Elektronika - baza wiedzy

Emulator linii telefonicznej


Jest to projekt budowy linii telefonicznej. Nie, nie chodzi tu o stworzenie niecnej konkurencji tak przez nas wszystkich kochanej TP SA, ale układ mogący być użytecznym elementem wyposażenia naszego laboratorium.


Funkcje emulatora linii telefonicznej:

1. Układ dostarcza do testowanych urządzeń napięcia właściwego dla linii telefonicznych, które najczęściej wynosi ok. 60V

2. Po obciążeniu linii przez odbiornik o rezystancji zbliżonej do typowego aparatu telefonicznego, napięcie na niej spada do ok. 10...15V. Nasz układ zachowuje się jak źródło prądowe, w przybliżeniu podobnie jak linia telefoniczna.

3. Układ może wygenerować i wysłać do "linii telefonicznej" dowolny z 16 kodów DTMF, także te kody, które normalnie nie są stosowane w telekomunikacji.

4. Układ jest w stanie odebrać dowolny kod DTMF i przedstawić go w postaci liczby dziesiętnej z zakresu od 0 do 15.

5. Układ jest w stanie odwrócić polaryzacje napięcia doprowadzonego do badanego urządzenia, co może być użyteczne w przypadku badania zachowania się testowanych urządzeń dołączonych do starszych typów central telefonicznych.

6. Układ umożliwia wysyłanie do testowanych urządzeń sygnałów typowych dla linii telefonicznej sygnału gotowości (ciągły to 440Hz) oraz, po minimalnej rozbudowie sygnału zajętości, oczekiwania na połączenie i impulsów przywołania (dzwonienia).

7. Ponieważ nie wszystko możemy zbadać i przeanalizować na podstawie danych otrzymywanych z przyrządów pomiarowych, nasz symulator linii telefonicznej został wyposażony w podsłuch, umożliwiający słuchowe sprawowanie kontroli nad tym co się dzieje w naszej linii telefonicznej

Układ linii telefonicznej jest stosunkowo skomplikowany, ale koszt potrzebnych d jego budowy elementów jest relatywnie niezbyt wysoki. Relatywnie, ponieważ układ jest polecany przede wszystkim osobom zajmującym się konstruowaniem i serwisem urządzeń współpracujących z liniami telefonicznymi. W ich przypadku ułatwienie sobie pracy i skrócenie czasu potrzebnego do jej wykonania ma priorytetowe znaczenie.

Opis działania układu

Schemat elektryczny głównej części symulatora linii telefonicznej pokazano na rys. 1. Schemat wygląda na dość skomplikowany, ale zaraz podzielimy go na bloki funkcjonalne, które osobno omówimy.

1. Układ źródła prądowego został zrealizowany z wykorzystaniem dwóch tranzystorów pracujących w typowej konfiguracji prostego ogranicznika prądowego. Prąd pobierany z linii możemy regulować za pomocą potencjometru montażowego PR1.

2. Układ analizujący kody DTMF występujące w linii. W najprostszej postaci monitor analizujący kody DTMF mógłby się składać jedynie z dekodera kodu DTMF i czterech diod LED sygnalizujących aktualny stan wyjść dekodera. Jednak takie urządzenie nie byłoby zbyt wygodne w użyciu, szczególnie dla tych, którzy nie mają jeszcze wprawy w tłumaczeniu "w głowie" kodu dwójkowego na postać dziesiętną, współpracujący z popularnym układem typu UM92870.

UM92870 jest scalonym dekoderem kodu DTMF, umożliwiającym przekodowanie sygnałów do postaci liczby czterobitowej. Układ wyposażony jest w przedwzmacniacz o dużej czułości, umożliwiający analizowanie sygnałów o niewielkiej amplitudzie. Po odebraniu ważnej transmisji DTMF, na wyjścia Q1..Q4 układu wysłana zostaje liczba będąca binarnym odpowiednikiem kodu. Stany na wyjściach układu są zapamiętywane (zatrzaskiwane) aż do czasu odebrania kolejnej transmisji. Układ UM92870 jest obecnie dość trudno nabyć, ale na szczęście posiada dwa odpowiedniki, zarówno funkcjonalne, jak i "pinowe". Jednym z nich jest układ MT8870, a drugim układ, coraz lepiej znanej w naszym kraju firmy HOLTEK - HT9170 (tylko w obudowie DIP18).

Odebrany z linii sygnał DTMF jest przekazany na wyjście IN-kodera, a następnie na wyjściach Q1..Q4 ukazuje się liczba binarna określająca numer odebranego sygnału. Moglibyśmy odczytywać tę wartość za pomocą czterech diod LED dołączonych do wyjść układu, ale jak już zostało wspomniane byłoby to rozwiązanie mało eleganckie. Dlatego też został zastosowany w układzie prosty dekoder liczby czterobitowej na postać dziesiętną.

