тон генератор. Схеми на прости нискочестотни осцилатори Как да си направим тонален кристален осцилатор

02.07.2023

Едно от основните изисквания към едностраничните усилватели на сигнала е линейността на техните амплитудни характеристики. Усилвател с лоша линейност обикновено е източник на смущения за други радиолюбители, а понякога и за телевизионни зрители. За откриване на нелинейни изкривявания в усилватели на SSB сигнали, двуцветен тестов метод.
Ако два нискочестотни сигнала с различна честота, но еднаква амплитуда се приложат към входа на предавател с една странична лента, тогава сигналът на изхода на усилвателя на мощността ще се промени според синусоидалния закон от нула до максималната стойност ( Фиг. 1).

Периодът на промяна се определя от честотната разлика на входа на предавателя. По формата на обвивката на изходния сигнал, по неговите отклонения от синусоидалния закон, може да се прецени линейността на амплитудната характеристика на устройството.
Формата и нивото на сигнала се контролират от осцилоскоп. Тъй като амплитудата на изходното напрежение на изследвания усилвател обикновено е десетки волта, сигналът може да се приложи директно към отклоняващите плочи на осцилоскоп (включително нискочестотен). Източникът на двутонален сигнал може да бъде генератор, чиято верига е показана в фиг.2.

Фиг.2

Състои се от два двойни T-мостови осцилатора с обратна връзка и емитерно повторение. Генераторът, монтиран на транзистора V1, генерира честота от 1550 Hz. и на V2 - 2150 Hz. Чрез разделителните резистори R1 и R5 генераторните сигнали се подават към емитерния повторител (транзистор V3). При използване на елементи с номинални стойности, посочени на диаграмата, "общото" изходно напрежение (и двата генератора на устройството са включени) е около 0,1 V. Изходното съпротивление е около 300 ома.
Настройката започва с точната настройка на честотата на генераторите. За да направите това, чрез захранване на всеки от тях на свой ред се избират елементи на Т-мостове. Трябва да се има предвид, че за да се поддържа добър синусоидален изходен сигнал, съпротивлението на резисторите R2 (R6) и R4 (R7) трябва да бъде приблизително 10 пъти по-голямо от съпротивлението на резистора R3 (R8), а капацитетът на кондензатори C1 (C6) и C4 (C8) - два пъти по-малко от капацитета на кондензатора C3 (C7). След настройка на честотите на генератора с настроен резистор R5, амплитудите на сигнала се изравняват. Тъй като резисторът R5 до известна степен също влияе върху нивото на сигнала на осцилатора на транзистора V1, тази операция се извършва по метода на последователните приближения.
Генераторът е сглобен върху печатна платка от фолио от фибростъкло с дебелина 2 mm и размери 55x65 mm ( ориз. 3).

Фиг.3

Използва кондензатори KM-5, резистори OMLT-0.125 (R5 - SPZ-1A), транзистори KT315 с произволен буквен индекс. Устройството може да използва всякакви нискочестотни или високочестотни транзистори от n-p-n или p-n-p структура. Естествено, в устройство, базирано на транзистори с p-n-p структура, полярността на източника на захранване трябва да бъде различна. Както се вижда от фиг. 2, устройството има отделни изходи за свързване на захранването на генератори. Това позволява, ако е необходимо, да се приложи еднотонален тестов сигнал към предавателя с честота съответно 1550 и 2150 Hz. В този случай, за да превключите захранващите вериги на генератора на устройството, е необходимо да поставите превключвателя в две посоки и четири позиции ("Изключено", "1550 Hz", "2150 Hz", "Двутонален сигнал" "). Можете също така да използвате превключвател с една посока, като "развържете" точките на превключване на генераторите с два диода (от всякакъв тип). За да зададете нивото на изходния сигнал на изхода на устройството, е необходимо да включите променлив резистор със съпротивление от 5 ... 15 kOhm.
При настройка на предавателя с помощта на генератор, еквивалентът на антената е свързан към усилвателя на мощността, сигналът от който се подава към осцилоскопа. Нивото на сигнала от двутоналния генератор е настроено на същото като максималното ниво на сигнала, генерирано от микрофона, с който се използва предавателят. Включвайки предавателя, изберете честотата на сканиране на осцилоскопа, така че да се получи стабилно изображение на формата на вълната на екрана. След това предавателният път се регулира, като се постига минимално изкривяване на обвивката на RF сигнала.
описано двутонален генераторподходящ за настройка на трансивър

Радио 1987, бр.5

Многогласовите EMP с един тон генератор вече се доказаха като надеждни и практични устройства. Техните възможности обаче често не се реализират напълно поради особеностите на използваните в тях генератори. По правило тонгенераторът се изгражда на базата на високостабилен кварцов резонатор или RC вериги. В този случай електронното управление на честотата е или изключено, или изключително трудно.

Устройството, описано по-долу, е тон генератор с контролирано напрежение. Контролният сигнал се взема от различни драйвери и EMP контроли. Това могат да бъдат честотни вибрато генератори, генератори на обвивка (за автоматична промяна на настройката), глисандо регулатори (тунинг слип) с ръчно или крачно (педално) управление.

