частот (тонів) мовного частотного діапазону. У системі визначено дві групи з чотирьох частот, та інформація кодується одночасною передачею двох частот - по одній із кожної групи. Це дає загалом шістнадцять комбінацій для представлення шістнадцяти різних чисел, символів та літер. В даний час DTMF-кодування використовується в широкому спектрі додатків в галузі зв'язку та управління, що, наприклад, підтверджується рекомендацією Q.23 Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ).

У даній статті описується схема тонового DTMF-генератора, що відтворює всі вісім частот і формує результуючий двотоновий вихідний сигнал. Розглянута система була побудована на базі мікросхеми Silego GreenPAK SLG46620V і операційних підсилювачів Silego SLG88104V. Результуючий сигнал, що видається, являє собою суму двох частот, що визначаються рядком і стовпцем телефонної клавіатури.

Пропонована схема використовує чотири входи для вибору формованої комбінації частот. Схема також має вхід роздільної здатності, який запускає генерацію та визначає тривалість часу передачі сигналу. Частота вихідного сигналу генератора відповідає вимогам стандарту МСЕ для DTMF.

Тонові DTMF-сигнали

DTMF-стандарт визначає кодування цифр 0-9, літер A, B, C і D та символів * та # у вигляді комбінації двох частот. Ці частоти поділені на дві групи: група високих частот та група низьких частот. У таблиці 1 показані частоти, групи та відповідні уявлення символів.

Таблиця 1. Кодування сигналів в тоновому режимі DTMF

	Група верхніх частот
Група нижніх частот

Частоти були обрані в такий спосіб, щоб уникнути кратних гармонік. Крім того, їх сума чи різницю не дають іншої DTMF-частоти. Таким чином, вдається уникнути гармонік чи модуляційних спотворень.

У стандарті Q.23 вказується, що похибка кожної частоти, що передається, повинна знаходитися в діапазоні ± 1,8% від номінального значення, а сумарні спотворення (в результаті гармонік або модуляції) повинні бути на 20 дБ нижче основних частот.

Описаний вище результуючий сигнал може бути описаний як:

s(t) = Acos(2πfhight)+ Acos(2πflowt),

де fhigh та flow є відповідними частотами з груп високих та низьких частот.

На малюнку 1 показаний результуючий сигнал цифри «1». На малюнку 2 показаний частотний спектр, що відповідає даному сигналу.

Рис. 1. Тональний DTMF-сигнал

Рис. 2. Спектр тонального сигналу DTMF

Тривалість DTMF-сигналів може бути різною і залежить від конкретної програми, де використовується тональне кодування. Для найбільш поширених додатків значення тривалостей, як правило, лежать між ручним і автоматичним набором. У таблиці 2 показано короткий опис типової тривалості часу двох типів набору.

Таблиця 2. Тривалість сигналів при тоновому наборі

Тип набору	Група верхніх частот		Група верхніх частот
Ручний набір
Автоматичний набір

Для отримання більшої гнучкості DTMF-генератор, пропонований у цьому посібнику, має вход дозволу, який використовується для старту генерації сигналу і визначає його тривалість. При цьому тривалість сигналу дорівнює тривалості імпульсу на вході роздільної здатності.

Аналогова частина схеми DTMF-генератора

Рекомендація МСЕ Q.23 визначає DTMF-сигнали як аналогові сигнали, створені двома синусоїдальними хвилями. У пропонованій схемі DTMF-генератора мікросхема Silego GreenPAK SLG46620V генерує сигнали прямокутної форми з бажаними частотами DTMF. Щоб отримати синусоїдальні сигнали необхідної частоти і сформувати результуючий сигнал (сума двох синусоїдальних хвиль), потрібні аналогові фільтри та суматор. З цієї причини в даному проекті було вирішено використовувати фільтри та суматори на базі операційних підсилювачів SLG88104V.

На малюнку 3 показана структура запропонованої аналогової частини пристрою.