Dekodując dowolne stany wyjściowe układu czterobitowego otrzymamy liczby z zakresu 0 do 15, które musimy wyświetlić na podwójnym wyświetlaczu 7-segmentowym. Dla uproszczenia konstrukcji zakładamy, że pierwszy wyświetlacz w zakresie liczb od 0 do 9 jest wygaszony i dopiero po przekroczeniu stanu 9 zapala się na nim 1. Dekoder BCD/7 segmentów zbudowany z wykorzystaniem układu 4543 (IC5) steruje drugim wyświetlaczem. Elektroniczny przełącznik 4053 - IC6 kieruje na dekoder bądź sygnały z układu IC8 (odpowiadające sygnałom z badanej linii) bądź też specjalnie "spreparowane" sygnały potrzebne do zapalenia na wyświetlaczu cyfr od 0 do 5 przy wyświetlaniu liczb z zakresu 10..15

3. Układ kodera DTMF - dialera. Jak widać, sercem układu dialera jest scalony koder DTMF typu UM91531 produkcji firmy UMC. Nie jest to układ najnowszej generacji, ale do jego zastosowania skłoniła mnie jego niska cena i łatwość nabycia. Pomimo dość sędziwego wieku UM91531 charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami, a ponadto potrzebuje do działania tylko jednego elementu zewnętrznego rezonatora kwarcowego 3,579MHz. Nie sądzę więc, aby układy nowszej generacji mogły w klasie prostych koderów DTMF zaoferować coś więcej.

Aby w pełni wyjaśnić zasadę działania naszego dialera, warto szerzej omówić niektóre funkcje realizowane przez układ UM91531. Kolejność operacji potrzebnych do wygenerowania danego kodu DTMF jest następująca:

a) Układ UM91531 musi zostać przygotowany do pracy przez podanie stanu niskiego na wejście zezwolenia CE. Stan niski na tym wejściu powinien być utrzymywany przez cały czas pracy układu.

b) Na wejściach danych D0..D3 musi zostać ustawiona liczba w kodzie dwójkowym odpowiadająca numerowi kodu DTMF, który mamy zamiar wygenerować.

c) Proces generacji tonu inicjowany jest przez podanie impulsu dodatniego na wejście LATCH. Podczas dodatniego zbocza tego impulsu dane z wejść D0..D3 przepisywane są do wewnętrznych rejestrów układu i od tej chwili stan wejść danych przestaje mieć jakiekolwiek znaczenie. Jest to szczególnie ważne podczas współpracy układu z systemem mikroprocesorowym lub komputerem.

d) Opadające zbocze impulsu na wejściu !CE (IC4) powoduje rozpoczęcie generowania sygnału DTMF. Jednocześnie stan wyjścia informacyjnego ACK zmienia się z wysokiego na niski.

e) Stan niski na wyjściu ACK będzie utrzymywał się przez cały czas potrzebny na wygenerowanie sygnału oraz przez okres przerwy pomiędzy kolejnymi tonami DTMF, łącznie przez 70ms.

f) Po ponownym wystąpieniu na wyjściu ACK stanu wysokiego układ przygotowany jest do wykonania polecenia generacji kolejnego sygnału. Sygnalizacja stanu układu na wyjściu ACK jest wielkim udogodnieniem dla projektantów systemów mikroprocesorowych i urządzeń współpracujących z komputerami.

Warto jeszcze zapoznać się z częstotliwościami generowanymi przez układ tonów oraz ze sposobem ich prezentacji przez wbudowany w układ dekoder. W tab.1 zebrano charakterystyki wszystkich sygnałów stosownych w transmisji DTMF.

Wiemy już wystarczająco dużo na temat układu UM91531 i transmisji DTMF, aby móc powrócić do naszego układu. Jednym problemem, na jaki napotkałem podczas jego projektowania, było wprowadzenie danych z szesnastoprzyciskowej klawiatury. Problem sprowadzał się do zbudowania transkodera 1 z 16 na kod binarny. Ponieważ nie znalazłem pojedynczego układu scalonego, który realizowałby tę funkcję, postanowiłem zastosować w projektowanym układzie dwa transkodery 1 z 10 na kod BCD typu 74HCT(LS)147.

Klawiatura układu skład się z szesnastu klawiszy: piętnaście z nich zwiera odpowiednie wejścia dekoderów IC1 i IC2 do masy zasilania, a szesnasty klawisz pełni nieco odmienną funkcje, która zostanie omówiona dalej. Działanie pierwszych 9 klawiszy, dołączonych do wejść IC1, jest oczywiste: naciśnięcie któregokolwiek z nich powoduje wystąpienie na wyjście tego układu zanegowanego kodu BCD odpowiadającego naciśniętemu klawiszowi. P powtórnym zanegowaniu przez bramki zwarte w strukturze układu IC3 kod BCD zostaje podany na wejścia danych układu IC4. W ten sposób kodowane są tony od "1" do "9".