Характеристиките на генератора включват висока работна честота. Използването на цифрова микросхема направи възможно реализирането на сравнително прост и евтин VCO с работна честота до 7,5 ... 8 MHz (фиг. 1). За повечето цифрови генератори на тонове с еднаква темперирана музикална скала, обикновено състояща се от 12 идентични броячи с различни коефициенти на преобразуване на интервали, е необходима тактова (водеща) честота в диапазона от 1 ... 4 MHz. Следователно характеристиките на генератора трябва да бъдат такива, че да осигуряват необходимата линейност в рамките на тези честотни граници.

Принципът на работа на генератора се основава на формирането на импулси, регулирани по продължителност от два еднакви формовчици с управление на напрежението, затворени в пръстен. Така затихването на импулса на изхода на един формовчик предизвиква появата на фронта на следващия импулс на изхода на друг и т. н. Работата на устройството е илюстрирана от времедиаграмите, показани на фиг. 2. До момента t 0 управляващото напрежение е нула. Това означава, че в точки A и B е установен сигнал с ниво на логическа 0, тъй като изходящият входен ток на елементите DD1.1 и DD1.2 (той не надвишава приблизително 1,6 mA) е затворен към общ проводник през резистори R1 и R2 и малко съпротивление на източника на изходно контролно напрежение. Изходът на инверторите DD1.1 и DD1.2 в този момент е ниво 1, така че RS-тригерът на елементите DD1.3 и DD1.4 ще бъде зададен произволно в едно от стабилните състояния. Приемете за категоричност, че директният (горният по схемата) изход е със сигнал 1, а обратният е със сигнал 0.

Когато в момента t 0 на управляващия вход се появи определено положително напрежение, през резисторите R1 и R2 ще тече ток. В този случай в точка А напрежението ще остане близо до нула, тъй като токът през резистора R1 протича към общия проводник през ниското съпротивление на диода VD1 и изходната верига на елемента DD1.4. В точка B напрежението ще се повиши, тъй като диодът VD2 е затворен от високо ниво от изхода на елемент DD1.3. Токът през резистора R2 ще зареди кондензатора C2 до 1,1 ... 1,4 V за време, което зависи от неговия капацитет, съпротивлението на резистора R2 и стойността на управляващото напрежение. С увеличаване на U ynp скоростта на зареждане на кондензатора се увеличава и той се зарежда до същото ниво за по-малко време.

Веднага след като напрежението в точка B достигне прага на превключване на елемента DD1.2, неговият изход ще бъде настроен на ниво 0, което ще превключи RS тригера. Сега директният изход ще има ниво 0, а обратният ще има ниво 1. Това ще доведе до бързо разреждане на кондензатора C2 и намаляване на напрежението, а кондензаторът C1 ще започне да се зарежда. В резултат на това тригерът ще се превключи отново и целият цикъл ще се повтори.

Увеличаването на управляващото напрежение (период от време t 1 ... t 2, фиг. 2) води до увеличаване на тока на зареждане на кондензаторите и намаляване на периода на трептене. Така се управлява честотата на трептене на генератора. Полученият входен ток на TTL елементите се добавя към тока на източника на управляващо напрежение, което ви позволява да разширите границите на управляващия сигнал, тъй като с високо съпротивление на резистори R1 и R2, генерирането може да се поддържа дори при U ynp =0. Този ток обаче се характеризира с температурна нестабилност, което влияе върху стабилността на честотата на генериране. До известна степен е възможно да се повиши температурната стабилност на генератора чрез използване на кондензатори C1 и C2 с положителен TKE, което ще компенсира увеличаването на неконтролирания изходящ входен ток на елементите DD1.1 и DD1.2, когато температурни промени.

Периодът на трептене зависи не само от съпротивлението на резисторите R1 и R2 и капацитета на кондензаторите C1 и C2, но и от много други фактори, така че точната оценка на периода е трудна. Ако пренебрегнем времезакъсненията на сигналите в елементите DD1.1-DD1.4 и вземем стойността на тяхното логическо напрежение 0, както и праговото напрежение на диодите VD1 и VD2 равно на нула, тогава работата на генератор може да се опише с израза: T 0 =2t 0 =2RC*ln( (I e R + U контрол) / (I e R + U контрол -U sp)), получен въз основа на решаването на диференциалното уравнение:

dUc / dt \u003d I e / C + (U контрол -Uc) / (RC),

където R и C са номиналните стойности на синхронизиращите вериги; Uc - напрежение на кондензатор C; Usp - максимална (прагова) стойност на напрежението Uc; U ynp - управляващо напрежение; I e - средната стойност на входния изходящ ток на TTL елемента; t 0 - продължителност на импулса; T 0 - период на трептене. Изчисленията показват, че първата от тези формули се съгласува много точно с експерименталните данни при Uynp>=Usp, докато средните стойности са избрани: I e =1,4 mA; Usp = 1,2 V. Освен това, въз основа на анализа на същото диференциално уравнение, можем да заключим, че

(I e R + U контрол) / (I e R + U контрол -Usp)> 0,

т.е., ако I e R/(I e R-Usp)>0, тогава устройството работи, когато Uynp≥0; Това заключение се потвърждава от експерименталната проверка на устройството. Независимо от това, най-голямата стабилност и точност на работата на VCO може да бъде постигната с Ucontrol ≥ Usp = 1.2..1.4 V, т.е. в честотния диапазон от 0.7...4 MHz.