Рис. 3. Схема аналогової обробки для отримання сигналу DTMF

Для отримання синусоїдальних сигналів прямокутних імпульсів використовуються аналогові фільтри. Після виконання фільтрації відбувається підсумовування двох сигналів та формування бажаного вихідного двотонового DTMF-сигналу.

На малюнку 4 представлений результат перетворення Фур'є, що використовується для отримання спектра прямокутного сигналу.

Рис. 4. Спектр сигналу прямокутної форми

Як можна побачити, прямокутний сигнал містить лише непарні гармоніки. Якщо уявити такий сигнал з амплітудою A у вигляді ряду Фур'є, то він матиме такий вигляд:

Аналіз цього виразу дозволяє зробити висновок, що якщо аналогові фільтри мають достатнє загасання для гармонік, то цілком реально отримати синусоїдальні сигнали з частотою, що дорівнює частоті вихідного прямокутного сигналу.

Зважаючи на допуск на рівень перешкод, визначений у стандарті Q.23, необхідно забезпечити, щоб усі гармоніки були ослаблені на 20 дБ або більше. Крім того, будь-яка частота групи нижніх частот повинна поєднуватися з будь-якою частотою групи верхніх частот. Враховуючи ці вимоги, було розроблено два фільтри, по одному для кожної групи.

Як обох фільтрів використовувалися низькочастотні фільтри Баттерворта. Загасання фільтра Баттерворта порядку n можна розрахувати як:

A(f)[дБ] = 10 log(A(f) 2) = 10log(1+(f/fc) 2n),

де fc – частота зрізу фільтра, n – порядок фільтра.

Різниця в загасанні між найнижчою частотою і найвищою частотою кожної групи може бути не більше 3 дБ, тому:

A(fHIGHER)[дБ] - A(fLOWER)[дБ] > 3 дБ.

Враховуючи абсолютні значення:

A(fHIGHER) 2/A(fLOWER) 2 > 2.

Крім того, як ми вже говорили раніше, ослаблення гармонік має становити 20 дБ або більше. При цьому найгіршим буде випадок найнижчої частоти в групі, тому що її 3-я гармоніка є найнижчою і знаходиться найближче до частоти зрізу фільтра. Враховуючи, що 3-я гармоніка в 3 рази менша за фундаментальну, фільтр повинен відповідати умові (абсолютні значення):

A(3fLOWER) 2/A(fLOWER) 2 > 10/3.

Якщо ці рівняння застосовуються до обох груп, використовувані фільтри повинні бути фільтрами другого порядку. Це означає, що вони будуть мати по два резистори та по два конденсатори, якщо їх реалізовувати за допомогою операційних підсилювачів. При використанні фільтрів третього порядку чутливість до допусків компонентів була б нижчою. Вибрані частоти відсікання фільтрів становлять 977 Гц для групи нижніх частот і 1695 Гц для групи верхніх частот. За таких значень відмінності у рівнях сигналів у групах частот узгоджуються з наведеними вище вимогами, а чутливість до змін частоти відсікання через допуски компонентів виявляється мінімальною.

Принципові схеми фільтрів, реалізовані з допомогою SLG88104V, представлені малюнку 5. Номінали першої пари R-C обрані в такий спосіб, щоб обмежити вихідний струм мікросхеми SLG46620V. Друга ланка фільтра визначає коефіцієнт посилення, що становить 0,2. Амплітуда прямокутних сигналів визначає робочу точку операційного підсилювача на рівні 2,5 В. Небажані напруги блокуються конденсаторами вихідних фільтрів.

Рис. 5. Принципові схеми вихідних фільтрів

На виході сигнали фільтрів сумуються, і результуючий сигнал є сумою гармонік, вибраних з групи нижніх і верхніх частот. Для компенсації загасання фільтра амплітуду вихідного сигналу можна підлаштувати за допомогою двох резисторів R9 та R10. На малюнку 6 показано схему суматора. На малюнку 7 представлено всю аналогову частину схеми.