Rozpatrzmy teraz w jaki sposób będziemy wysyłać tony od "0" do "C". Część klawiatury odpowiedzialna za generacje tej grupy tonów została dołączona do drugiego dekodera - IC2, do wejść od 2 do 7. Zatem przy naciskaniu kolejnych klawiszy tej grupy, na wyjściu dekodera pojawiać się będą kolejno stany pokazane w tab. 2.

Wydaje mi się, że tab. 2 w wyczerpujący sposób wyjaśnia działanie części układu i rola, jaką pełnią diody D1..D3, nie wymaga już komentarza.

Fragment układu z bramkami NAND (IC7A, IC7B) służy do wytwarzania impulsu inicjującego generację tonu DTMF przez układ UM91531. Pojawienie się stanu wysokiego na którymkolwiek z wejść danych tego układ powoduje powstanie krótkiego impulsu ujemnego na wyjściu bramki IC7A, który po zanegowaniu podawany jest na wejście LATCH IC4 powodując rozpoczęcie generacji tonu DTMF natychmiast po naciśnięciu któregokolwiek z pierwszych 15 klawiszy.

Pozostał jeszcze ostatni ton DTMF: ton "D" generowany przy stanie wejść IC4 "0000". Jego generację inicjujemy w najprostszy sposób: przez podanie krótkiego impulsu dodatniego bezpośrednio na wejścia bramki IC7A. Naciśnięcie przycisku "D" nie powoduje zwarcia jakiegokolwiek z wejść dekoderów IC1 lub IC2 do masy, na wszystkich wyjściach tych układów panuje stan wysoki, a ty samym na wejściach IC4 stan niski, co pozwoli nam na wygenerowanie tonu "D".

4. Układ generacji ciągłego tonu gotowości centrali. Charakterystyczny ton 440Hz, który słyszymy po podniesieniu słuchawki, może być niezbędny podczas testowania modemów, które wykrywają jego obecność i traktują jako zezwolenie na rozpoczęcie wybierania numeru telefonu. W naszym układzie ton 440Hz wytwarzany jest dopiero po "podniesieniu słuchawki" czyli po obniżeniu się napięcia w linii do poziomu poniżej 15V i może być zablokowana za pomocą przełącznika S18.

5. Odwracanie biegunowości linii telefonicznej. Ten fragment układu został zrealizowany za pomocą przekaźnika REL1, który odwraca polaryzacje napięcia na testowanym układzie dołączonym do złącza CON3 (do złącza CON4 może być dołączone drugie urządzenie na którym odwrócenie polaryzacji nie jest możliwe)

6. Podsłuch linii telefonicznej. Ta część układu, umożliwiająca słuchanie wszelkich sygnałów akustycznych występujących w linii telefonicznej, została zrealizowana z wykorzystaniem "dyżurnego" wzmacniacza m. cz. małej mocy typu LM386 - IC11. Sygnał akustyczny pobierany jest z linii za pośrednictwem kondensatora C11, a natężenie sygnału akustycznego możemy regulować za pomocą potencjometru montażowego PR3.

7. Zasilanie układu. Ze względu na relatywnie wysokie napięcie występujące w linii telefonicznej zasilanie układu ze wspólnego źródła okazało się dość kłopotliwe w realizacji i postanowiłem wyposażyć naszą "linię telefoniczną" w dwa zasilacze: jeden wysokonapięciowy, dostarczający niestablizowanego napięcia +60VDC, zbudowany na diodach D12 i D13 i drugi, niskonapięciowy, zrealizowany z wykorzystaniem scalonego stabilizatora napięcia 7805 - IC12. W wykonaniu "praktycznym" do złącza CON2 należy dołączyć transformator sieciowy o symetrycznym uzwojeniu wtórnym i napięciu ok. 2x21VAC, a do złącza CON1 transformator o napięciu uzwojenia wtórnego ok. 8..12VAC i odpowiedniej wydajności prądowej.

Dodatkowe funkcje emulatora

Schemat dodatkowych funkcji emulatora pokazano na rys. 2.