Практическа схема на тон генератор за полифонични EMR или EMC е показана на фиг. 3. Граници на работната честота (при U управление ≥ 0,55...8 V) - 0,3...4,8 MHz. Нелинейността на контролната характеристика (при честота в рамките на 0,3 ... 4 MHz) не надвишава 5%.

На вход 1 се подава сигнал от генератор на обвивка за автоматично управление на приплъзването на звуковата честота. С лека дълбочина на модулация (5 ... 30% от тона) се постига имитация на нюансите на звука на бас китара, както и на други скубащи и ударни инструменти, при които височината на интонацията на звуците в момента на тяхното извличане леко се отклоняват от нормата (обикновено рязко се увеличава по време на атаката на звука и след това бързо намалява до нормалната си стойност).

Вход 2 се захранва с постоянно управляващо напрежение от ръчен или педален глисандо контролер. Този вход служи само за регулиране или промяна (транспониране) на ключа в рамките на две октави, както и за плъзгане по височината на акорди или тонални звуци, които имитират, например, тембъра на кларинет, тромбон или глас.

Вход 3 се захранва от генератор на вибрато със синусоидален, триъгълен или зъбен сигнал. Променливият резистор R4 регулира нивото на вибрато в рамките на 0 ... + -0,5 тона, както и нивото на отклонение на честотата до + -1 октава или повече, когато ключът SA1 е затворен. С висока честота на модулация (5 ... 11) Hz) и дълбочина от + -0,5 ... 1,5 октави, тоналните звуци губят своите музикални качества и придобиват характер на шумов сигнал, наподобяващ тъп рев или шумолене на лопатки на вентилатора . С ниска честота (0,1...1 Hz) и същата дълбочина се постига много цветен и изразителен ефект, подобен на "плаващия" звук на укулеле.

Сигналът от изхода на тонгенератора трябва да се подаде на входа на цифровия формирател на равнотемперираните музикални гамични сигнали.

На операционния усилвател DA1 е монтиран активен суматор на управляващи сигнали. Сигналът от изхода на суматора се подава към входа на VCO, който се прави на логическите елементи DD1.1-DD1.4. В допълнение към VCO, устройството съдържа примерен кварцов осцилатор, сглобен върху елементите DD2.1, DD2.2, както и верига от два октавни делителя на честотата на тригерите на микросхемата DD3. тактова се от този генератор. Генераторът и тригерите формират три примерни сигнала с честота 500 kHz, 1 и 2 MHz. Тези три сигнала и сигналът от изхода на VCO се подават към входа на електронни ключове, монтирани върху елементи с отворен колектор DD4.1-DD4.4.

Тези ключове, управлявани от ключове SA2-SA5, имат общ товар - резистор R13. Изходните вериги на елементите образуват устройство с функция логическо ИЛИ. Когато един от превключвателите предаде часовниковия си сигнал към изхода, останалите се затварят ниско от превключвателите. От изхода на елемента DD2.4 се премахва високо ниво за подаване към R-входовете на D-тригерите DD3.1 и DD3.2 и към контактите на ключовете SA2-SA5.

Кварцовият осцилатор с честотни делители играе спомагателна роля и служи главно за оперативна настройка на VCO или "води" инструмента в режим "Орган", докато превключвателите SA3, SA4, SA5 ("4", "8", "16" " ) правят възможно изместването на EMR системата от най-ниския регистър съответно с една и две октави нагоре, като, разбира се, не може да има настройка или промяна на височината на звуците.

Недостатъците на генератора включват относително ниска температурна стабилност, която в този случай не е от голямо значение, и значителна нелинейност на управляващата характеристика на VCO в краищата на диапазона, особено в по-ниските честоти на работния обхват на генератора.

На фиг. 4 е показана експериментално снетата зависимост на честотата на генериране от управляващото напрежение: 1 - за генератора по схемата на фиг. 1, 2 - фиг. 3.

Устройството е сглобено на печатна платка от фолио от фибростъкло с дебелина 1,5 mm.

Чиповете от серията K155 могат да бъдат заменени с подобни от серията K130 и K133; K553UD1A - на K553UD1V, K553UD2, K153UD1A, K153UD1V, K153UD2. Вместо D9B можете да използвате диоди от тази серия с произволен буквен индекс, както и D2V, D18, D311, GD511A. Кондензаторите C4 и C5 са по-добре да избират с положителен TKE, например. KT-P210. KPM-P120, KPM-P33, KS-P33, KM-P33, K10-17-P33, K21U-2-P210, K21U-3-P33. Кондензатори C7, C10, C11 - K50-6.