Рис. 6. Принципова схема суматора

Рис. 7. Аналогова частина схеми

Цифрова частина схеми тонального DTMF-генератора

Цифрова частина схеми тонального DTMF-генератора включає цілий набір прямокутних генераторів імпульсів - по одному для кожної частоти DTMF. Так як для створення цих генераторів потрібно вісім лічильників, то для їх реалізації було обрано мікросхему GreenPAK SLG46620V. На виходах цифрової схеми формуються два сигнали прямокутної форми, по одному на кожну групу частот.

Прямокутні сигнали формуються за допомогою лічильників та D-тригерів та мають коефіцієнт заповнення 50%. З цієї причини частота перемикання лічильників у два рази вище за потрібну частоту DTMF, а DFF-тригер ділить вихідний сигнал на два.

Джерелом тактування для лічильників є вбудований RC-генератор 2 МГц, частота якого додатково ділиться на 4 або 12. Дільник вибирається з урахуванням розрядності та максимального значення кожного лічильника, необхідного для отримання конкретної частоти.

Для генерації високих частот потрібна менша кількість відліків, тому для формування використовуються 8-бітні лічильники, тактовані від внутрішнього RC-генератора, сигнал якого поділений на 4. З тієї ж причини нижчі частоти реалізовані за допомогою 14-бітних лічильників.

Мікросхема SLG46620V має лише три стандартні 14-бітні лічильники, тому одна з нижніх частот була реалізована за допомогою 8-розрядного лічильника CNT8. Щоб число відліків вкладалося в діапазоні 0...255, для тактування даного CNT8 довелося використовувати сигнал RC-генератора, поділений на 12. Для цієї схеми була обрана частота з найбільшим числом відліків, тобто найнижча частота. Це дозволило мінімізувати похибку.

У таблиці 3 показано параметри кожного прямокутного сигналу.

Таблиця 3. Параметри генераторів прямокутних імпульсів

		Тактування		Помилка частоти [%]
Група нижніх частот
Група верхніх частот

Як видно з таблиці, всі частоти мають похибку менше ніж 1,8%, тому вони відповідають стандарту DTMF. Ці розрахункові характеристики, що ґрунтуються на ідеальному значенні частоти RC-генератора, можуть бути підлаштовані з урахуванням вимірювання вихідної частоти RC-генератора.

Хоча в пропонованій схемі всі генератори працюють паралельно, але сигнал лише одного генератора з кожної групи надходитиме на вихід мікросхеми. Вибір певних сигналів визначає користувач. Для цього застосовуються чотири входи GPIO (два біти для кожної групи) з таблицею істинності, показаної в таблиці 4.

Таблиця 4. Таблиця вибору частот із групи нижніх частот

Група нижніх частот

Таблиця 5. Таблиця вибору частоти із групи верхніх частот

Група верхніх частот

На малюнку 8 показана логічна схема генератора прямокутних сигналів із частотою 852 Гц. Ця схема повторюється кожної частоти з відповідними налаштуваннями лічильника і конфігурацією LUT.

Рис. 8. Генератор імпульсів прямокутної форми

Лічильник формує вихідну частоту, що визначається його налаштуваннями. Ця частота дорівнює подвоєної частоти відповідного тону DTMF. Параметри конфігурації лічильника показані малюнку 9.

Рис. 9. Приклад налаштування лічильника генератора прямокутних імпульсів

Вихідний сигнал лічильника підключається до тактового входу тригера D-Flip Flop. Так як вихід DFF налаштований як інвертований, то якщо підключити вихід DFF до його входу, то D-тригер перетворюється на T-тригер. Параметри конфігурації DFF можна побачити малюнку 10.

Рис. 10. Приклад налаштування тригера генератора прямокутних імпульсів

Сигнал із виходу DFF надходить на вхід таблиці істинності LUT. Таблиці істинності LUT використовуються для вибору одного сигналу кожного конкретного поєднання R1-R0. Приклад конфігурації LUT представлений малюнку 11. У цьому прикладі, якщо R1 надходить «1», але в R0 подається «0», вхідний сигнал передається вихід. В інших випадках на виході є «0».