1. Sygnał przywołania (dzwonienia). Ciąg impulsów prostokątnych o częstotliwości ok. 20Hz wytwarzany jest przez generator zbudowany na układzie IC1 i doprowadzany do bazy tranzystora T1, który zwiera linię telefoniczną powodując powstawanie w niej impulsów o amplitudzie równej pełnemu napięciu występującemu w linii. Nasuwa się tu jedna uwaga: część central telefonicznych stosuje sygnał przywołania o kształcie sinusoidalnym, a nie prostokątnym. Przeprowadzone próby wykazały jednak, że wszystkie dołączone urządzenia (sekretarki, modemy i telefony) rozpoznawały prawidłowo sygnał prostokątny i traktowały go jako zwykły sygnał przywołania. Generacja sygnału przywołania uruchamiana jest za pomocą przycisku S1.

2. Sygnał oczekiwania i zajętości wybranego numeru. Charakterystyczne tony, które słyszymy podczas oczekiwania na nawiązanie połączenia i w przypadku zajętości wybranego numeru, wytwarzane są przez generator zbudowany z wykorzystaniem kolejnego multiwibratora NE555 - IC2. Generator ten może być kluczowany z dwóch źródeł: z generatora IC3 lub IC4. Wartości elementów pierwszego z generatorów zostały dobrane tak, że po jego uruchomieniu za pomocą przycisku S2 wytwarzany jest sygnał oczekiwania. Generator z IC4 pozwala na wytwarzanie sygnału zajętości wybranego numeru.

Dodatkowy moduł dołącza się do płytki głównej za pomocą złącza CON1, zgodnie z opisem na schemacie.

Montaż i uruchomienie

Na rys. 3 pokazano rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej. Płytka układu głównego została wykonana na laminacie dwustronnym z metalizacją. Montaż części głównej układu wykonujemy w typowy sposób, ale pamiętając, że:

1. wyświetlacze siedmiosegmentowe DP1 i DP2,

2. przyciski mikroswitch S1..S16,

3. przełączniki suwakowe S17 i S18

lutujemy do płytki od strony druku (umownej), tj. od strony lutowania! W przypadku wyświetlaczy siedmiosegmentowych ich w lutowanie po stronie elementów uniemożliwi poprawne funkcjonowanie układu!

Pozostałą część montażu wykonujemy w typowy sposób, rozpoczynając od wlutowania w płytkę rezystorów i podstawek pod układy scalone, a kończąc na nielicznych elemntach o nieco większych gabarytach.

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory
PR1, PR2, PR3: potencjometr montażowy miniaturowy 100kW

RP1, RP2: R-pack SIL 1..10kW

R1: 300W

R2, R3, R4, R6, R7, R18: 100kW

R5: 3,3kW

R8: 300kW

R9: 51kW

R10, R17, R20: 10kW

R11: 22kW

R12: R19, R21: 1kW

R13: 100kW /0,5W

R14: 2,2kW

R15: 200kW

R16: 5,6kW

R22: 30W

Kondensatory
C1, C2, C5, C9, C10, C11, C12, C14, C16: 100nF
C3, C4, C18, C19: 33pF (C3 i C4 stosować tylko z HT9170)

C6: 10nF

C7, C8: 220 uF/40V

C13, C17: 100uF/16V

C15: 1000 uF/16V


Półprzewodniki
BR1: mostek prostowniczy 1A/100V
DP1, DP2: wyświetlacz siedmiosegmentowy LED wsp. anoda

D1..8, D10, D11, D15: 1N4148

D9, D12, D13: 1N4001

D14: dioda Zenera 15V

IC1, IC2: 74HCT147

IC9, IC3: 4011

IC4: UM91531

IC5: 4543

IC6: 4053

IC7: 4093

IC8: UM92870

IC10: NE555

IC11: LM386

IC12: 7805

T1, T2, T4, T5, T6: BC548

T3: BC538


Różne
Q1, Q2: rezonator kwarcowy 3,579 MHz
REL1: przekaźnik OMRON 5V

CON1, CON3, CON4: ARK2 (3,5mm)

CON2: ARK3 (3,5mm)

LS1: głośnik 8W

S1..S16: microswitch

S17, S18: przełącznik hebelkowy (suwakowy)



Funkcje dodatkowe

Rezystory R1, R9: 56W
R2, R5, R6: 100kW

R3, R11, R14: 100kW

R4, R7: 3,3kW

R8: 560kW

R10: 200kW

R12, R15: 1kW

R13: 5,6MW


Kondensatory C1..C4, C6, C6: 100nF
C5, C7: 1uF

C9: 100uF/10V

C10: 100nF

Półprzewodniki D1, D2: 1N4148
IC1..IC4: NE555

T1, T2: BC550

Różne


CON1: ARK2 (3,5mm)
S1..S3: przyciski microswitch




Schemat ideowy emulatora linii telefonicznej

Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej emualtora

Schemat ideowy dodatkowych funkcji emulatora

Sygnały DTMF emitowane przez UM91531

Wzór płytki drukowanej - PCB