Особено внимание трябва да се обърне на внимателното екраниране на устройството. Изходните проводници трябва да бъдат усукани в шнур със стъпка 10..30 mm.

Правилно монтиран тон генератор не се нуждае от настройка и започва да работи веднага след свързване на захранването. Управляващото напрежение на входа на VCO не трябва да надвишава 8 ... 8,2 V. Честотната стабилност на генератора се влияе отрицателно от промени в захранващото напрежение от 5 V, така че трябва да се захранва от източник с висок коефициент на стабилизиране.

И. БАСКОВ, с. Полоска, Калининска обл

ЛИТЕРАТУРА

В. Беспалов. Честотен делител за полифонични EMR. – Радио, 1980, бр.9.
Л. А. Кузнецов. Основи на теорията, проектирането, производството и ремонта на електромагнитното излъчване. - М.: Лека и хранително-вкусова промишленост. 1981 г.

Фигура 1 показва диаграма на прост генератор, предназначен главно за тестване на нискочестотно оборудване и определяне на неизправности в него.

Генераторът има една фиксирана честота от 1000Hz, чиято стойност се задава от резистора R1. Нивото на изходния сигнал се определя от позицията на плъзгащия резистор R13. Веригата има система за поддържане на изходния сигнал на определено ниво, състояща се от елементи VT1, VD2, R10, R11, C6. Нивото на работа на системата за автоматично поддържане на изходното напрежение се настройва с помощта на резистор R11. Хармоничният коефициент на този генератор е относително голям, така че може да се използва за измерване на нелинейните изкривявания на нискочестотно оборудване. Следователно, на изхода на този генератор трябва да инсталирате нискочестотен филтър - LPF. Такъв филтър. В комплект с нискочестотен филтър, този генератор има много чист тонален сигнал с ниво на коефициент на нелинейно изкривяване в хилядни от процента. Генераторът трябва да се захранва от стабилизиран източник на постоянен ток с напрежение 5 ... 12V. Схемата и чертежа на печатната платка можете да изтеглите тук.

Нискочестотните генератори (LFG) се използват за получаване на незатихващи периодични колебания на електрически ток в честотния диапазон от части от Hz до десетки kHz. Такива генератори, като правило, са усилватели, обхванати от положителна обратна връзка (фиг. 11.7,11.8) чрез вериги за изместване на фазата. За осъществяване на тази връзка и за възбуждане на генератора са необходими следните условия: сигналът от изхода на усилвателя трябва да бъде подаден към входа с фазово изместване от 360 градуса (или кратно на него, т.е. 0, 720 , 1080 и т.н. градуса), а самият усилвател трябва да има известна граница на усилване, KycMIN. Тъй като условието за оптимално фазово изместване за възникване на генерация може да бъде изпълнено само при една честота, именно при тази честота се възбужда усилвателят с положителна обратна връзка.

За изместване на сигнала във фаза се използват RC и LC вериги, освен това самият усилвател въвежда фазово изместване в сигнала. За получаване на положителна обратна връзка в генераторите (фиг. 11.1, 11.7, 11.9) е използван двоен Т-образен RC мост; в генератори (фиг. 11.2, 11.8, 11.10) - Виенски мост; в генератори (фиг. 11.3 - 11.6, 11.11 - 11.15) - RC вериги с фазово изместване. В генераторите с RC вериги броят на връзките може да бъде доста голям. На практика, за опростяване на схемата, броят им не надвишава две или три.

Формулите за изчисление и съотношенията за определяне на основните характеристики на RC-генераторите на синусоидални сигнали са дадени в таблица 11.1. За по-лесно изчисление и опростяване на избора на части са използвани елементи с еднакви оценки. За да се изчисли честотата на генериране (в Hz), стойностите на съпротивлението, изразени в ома, се заместват във формулите, а капацитетът - във фарадите. Например, нека определим честотата на генериране на RC осцилатор, като използваме верига с RC положителна обратна връзка с три връзки (фиг. 11.5). При R \u003d 8,2 kOhm; C \u003d 5100 pF (5.1x1SG9 F) работната честота на генератора ще бъде равна на 9326 Hz.

Таблица 11.1

За да може съотношението на резистивно-капацитивните елементи на генераторите да съответства на изчислените стойности, е много желателно входните и изходните вериги на усилвателя, обхванати от положителната обратна връзка, да не шунтират тези елементи и да не влияят на техните стойност. В тази връзка, за изграждане на генераторни вериги е препоръчително да се използват усилвателни стъпала с високо входно и ниско изходно съпротивление.

На фиг. 11.7, 11.9 показва "теоретични" и прости практически схеми на генератори, използващи двоен Т-мост във верига с положителна обратна връзка.