Рис. 11. Приклад налаштування таблиці істинності генератора прямокутних імпульсів

Як було зазначено вище, запропонована схема має вхід дозволу Enable. Якщо на вході дозволу Enable присутня логічна одиниця «1», то прямокутні сигнали, що генеруються, подаються на пару виходів мікросхеми. Тривалість передачі дорівнює тривалості імпульсу на вході роздільної здатності. Щоб реалізувати цю функцію, потрібно ще кілька блоків таблиць істинності LUT.

Для групи верхніх частот використовується один 4-розрядний LUT та один 2-бітний LUT, як показано на малюнку 12.

Рис. 12. Схема виходу групи верхніх частот

4-бітний LUT1 налаштований як логічний елемент АБО, тому він видає логічну одиницю «1», якщо на будь-якому з його входів є «1». Таблиці істинності C1/C0 допускають вибір лише одного з генераторів, тому 4-розрядний LUT1 визначає який сигнал надходить на вихід. Вихід цього LUT підключається до 2-бітного LUT4, який передає сигнал лише в тому випадку, якщо на вході дозволу є логічна «1». На рисунках 13 і 14 показані конфігурації 4-бітного LUT1 та 2-бітного LUT4.

Рис. 13. Конфігурація 4-бітного LUT1

Рис. 14. 2-бітна конфігурація LUT4

Оскільки 4-бітних таблиць істинності LUT більше був, групи нижніх частот використовувалися два 3-битных LUT.

Рис. 15. Схема виходу групи нижніх частот

Повна внутрішня схема GreenPAK SLG46620V показана малюнку 16. На малюнку 17 представлена ​​підсумкова принципова схема DTMF-генератора.

Рис. 16. Блок-схема генератора тональних сигналів DTMF

Рис. 17. Принципова схема DTMF-генератора тональних сигналів

Тестування схеми DTMF-генератора

На першому етапі тестування запропонованого DTMF-генератора було вирішено перевірити частоти всіх прямокутних сигналів, що формуються, за допомогою осцилографа. Як приклад на рисунку 18 та 19 показані вихідні сигнали прямокутної форми для частот 852 Гц та 1477 Гц.

Рис. 18. Прямокутний сигнал 852 Гц

Рис. 19. Прямокутний сигнал 1477 Гц

Щойно частоти всіх прямокутних сигналів було перевірено, почалося випробування аналогової частини схеми. Були досліджені вихідні сигнали всім комбінацій із групи нижніх і верхніх частот. Як приклад на рисунку 20 показано суму сигналів 770 Гц і 1209 Гц, а на рисунку 21 показано суму сигналів 941 Гц і 1633 Гц.

Рис. 20. Тональний DTMF-сигнал 770 Гц та 1209 Гц

Рис. 21. Тональний DTMF-сигнал 941 Гц та 1633 Гц

Висновок

У цій статті було запропоновано схему тонового DTMF-генератора, побудованого на базі мікросхеми Silego GreenPAK SLG46620V та операційних підсилювачів Silego SLG88104V. Генератор дає користувачеві можливість вибирати комбінації необхідних частот за допомогою чотирьох входів та керувати входом роздільної здатності, який визначає тривалість генерації вихідних сигналів.

Характеристики мікросхеми SLG46620V:

• Тип: програмована мікросхема змішаних сигналів;
• Аналогові блоки: 8-бітний АЦП, два ЦАП, шість компараторів, два фільтри, ІОН, чотири інтегровані генератори;
• Цифрові блоки: до 18 портів введення/виводу, матриця з'єднань та комбінаторна логіка, програмовані схеми затримки, програмований функціональний генератор, шість 8-бітних лічильників, три 14-бітних лічильники, три ШІМ-генератори/компаратори;
• Комунікаційний інтерфейс: SPI;
• Діапазон напруги живлення: 1,8 ... 5 В;
• Діапазон робочих температур: -40 ... 85 ° C;
• Корпусне виконання: 2 x 3 x 0,55 мм 20-вивідний STQFN.

