Detektor sygnałów DTMF

1. Opis konstrukcji

Do konstrukcji detektora posłużył specjalizowany dekoder kodów DTMF MT8870 firmy ZarlinkŽ. W swoim wnętrzu zawiera niemal wszystkie komponenty niezbędne do wzmocnienia, odfiltrowania i sklasyfikowania wejściowego sygnału analogowego. Układ ten jest kompletnym odbiornikiem DTMF integrującym w swoim wnętrzu zarówno zestaw filtrów pasmowych jak i czterobitowy dekoder cyfrowy. Sekcja filtrów działa na zasadzie przełączanych pojemności dla grupy filtrów wysokich jak i niskich. Blok dekodera cyfrowego stosując metodę zliczania umożliwia zdekodowanie każdego z 16 kodów DTMF. Dzięki minimalnej wymaganej ilości elementów zewnętrznych aplikacja układu jest bardzo prosta. Układ wymaga jedynie dołączenia kilku rezystorów i kondensatorów w układzie przedwzmacniacza i filtru oraz jeden rezonator kwarcowy.



Rys. 1 Schemat blokowy odbiornika
Rysunek powyżej ilustruje budowę modułową układu detektora. Na odbiornika składają się następujące komponenty:

- mikrofon - zastosowano tani mikrofon elektretowy
- wzmacniacz - sygnał z mikrofonu jest bardzo słaby (rzędu miliwoltów) nawet przy bezpośrednim skierowaniu go w stronę mówiącego. Ponieważ sygnał ze słuchawki telefonicznej jest jeszcze słabszy, niezbędne było zastosowanie wzmacniacza o wzmocnieniu dynamicznym sięgającym kilkuset V/V
- moduł filtrów pasmowych - jest odpowiedzialny za odseparowanie z sygnału wejściowego częstotliwości składowych DTMF
- dekoder cyfrowy - układ ten odpowiada za zakodowanie numeru kodu do postaci 4-bitowej i wystawienie sygnału informującego o obecności zidentyfikowanego kodu na wyjściu układu
- mikroprocesor - po wykryciu sygnału gotowości wystawianego przez dekoder DTMF odczytuje numer kodu i po jego sformatowaniu do postaci tekstowej wysyła przez port szeregowy
- interfejs RS232 - składa się z konwertera poziomów napięć oraz kabla połączeniowego do komputera PC. Informacje wysyłane przez mikroprocesor można podejrzeć w dowolnym programie-terminalu tekstowym.


2. Schemat i opis działania


Rys. 2 Schemat detektora DTMF

Rysunek 2 przedstawia kompletny schemat detektora. Można na nim wyróżnić cztery bloki funkcjonalne:

- zasilacz - zasadniczym elementem jest stabilizator scalony U4 dostarczający stałego napięcia o wartości +5.0V.
- detektor DTMF - jest zbudowany na układzie MT8870 zawierającym wzmacniacz operacyjny, zestaw filtrów oraz dekoder cyfrowy
- mikroprocesor AT89C4051 - interpretuje sygnały z dekodera DTMF i wysyła je przez port szeregowy
- interfejs szeregowy RS232 - zbudowany jest konwertera napięć U3 oraz gniazda DB9

Zasilacz zbudowany został w oparciu o stabilizator scalony napięcia dodatniego typu LM7805. Wymaga on dostarczenia napięcia wyprostowanego i wstępnie przefiltrowanego o wartości co najmniej 7V i nie przekraczającego 35V. Układ jest wyposażony w standardowe gniazdo DC, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go z każdego zasilacza wtyczkowego. Za gniazdem DC znajduje się dioda prostownicza - zabezpiecza ona układ elektroniczny przed skutkami podłączenia zasilania o nieprawidłowej polaryzacji. Kondensator elektrolityczny ma za zadanie zapobieżenie chwilowym zanikom napięcia zasilania, które może powstać np. przy poruszaniu wtyczką w gnieździe DC. Ważnymi elementami są dwa kondensatory ceramiczne o wartości 100nF - są one wymagane przez układ stabilizatora napięcia, gdyż układ regulacji mając duże wzmocnienie błędu ma skłonności do wzbudzania się.