Виенските мостови генератори са показани на фиг. 11.8, 11.10 [R 1/88-34]. Като ULF е използван двустепенен усилвател. Амплитудата на изходния сигнал може да се регулира с потенциометър R6. Ако искате да създадете генератор с виенски мост, регулируем по честота, последователно с резистори R1, R2 (фиг. 11.2, 11.8), включете двоен потенциометър. Честотата на такъв генератор може да се контролира и чрез замяна на кондензаторите C1 и C2 (фиг. 11.2, 11.8) с двоен променлив кондензатор. Тъй като максималният капацитет на такъв кондензатор рядко надвишава 500 pF, е възможно да се настрои честотата на генериране само в областта на достатъчно високи честоти (десетки, стотици kHz). Стабилността на честотата на генериране в този диапазон е ниска.

На практика, за да се промени честотата на генериране на такива устройства, често се използват превключвани комплекти кондензатори или резистори, а във входните вериги се използват транзистори с полеви ефекти. Във всички горепосочени схеми няма елементи за стабилизиране на изходното напрежение (за простота), въпреки че за генератори, работещи на същата честота или в тесен диапазон на нейната настройка, тяхното използване не е необходимо.

Генератор на синусоидални сигнални вериги, използващи тризвездни RC вериги с фазово изместване (фиг. 11.3)

показано на фиг. 11.11, 11.12. Генераторът (фиг. 11.11) работи на честота 400 Hz [R 4/80-43]. Всеки от елементите на тризвената RC верига с фазово изместване въвежда фазово изместване от 60 градуса, с четири връзки - 45 градуса. Едностъпален усилвател (фиг. 11.12), направен по схемата с общ емитер, въвежда фазово изместване от 180 градуса, необходимо за генериране. Имайте предвид, че генераторът според схемата на фиг. 11.12 работи при използване на транзистор с високо съотношение на пренос на ток (обикновено над 45 ... 60). При значително намаляване на захранващото напрежение и неоптимален избор на елементи за настройка на режима на транзистора за постоянен ток, генерирането ще се провали.

Генераторите на звук (фиг. 11.13 - 11.15) са подобни по конструкция на генераторите с фазово изместващи RC вериги [Рl 10/96-27]. Въпреки това, поради използването на индуктивност (телефонна капсула TK-67 или TM-2V) вместо един от резистивните елементи на веригата за изместване на фазата, те работят с по-малък брой елементи и в по-голям диапазон на промени в захранващото напрежение .

И така, звуковият генератор (фиг. 11.13) работи, когато захранващото напрежение се промени в рамките на 1 ... 15 V (консумация на ток 2 ... 60 mA). В този случай честотата на генериране се променя от 1 kHz (upit = 1,5 V) до 1,3 kHz при 15 V.

Звуков индикатор с външно управление (фиг. 11.14) работи и при 1) захранване=1...15 V; генераторът се включва / изключва чрез прилагане на логически нива на едно / нула към неговия вход, което също трябва да бъде в рамките на 1 ... 15 V.

Звуковият генератор може да бъде направен и по друга схема (фиг. 11.15). Честотата на неговото генериране варира от 740 Hz (ток на консумация 1,2 mA, захранващо напрежение 1,5 V) до 3,3 kHz (6,2 mA и 15 V). Честотата на генериране е по-стабилна, когато захранващото напрежение се променя в рамките на 3 ... 11 V - това е 1,7 kHz ± 1%. Всъщност този генератор вече не се прави на RC, а на LC елементи, освен това намотката на телефонна капсула се използва като индуктивност.

Нискочестотният генератор на синусоидални трептения (фиг. 11.16) се сглобява съгласно схемата "капацитивна три точки", характерна за LC генераторите. Разликата се състои в това, че намотката на телефонната капсула се използва като индуктивност, а резонансната честота е в диапазона на звуковите вибрации поради избора на капацитивни елементи на веригата.

Друг нискочестотен LC-осцилатор, направен по каскодната схема, е показан на фиг. 11.17 [R 1/88-51]. Като индуктивност можете да използвате универсални или изтриващи глави от магнетофони, намотки на дросели или трансформатори.

RC генераторът (фиг. 11.18) е реализиран на полеви транзистори [Рl 10/96-27]. Подобна схема обикновено се използва при конструирането на високостабилни LC осцилатори. Генерирането вече възниква при захранващо напрежение над 1 V. Когато напрежението се промени от 2 до 10 6, честотата на генериране намалява от 1,1 kHz до 660 Hz, а консумацията на ток се увеличава съответно от 4 до 11 mA. Импулси с честота от единици Hz до 70 kHz и по-високи могат да бъдат получени чрез промяна на капацитета на кондензатора C1 (от 150 pF до 10 μF) и съпротивлението на резистора R2.

Генераторите на звук, представени по-горе, могат да се използват като индикатори за икономично състояние (включване/изключване) на компоненти и блокове на радиоелектронно оборудване, по-специално светодиоди, за подмяна или дублиране на светлинна индикация, за аварийна и алармена индикация и др.

