ИК системы связи и ДУ с использованием DTMF

ИК передатчики используются многими авторами для создания систем связи и дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК передатчик модулируется определенными частотами, а ИК приемник использует ИС типа 567, снабженную системой ФАПЧ. Для обеспечения нормальной работы необходимы настройка и согласование каждой пары «приемник-передатчик». Ниже приведены примеры построения подобных систем.

Разработан ряд специализированных широко доступных интегральных схем для применения в сфере телекоммуникаций. Подобные недорогие ИС способны передавать и принимать до 16 различных сигналов без предварительной настройки. Путем соединения подобных ИС со стандартными ИК излучателями и приемниками возможно создание ИК систем связи и дистанционного управления.

Коды DTMF

Сигналы DTMF (dual-tone multifrequency [двухтоновый многочастотный сигнал]) были предложены более 25 лет назад. Это произошло как раз перед тем, как правительство США форсировало расформирование компании Bell Telephone для разделения ее по различным секторам рынка. DTMF обычно известен как способ тонального набора.

Стандартный сигнал DTMF состоит из двух тонов звуковых частот, выбранных из группы восьми различных звуковых сигналов. Эти сигналы восьми различных частот поделены на две группы: группа сигналов низкого тона и группа сигналов высокого тона (см. табл. 1). Сигнал DTMF представляет собой комбинацию сигналов звуковых тонов, выбранных из различных групп (см. рис. 1-3). Простейший подсчет показывает, что возможны 4 х 4 = 16 возможных комбинаций.

Рис. 1. Форма колебаний низкого тона

Рис. 2. Форма колебаний высокого тона

Рис. 3. Алгебраическая сумма колебаний высокого и низкого тонов (DTMF)

Сигналы низкого тона (от R1 до R4) относятся к группе рядов. Сигналы высокого тона (от С1 до С4) образуют группу колонок.

Таблица 1

Кодирование сигнала DTMF

Любая комбинация частот может быть получена при использовании матрицы выключателей 4 х 4 или соответствующей клавиатуры (рис. 4). Помните, что эта технология была заимствована из телефонной индустрии, поэтому она была рассчитана на эффективное применение в телефонных линиях достаточно посредственного качества.

Рис. 4. Матрица клавиатуры 4х4, показывающая отдельные частоты DTMF

Стандартные телефоны с тональным набором используют матрицу клавиатуры размером 3х4. Такая матрица позволяет кодировать сигналы частот всех возможных рядов, но только трех вертикальных колонок (см. рис. 5). Клавиатура размером 3х4 более доступна и будет использоваться во всех схемных решениях, описанных ниже.

Рис. 5. Распайка телефонной клавиатуры 3х4

Не все клавиатуры от телефонов работают подобным образом, поэтому некоторые из них окажутся непригодными для наших схем. Например, некоторые клавиатуры имеют отличающуюся распайку выводов и требуют соответствующих ИС. По этой причине, если вы используете клавиатуру, то должны убедиться в ее правильном функционировании.

Изготовление кодера DTMF достаточно просто (см. рис. 6). Для этого потребуются клавиатура, кварцевый резонатор и ИС типа 5089. Цоколевка ИС 5089 показана на рис. 7. При использовании стандартной клавиатуры от телефона размером 3х4 вы потеряете возможность генерации 4-х DTMF кодов, связанных с отсутствующими клавишами, что снижает максимально возможное количество комбинаций до 12.

Рис. 6. Кодер DTMF, использующий матрицу клавиатуры 4х4

Рис. 7. Цоколевка кодера DTMF ИС 5089

На рис. 8 изображена тестовая схема кодера, в которой использованы восемь кнопочных выключателей. Эти выключатели в данном случае заменяют клавиатуру, с их помощью вы сможете проверить работу кодера и работу схемы приемника (декодера). Помните, что необходимо использовать кнопочные выключатели, работающие на замыкание. Для нормальной работы необходимо соединение одного из выводов R1-R4 и C1-C4 c землей, что осуществляется соответствующими кнопками.

Рис. 8. Схема кодера, использующего восемь кнопочных переключателей

ИС способна генерировать одиночные тоны, что обычно предпринимается для целей тестирования. Например, чтобы сгенерировать тон частоты 1336 Гц, соответствующий выводу С2, необходимо замкнуть на землю вывод С2 и любые два вывода из группы рядов R1-R4. Такая операция и приведет к генерации чистого тона 1336 Гц. То же самое можно проделать для генерации тона из группы рядов. Для этого необходимо заземлить любые два вывода из группы колонок и необходимый для генерации заданной частоты вывод из группы рядов.

Декодирование сигналов DTMF

Декодирование сигналов DTMF является немного более сложным, чем кодирование. Наиболее простым решением может явиться использование единственной ИС, на этот раз типа G8870 (рис. 9).