Kolejnym, zasadniczym elementem układu jest scalony dekoder sygnałów DTMF. Posiada on zintegrowany wzmacniacz operacyjny (wyprowadzenia IN+, IN-, GS oraz Vref), zestaw filtrów pasmowych, wymagający podłączenia zewnętrznego układu RC (wyprowadzenia St/GT oraz Est) oraz dekoder cyfrowy (wyprowadzenia Q1..Q4 oraz sygnał StD informujący o gotowości). Sygnał odbierany jest ze słuchawki telefonicznej za pomocą mikrofonu MIC. Zastosowano mikrofon elektretowy. Mikrofon jest zasilany za pośrednictwem filtru RC składającego się z rezystora R2 i kondensatora C2, odfiltrowującego z szyny zasilania wszelkie szumy i piki (należy pamiętać o bardzo dużym wzmocnieniu detektora). Następnie znajduje się rezystor R3 o wartości 4.7k. Mikrofon elektretowy zachowuje się jak kondensator - pod wpływem zmieniającego się ciśnienia wywieranego na membranę zmienia się jego pojemność. Powoduje to przepływ niewielkiego prądu i w konsekwencji zmiany napięcia na rezystorze R3. Po oddzieleniu składowej stałej napięcia przez kondensator C4 sygnał trafia na wejście nieodwracające IN+ wzmacniacza operacyjnego. Należy tu zwrócić uwagę, że wejście nieodwracające jest zasilane przez rezystor R7 o wartości 100k z wyjścia Vref - do prawidłowej pracy wejście to musi być spolaryzowane napięciem o wartości równej około połowy napięcia zasilającego cały układ. Normalnie realizuje się to za pomocą dzielnika rezystancyjnego 1:2, ale układ MT8870 dostarcza odpowiedniego napięcia referencyjnego, więc wykorzystano je do polaryzacji wejścia. Ponieważ stałe napięcie o dowolnej wartości dla sygnału zmiennego z mikrofonu stanowiłoby zwarcie, wejście zasilane jest przez rezystor o bardzo dużej wartości 100k. Pozostałe elementy, tj. P1, R8, R6 i C9 stanowią obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wejście odwracające IN- zasilane jest za pośrednictwem rezystora R8 i potencjometru P1, który umożliwia zmianę wzmocnienia układu. Napięcie podawane na wejście odwracające ma taką samą wartość jak napięcie wyjściowe (brak dzielnika stałonapięciowego), dlatego wzmocnienie statyczne układu wynosi 1. Gdy jednak do układu doprowadzimy sygnał zmienny, sygnał z wyjścia przedwzmacniacza przejdzie przez obwód R8, P1 oraz R6 i C9, tworzący dzielnik napięcia. Dzięki temu wzmocnienie układu dla sygnałów zmiennych wzrośnie setki razy. Jak wykazały przeprowadzone testy, wystarcza to do nadania sygnałowi z mikrofonu odpowiedniej amplitudy i rozpoznania go przez układ filtrów.

Rys. 3 Schemat blokowy układu MT8870

Diagram z Rys. 3 wyraźnie ukazuje drogę, jaką przebywa sygnał. Po przejściu przez układ wzmacniacza, trafia na szerokopasmowy filtr przepuszczający jedynie częstotliwości z zakresu DTMF czyli od około 300Hz do 1700Hz. Następnie sygnał trafia na blok filtrów pasmowych, który dokonuje selekcji częstotliwości górnych i dolnych. Zestaw dwu sygnałów trafia następnie do układu cyfrowego, który stosując odpowiednie metody zliczania jest w stanie wyselekcjonować jeden z szesnastu możliwych kodów. Ostatnim blokiem jest układ kodujący wartość kodu DTMF do postaci 4-bitowego kodu binarnego.

3. Oprogramowanie

Oprogramowanie mikrokontrolera ATMEL 8051 ( AT89C4051 ) jest bardzo proste i może zostać zmodyfikowane w zależności od potrzeb. Sprowadza się do cyklicznego sprawdzania stanu wejścia P3.2. Jeśli na tym wejściu pojawi się stan wysoki, oznacza to, że na wyjściach Q1..Q4 dekodera DTMF znajduje się wartość zidentyfikowanego właśnie kodu. Następuje odczytanie wejść i konwersja wartości binarnej do postaci tekstowej, po czym wysłanie tego tekstu za pomocą interfejsu RS232 do terminala uruchomionego na komputerze.