Литература: Шустов М.А. Практическа схема (книга 1), 2003 г

Тоналното набиране (Dual-tone multi-frequency signaling, DTMF) е разработено от Bell Labs през 50-те години на миналия век за революционен телефон с бутони по това време. За представяне и предаване на цифрови данни в тонален режим се използва двойка честоти (тонове) от честотния диапазон на речта. Системата дефинира две групи от по четири честоти, като информацията се кодира чрез едновременно предаване на две честоти – по една от всяка група. Това дава общо шестнадесет комбинации за представяне на шестнадесет различни числа, символи и букви. Понастоящем DTMF кодирането се използва в широк набор от комуникационни и контролни приложения, както се потвърждава например от Препоръка Q.23 на Международния съюз по телекомуникации (ITU).

Тази статия описва схема за генератор на DTMF тонове, която възпроизвежда всичките осем честоти и генерира получения двутонален изходен сигнал. Въпросната система е изградена около чип Silego GreenPAK™ SLG46620V и операционни усилватели Silego SLG88104V. Изходният сигнал е сумата от двете честоти, определени от реда и колоната на клавиатурата на телефона.

Предложената схема използва четири входа за избор на генерираната честотна комбинация. Веригата също има вход за разрешаване, който задейства генерирането и определя продължителността на предаването на сигнала. Изходната честота на генератора отговаря на ITU стандарта за DTMF.

DTMF тонове

Стандартът DTMF дефинира кодирането на цифрите 0-9, буквите A, B, C и D и знаците * и # като комбинация от две честоти. Тези честоти са разделени на две групи: високочестотна група и нискочестотна група. Таблица 1 показва честотите, групите и съответните символни представяния.

Маса 1. DTMF тонално кодиране

	Група високи честоти
Нискочестотна група

Честотите са избрани по такъв начин, че да се избегнат множество хармоници. Освен това тяхната сума или разлика не дава различна DTMF честота. По този начин се избягват хармонични или модулационни изкривявания.

Стандартът Q.23 уточнява, че грешката на всяка предавана честота трябва да бъде в рамките на ± 1,8% от номиналната стойност, а общото изкривяване (поради хармоници или модулация) трябва да бъде 20 dB под основните честоти.

Полученият сигнал, описан по-горе, може да бъде описан като:

s(t) = Acos(2πfhight) + Acos(2πflowt),

където fhigh и flow са съответните честоти от групите с висока и ниска честота.

Фигура 1 показва получения сигнал за цифрата "1". Фигура 2 показва честотния спектър, съответстващ на този сигнал.

Ориз. 1. DTMF тон

Ориз. 2. Спектър на DTMF тонален сигнал

Продължителността на DTMF сигналите може да варира в зависимост от конкретното приложение, което използва тонално кодиране. За най-често срещаните приложения стойностите на продължителността обикновено са между ръчно и автоматично набиране. Таблица 2 показва кратко описание на типичните времеви продължителности за двата типа набор.

Таблица 2. Продължителност на сигналите за тонално набиране

Тип набор	Група високи честоти	Група високи честоти
Тип набор
Ръчен комплект
Автоматично набиране

За по-голяма гъвкавост DTMF генераторът, предоставен в това ръководство, е снабден с активиращ вход, който се използва за стартиране на генерирането на сигнал и определяне на неговата продължителност. В този случай продължителността на сигнала е равна на продължителността на импулса на входа за разрешаване.

Аналоговата част на веригата на DTMF генератора

ITU Препоръка Q.23 дефинира DTMF сигналите като аналогови сигнали, генерирани от две синусоиди. В предложената схема на DTMF генератор чипът Silego GreenPAK SLG46620V генерира правоъгълни сигнали на желаните DTMF честоти. За получаване на синусоидални сигнали с необходимата честота и формиране на получения сигнал (сумата от две синусоидални вълни) са необходими аналогови филтри и комбинатор. Поради тази причина в този проект беше решено да се използват филтри и комбинатор на базата на операционни усилватели SLG88104V.

Фигура 3 показва структурата на предложената аналогова част на устройството.

Ориз. 3. Схема за аналогова обработка за получаване на DTMF сигнал

Аналоговите филтри се използват за получаване на синусоидални сигнали от правоъгълни импулси. След филтриране двата сигнала се сумират и се генерира желаният изходен двутонален DTMF сигнал.

Фигура 4 показва резултата от преобразуването на Фурие, използвано за получаване на спектъра на правоъгълен сигнал.

Ориз. 4. Спектър на правоъгълен сигнал

Както можете да видите, квадратната вълна съдържа само нечетни хармоници. Ако представим такъв сигнал с амплитуда A като серия на Фурие, тогава той ще изглежда така:

Анализът на този израз ни позволява да заключим, че ако аналоговите филтри имат достатъчно затихване за хармоници, тогава е напълно възможно да се получат синусоидални сигнали с честота, равна на честотата на оригиналния правоъгълен сигнал.

Като се вземе предвид допустимото отклонение на нивото на смущения, определено в стандарта Q.23, е необходимо да се гарантира, че всички хармоници са отслабени с 20 dB или повече. В допълнение, всяка честота от нискочестотната група трябва да се комбинира с всяка честота от високочестотната група. Предвид тези изисквания бяха разработени два филтъра, по един за всяка група.