Рис. 9. Цоколевка декодера DTMF ИС G8870

ИС декодера имеет 4-битный выход с фиксацией состояния, обозначенный Q1-Q4. Q4 является старшим битом. Ток выходов Q1-Q4 достаточен для зажигания маломощных светодиодов. На рис. 10 показана основная схема приемника. Комбинация зажженных светодиодов, подключенных к выходам Q1-Q4, образует двоичное число. В таблице 2 приведены соответствия между кодами DTMF и соответствующими им двоичными числами. Схема построена так, что включенному светодиоду соответствует двоичная единица.

Рис. 10. Схема приемника с 4-битным выходом

Таблица 2. Сигналы DTMF

Цифровая индикация

Если чтение двоичного кода представляется слишком утомительным, можно добавить десятичный цифровой индикатор. Выход ИС можно присоединить к двоично-десятичному дешифратору для 7-сегментных индикаторов типа 7448. ИС 7448 в свою очередь соединена с 7-сегментным индикатором типа MAN 74 (с общим катодом). Схема, включающая две ИС, позволяет осуществлять цифровую индикацию (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема приемника с цифровой индикацией

Проверка

Для проверки соедините выход ИС 5089 (вывод 16) с входом ИС G8870 и сгенерируйте сигнал DTMF с помощью кнопочных выключателей или клавиатуры. Декодер должен отобразить этот сигнал с помощью светодиодов или цифрового индикатора.

Использование ИК излучателя

Как только вы убедились в работоспособности устройства, можно добавить в схему приемник и передатчик ИК излучения. Выход ИС 5089 соединяется с базой NPN транзистора, в эмиттер которого включается мощный ИК светодиод (см. рис. 12). Можно подключить диод непосредственно к выходу ИС 5089, но излучаемая мощность в этом случае будет мала. NPN транзистор производит добавочный ток для питания светодиода.

Рис. 12. Схема ИК передатчика DTMF

На рис. 13 показана входная часть схемы ИК приемника. ИК фототранзистор соединен с КПОП операционным усилителем. Такая комбинация элементов позволяет управлять ИС 8870 через ИК канал на расстоянии порядка метра.

Рис. 13. Схема входной части ИК приемника DTMF

Система дистанционного управления (ДУ)

Используя ИК соединение, вы можете нажать клавишу с определенным номером на клавиатуре и увидеть соответствующую цифру, отображенную на цифровом индикаторе. Проверьте качество ИК связи по направлению и максимальному расстоянию. Увеличения дальности связи можно добиться, помещая ИК светодиод и фототранзистор в отдельные рефлекторы. Хорошо подходит для этой цели рефлектор от старой лампы-вспышки.

Устройство ДУ можно получить, добавив в схему ИС 4028, которая представляет собой двоично-десятичный дешифратор. Это означает, что при подаче параллельного двоичного кода на вход ИС (этим кодом зажигались светодиоды на рис. 10) на одном из выходов появится сигнал, соответствующий десятичной цифре. ИС 4028 имеет 10 выходов, обозначенных цифрами от 0 до 9. В зависимости от 4-битного кода на входе 4028, она выдает сигнал высокого уровня на одном из выходов (см. рис. 14).

Рис. 14. Схема приемника DTMF с преобразованием шестнадцатеричного кода в десятичный

Удалять из схемы ИС 7448 и цифровой индикатор нет необходимости, поскольку ИС 8870 имеет достаточно мощный выход для подачи сигнала на обе ИС 7448 и 4028. При тестировании выхода ИС 4028 цифровой индикатор может оказаться очень удобным. Чтобы не загромождать чертеж, на рис 14 показана связь ИС 8870 только с ИС 4028.

Выходы ИС 4028 могут непосредственно использоваться для управления переключателями или другими частями схемы. Однако это не является удачным решением, поскольку при нажатии следующей клавиши (цифры) выход, соответствующий предыдущей цифре, отключится (сбросится на низкий уровень).

Для решения этой проблемы можно использовать D-триггер типа 4013 (рис. 15). Триггеры являются основными элементами компьютерной памяти. В этой схеме в качестве триггера используется двоичный счетчик. После первой логической «1» на выходе ИС 4028 выход триггера перебросится также в логическую «1». Когда на выходе 4028 появится логический «0», что соответствует включению другого канала, ИС 4013 будет удерживать логическую «1» на выходе (фиксация состояния).

Рис. 5.27. Схема триггера ИС 4013

Чтобы опять перебросить выход 4013 в «0», необходимо просто включить соответствующий канал еще раз. Второй импульс, пришедший на вход ИС 4013, переключит ее выход в низкий уровень («0»). Чередование высокого и низкого уровней на выходе ИС 4013 происходит при каждой подаче «1» на ее вход.