• 28.07.2018

  На малюнку показана схема простого і дуже зручного у використанні терморегулятора, як датчик використовується DS18B20, а управління регулятором здійснюється за допомогою енкодера ky-040. Інтегральний датчик температури DS18B20 має діапазон вимірювання температури від -55 до + 125 °C, показання температури виводяться на перший рядок індикатора 1602 HD44780, у другому рядку індикатора виводиться показання регулятора.

• 29.09.2014

  Приймач на польових транзисторах приймає радіосигнал у діапазоні СВ та ДВ. Чутливість приймача 1...3мВм СВ і 2...5мВм ДВ. Pвих = 250мВт, Iпотр = 10мА (65мА макс). Радіоприймач може працювати при падінні напруги до 4 В. Приймач складається з 3-х каскадного ВЧ (Т1-Т3), детектора (Д1 Д2) та УНЧ (Т4 Т7). Підвищена чутливість та вихідна потужність досягнута…

• 20.09.2014

  Двічі автору довелося зіткнутися з найпростішою, але дуже неприємною несправністю побутових НВЧ печей: пробоєм захисної слюдяної пластини, що прикриває вихід хвилеводу магнетрона в камеру печі печірки. Ймовірно, у слюдяній пластині були вкраплення металу, які випаровувалися під час роботи магнетрона печі, що призводило до пробою слюди. Місце пробою обвуглювалось, і експлуатація печі ставала …

• 13.10.2014

  Основні технічні хар-ки: Номінальна вихідна потужність при опорі навантаження: 8Ом - 48Вт 4Ом - 60Вт Діапазон відтворюваних частот при нерівномірності АЧХ не більше 0,5 дБ і вихідний потужності 2 Вт - 10 ... 200000 Гц 20000 Гц - 0,05% Номінальна вхідна напруга - 0,8В.

Схеми генераторів переривчастого тонального сигналу, виконані на мікросхемах LM555, кілька різних варіантів для різного застосування.

Принципова схема

Виконати генератор уривчастого тонального сигналу можна за схемою на рис. 1. Він дозволяє керувати початком роботи схеми подачею напруги живлення на вхід DA1/4.

Але в тих випадках, коли для роботи пристрою необхідно використовувати два таймери, зручніше взяти мікросхему, яка вже має їх в одному корпусі.

Рис. 1. Виконаний на двох таймерах генератор уривчастого сигналу.

Варіанти генераторів на здвоєному таймері

Варіанти генераторів, виконаних на здвоєному таймері, показано на рис. 2 і 3. Увімкнення таймера в режимі генератора симетричних імпульсів (рис. 5.4 б) дозволяє скоротити число необхідних елементів. Ці схеми є універсальними - є можливість регулювати частоту звуку та інтервал повторення у широкому діапазоні.

На рис. 3 наведена схема генератора, що виробляє сигнал для роботи дзвінка телефонного виклику з інтервалами 10 с. Для цього використаний низькочастотний підвищує напругу трансформаторі 12 до 70...100 В.

Рис. 2. Схеми генераторів уривчастого тонального сигналу: а - варіант 1,6 - варіант 2.

Рис. 3. Схема генератора уривчастого сигналу для роботи телефонного дзвінка.

Формувач переривчастого звукового сигналу

Найпростіший формувач переривчастого звукового сигналу можна виконати і на одиночному таймері, якщо скористатися будь-яким миготливим світлодіодом. Наприклад, світлодіоди L-36B, L-56B, L-456B та деякі інші вже мають усередині переривник (вони випускаються з різним кольором світіння).

Вмикати світлодіод треба так, як показано на рис. 4. І тут частота чергування пачок повністю залежить від параметрів застосованого світлодіода.

Зазвичай їх період миготіння знаходиться в інтервалі 0,5...1 с. Для пристроїв сигналізації цього цілком достатньо. Частота заповнення пачок (звуковим сигналом) залежить від номіналів елементів C1-R1.