И двата филтъра бяха нискочестотни филтри на Butterworth. Затихването на филтър на Butterworth от порядък n може да се изчисли като:

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

където fc е граничната честота на филтъра, n е редът на филтъра.

Разликата в затихването между най-ниската и най-високата честота на всяка група може да бъде не повече от 3 dB, така че:

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

Дадени абсолютни стойности:

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

В допълнение, както казахме по-рано, хармоничното затихване трябва да бъде 20 dB или повече. В този случай най-лошият случай ще бъде случаят с най-ниската честота в групата, тъй като неговият 3-ти хармоник е най-ниската честота и е най-близо до честотата на срязване на филтъра. Като се има предвид, че 3-ти хармоник е 3 пъти по-малък от основния, филтърът трябва да отговаря на условието (абсолютни стойности):

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

Ако тези уравнения се отнасят и за двете групи, тогава използваните филтри трябва да са филтри от втори ред. Това означава, че те ще имат два резистора и два кондензатора, ако бъдат изпълнени с операционни усилватели. С филтри от трети ред чувствителността към допустимите отклонения на компонентите би била по-ниска. Избраните гранични честоти на филтъра са 977 Hz за ниската лента и 1695 Hz за високата лента. С тези стойности, разликите в нивата на сигнала в групи от честоти са в съответствие с горните изисквания и чувствителността към промени в граничната честота, дължаща се на допустимите отклонения на компонентите, е минимална.

Схематичните диаграми на филтрите, реализирани с помощта на SLG88104V, са показани на фигура 5. Номиналните стойности на първата R-C двойка са избрани по такъв начин, че да ограничат изходния ток на чипа SLG46620V. Вторият филтърен елемент определя усилването, което е 0,2. Амплитудата на правоъгълната вълна задава работната точка на операционния усилвател на 2,5 V. Нежеланите напрежения се блокират от кондензаторите на изходния филтър.

Ориз. 5. Принципни схеми на изходни филтри

На изхода филтърните сигнали се сумират, а резултантният сигнал е сумата от хармониците, избрани от групата ниски и високи честоти. За да се компенсира затихването на филтъра, амплитудата на изходния сигнал може да се регулира с помощта на два резистора R9 и R10. Фигура 6 показва схемата на суматора. Фигура 7 показва цялата аналогова част на веригата.

Ориз. 6. Принципна схема на суматора

Ориз. 7. Аналогова част на схемата

Цифрова част от схемата на DTMF тон генератор

Цифровата част на веригата на генератора на DTMF тонове включва цял набор от генератори на квадратни вълни - по един за всяка DTMF честота. Тъй като за създаването на тези генератори са необходими осем брояча, за тяхното внедряване е избран чипът GreenPAK SLG46620V. На изходите на цифровата схема се формират два правоъгълни сигнала, по един за всяка група честоти.

Квадратните вълни се генерират от броячи и D-тригери и имат работен цикъл от 50%. Поради тази причина честотата на превключване на брояча е два пъти по-висока от необходимата DTMF честота и DFF тригерът разделя изходния сигнал на две.

Източникът на часовник за броячите е вграденият 2 MHz RC осцилатор, чиято честота е допълнително разделена на 4 или 12. Делителят се избира, като се вземе предвид битовата дълбочина и максималната стойност на всеки брояч, необходима за получаване на специфичен честота.

Необходими са по-малко проби за генериране на високи честоти, така че за тяхното формиране се използват 8-битови броячи, тактовани от вътрешен RC генератор, чийто сигнал е разделен на 4. По същата причина по-ниските честоти се реализират с помощта на 14-битови броячи.

Чипът SLG46620V има само три стандартни 14-битови брояча, така че една от по-ниските честоти е реализирана с помощта на 8-битов CNT8 брояч. За да може броят на пробите да се побере в диапазона от 0 ... 255, за часовника на този CNT8, беше необходимо да се използва сигналът на RC генератора, разделен на 12. За тази верига честотата с най-голям брой избрана е най-ниската честота. Това направи възможно минимизирането на грешката.

Таблица 3 показва параметрите на всяка квадратна вълна.

Таблица 3 Параметри на генераторите на квадратни вълни

	Часовник	Честотна грешка [%]
Нискочестотна група



Група високи честоти

Както се вижда от таблицата, всички честоти имат грешка под 1,8%, така че отговарят на стандарта DTMF. Тези проектни характеристики, базирани на идеалната стойност на честотата на RC осцилатора, могат да бъдат коригирани, за да се вземе предвид измерването на изходната честота на RC осцилатора.

Въпреки че в предложената схема всички генератори работят паралелно, сигналът само на един генератор от всяка група ще бъде подаден към изхода на микросхемата. Изборът на конкретни сигнали се определя от потребителя. Това използва четири GPIO входа (два бита за всяка група) с таблицата на истината, показана в таблица 4.

Таблица 4 Таблица за избор на честота от нискочестотната група


Нискочестотна група

Таблица 5 Таблица за избор на честота от високочестотната група


Група високи честоти

Фигура 8 показва логическата диаграма на 852 Hz генератор на квадратни вълни. Този модел се повтаря за всяка честота с подходящи настройки на брояча и LUT конфигурация.

Ориз. 8. Генератор на правоъгълни импулси

Броячът генерира изходна честота, определена от неговите настройки. Тази честота е равна на удвоената честота на съответния DTMF тон. Конфигурационните параметри на измервателния уред са показани на фигура 9.

Ориз. 9. Пример за настройка на брояча на генератора на правоъгълни импулси

Изходът на брояча е свързан към тактовия вход на тригера D-Flip Flop. Тъй като DFF изходът е конфигуриран като обърнат, ако свържете DFF изхода към неговия вход, D-тригерът ще се преобразува в T-тригер. Опциите за конфигурация на DFF могат да се видят на фигура 10.

Ориз. 10. Пример за настройка на тригер на генератор на правоъгълни импулси

Сигналът от изхода на DFF се подава към входа на таблицата на истината LUT. Таблиците на LUT истината се използват за избор на един сигнал за всяка специфична комбинация от R1-R0. Примерна LUT конфигурация е показана на Фигура 11. В този пример, ако R1 получи "1" и R0 получи "0", входният сигнал се изпраща към изхода. В други случаи изходът е "0".

Ориз. 11. Пример за настройка на истинската таблица на генератор на правоъгълни импулси

Както бе споменато по-горе, предложената схема има вход за разрешаване. Ако на входа за разрешаване има логическа единица "1", тогава генерираните правоъгълни сигнали се подават към двойка изходи на микросхема. Продължителността на предаване е равна на продължителността на импулса на входа за разрешаване. За да се приложи тази функция, бяха необходими още няколко блока с таблица на истината LUT.

За високата лента се използват един 4-битов LUT и един 2-битов LUT, както е показано на фигура 12.

Ориз. 12. Изходна верига на групата на високите честоти

4-битовият LUT1 е конфигуриран като ИЛИ порта, така че извежда логическа единица "1", ако някой от неговите входове има "1". Таблиците на истината C1/C0 позволяват да бъде избран само един от генераторите, така че 4-битовият LUT1 определя кой сигнал се извежда. Изходът на този LUT е свързан към 2-битов LUT4, който предава сигнал само ако активираният вход е логическа "1". Фигури 13 и 14 показват 4-битовите LUT1 и 2-битовите LUT4 конфигурации.

Ориз. 13. 4-битова LUT1 конфигурация

Ориз. 14. 2-битова LUT4 конфигурация

Тъй като 4-битовите LUT вече не бяха налични, бяха използвани две 3-битови LUT за нискочестотна група.

Ориз. 15. Изходна верига за бас група

Пълната вътрешна верига на GreenPAK SLG46620V е показана на Фигура 16. Фигура 17 показва крайната електрическа схема на DTMF генератора.

Ориз. 16. Блокова схема на DTMF тон генератора

Ориз. 17. Принципна схема на DTMF тон генератора

Тестване на веригата на DTMF генератора

На първия етап от тестването на предложения DTMF генератор беше решено да се проверят честотите на всички генерирани правоъгълни сигнали с помощта на осцилоскоп. Като пример, фигури 18 и 19 показват изходни сигнали с квадратна вълна за 852 Hz и 1477 Hz.

Ориз. 18. 852Hz квадратна вълна

Ориз. 19. 1477Hz квадратна вълна

След като бяха проверени честотите на всички правоъгълни сигнали, започна тестването на аналоговата част на веригата. Изследвани са изходните сигнали за всички комбинации от групата ниски и високи честоти. Като пример Фигура 20 показва сумата от 770 Hz и 1209 Hz сигнали, а Фигура 21 показва сумата от 941 Hz и 1633 Hz сигнали.

Ориз. 20. DTMF тон 770Hz и 1209Hz

Ориз. 21. DTMF тон 941Hz и 1633Hz

Заключение

В тази статия беше предложена схема за DTMF тон генератор, базирана на чипа Silego GreenPAK SLG46620V и операционните усилватели Silego SLG88104V. Генераторът дава възможност на потребителя да избира желани честотни комбинации чрез четири входа и да контролира входа за разрешаване, който определя колко дълго ще генерират изходите.

Характеристики на чипа SLG46620V:

Тип: програмируем смесен сигнал IC;
Аналогови блокове: 8-bit ADC, два DAC, шест компаратора, два филтъра, ION, четири интегрирани осцилатора;
Цифрови блокове: до 18 входно-изходни порта, матрица на свързване и комбинаторна логика, програмируеми схеми за закъснение, програмируем функционален генератор, шест 8-битови брояча, три 14-битови брояча, три PWM генератора/компаратора;
Комуникационен интерфейс: SPI;
Диапазон на захранващото напрежение: 1.8…5 V;
Работен температурен диапазон: -40…85 °C;
Версия на кутия: 2 x 3 x 0,55 mm 20-пинов STQFN.