Одна з основних вимог, що висуваються до підсилювачів односмугового сигналу, - лінійність їхньої амплітудної характеристики. Підсилювач із поганою лінійністю зазвичай є джерелом перешкод іншим радіоаматорам, а іноді й телеглядачам. Для виявлення нелінійних спотворень у підсилювачах SSB сигналу застосовують метод випробування двома тонами.
Якщо подати на вхід односмугового передавача два низькочастотні сигнали різних за частотою, але однакових по амплітуді, то сигнал на виході підсилювача потужності буде змінюватися за синусоїдальним законом від нуля до максимального значення ( рис.1).

Період зміни визначається різницею частот на вході передавача. За формою огинаючої вихідного сигналу, за відхиленнями її від синусоїдального закону можна судити про лінійність амплітудної характеристики пристрою.
Форму та рівень сигналу контролюють осцилографом. Оскільки амплітуда вихідної напруги досліджуваного підсилювача зазвичай становить десятки вольт, то сигнал можна подати безпосередньо на відхиляючі пластини осцилографа (у тому числі і низькочастотного). Джерелом двотонального сигналу може бути генератор, схема якого зображена на рис.2.

Рис.2

Він складається з двох генераторів із зворотним зв'язком через подвійні Т-мости та емітерного повторювача. Генератор, зібраний на транзисторі V1 виробляє частоту 1550 Гц. а на V2-2150 Гц. Через розв'язувальні резистори R1 і R5 сигнали генераторів надходять на емітерний повторювач (транзистор V3). При використанні елементів з номіналами, зазначеними на схемі, "сумарна" вихідна напруга (включені обидва генератори пристрою) становить близько 0,1 В. Вихідний опір - близько 300 Ом.
Налагодження починають із точної установки частоти генераторів. Для цього, подаючи по черзі живлення на кожен із них, підбирають елементи Т-мостів. При цьому слід мати на увазі, що для збереження хорошої синусоїдальної форми вихідного сигналу опір резисторів R2 (R6) і R4 (R7) має бути приблизно в 10 разів більший за опір резистора R3 (R8), а ємність конденсаторів С1 (С6) і С4 ( С8) - удвічі менше ємності конденсатора СЗ (С7). Після встановлення частот генераторів підстроєним резистором R5 вирівнюють амплітуди сигналів. Оскільки резистор R5 певною мірою впливає і рівень сигналу генератора на транзисторі V1, цю операцію проводять методом послідовних наближень.
Генератор зібраний на друкованій платі з фольгованого склотекстоліту товщиною 2 мм та розмірами 55x65 мм ( Рис. 3).

Рис.3

У ньому використані конденсатори КМ-5, резистори ОМЛТ-0,125 (R5 – СПЗ-1А), транзистори КТ315 з будь-яким буквеним індексом. У приладі можна використовувати будь-які низькочастотні або високочастотні транзистори структури n-р-n або р-n-р. Звісно, ​​що у приладі на транзисторах структури р-n-р полярність джерела живлення має бути інший. Як видно із рис. 2 прилад має окремі висновки для підключення живлення генераторів. Це дозволяє за необхідності подавати на передавач однотональний випробувальний сигнал частотою відповідно 1550 і 2150 Гц. У цьому випадку для комутації ланцюгів живлення генератора пристрою необхідно встановити перемикач на два напрямки та чотири положення ("Вимкнено", "1550 Гц", "2150 Гц", "Двотональний сигнал"). Можна використовувати і перемикач на один напрямок, "розв'язавши" точки перемикання генераторів двома діодами (будь-якого типу). Для встановлення рівня вихідного сигналу на виході приладу необхідно увімкнути змінний резистор опором 5...15 кОм.
При налаштуванні передавача за допомогою генератора до підсилювача потужності підключають еквівалент антени, сигнал з якого подають на осцилограф. Рівень сигналу з двотонального генератора встановлюють таким самим, як і максимальний рівень сигналу, що розвивається мікрофоном, з яким використовується передавач. Увімкнувши передавач, підбирають частоту розгортки осцилографа так, щоб вийшло стійке зображення осцилограми на екрані. Після цього регулюють передавальний тракт, домагаючись мінімальних спотворень огинаючої сигналу ВЧ.
Описаний двотональний генератордобре підходить для налаштування трансівера