decodificador de tonos
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27-5-2015
DECODIFICADOR DE TONOS
ECONOMICO TELEMATICA II
INTEGRANTES:
Juan Carlos García García 100054 Alejandra Nohemí Alférez Márquez 100121
Juan José Molina Ramos 100293 Raúl Esquivel Galarza 100396
Abstracto: Planteada la necesidad de controlar dispositivos eléctricos tanto de manera local como remota, se propone la investigación del sistema de marcación por tonos, utilizado en el sistema telefónico celular como medio de comunicación del usuario. Utilizando el circuito integrado CM8870 para decodificar dichos tonos.
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INTRODUCCION
Que significa DTMF?
En telefonía, el sistema de marcación por tonos, también llamado sistema multifrecuencial o DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency), consiste en él envió de dos tonos de frecuencias diferentes que identifican cada tecla pulsada en un teléfono. De esta manera se sustituye el disco de marcado de los teléfonos más antiguos, obteniéndose a la vez varias ventajas adicionales como por ejemplo mayor velocidad de marcado. Los tonos que el usuario oye cuando presiona una tecla de su teléfono, están compuestos por dos frecuencias como se indica en la tabla 1. Las frecuencias ubicadas en la primera fila se conocen como frecuencias de rango alto (Mayores a 1KHz), mientras que las frecuencias ubicadas sobre la primera columna se conocen como frecuencias de rango bajo (Menores a 1KHz). Nótese que a cada tecla le corresponde un solo par de frecuencias compuesto por una frecuencia de rango alto y una de rango bajo. Este sistema de marcación es posible gracias al desarrollo de circuitos integrados que generan dichos tonos, como así también los decodifican. En este proyecto se utiliza el decodificador CM8870.
Tabla 1 - Frecuencias DTMF (frecuencias altas / frecuencias bajas).
MARCO TEORICO
El Tono de Llamada
En estado de reposo, la línea telefónica se encuentra con una tensión de aproximadamente 40, 45V a 20Hz que se oye de manera continua, cuando el usuario comienza a marcar el número de otro abonado el tono se silencia para que los tonos DTMF se envíen de manera limpia a la central, que identificara el
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numero destino y establecerá la comunicación. Inmediatamente después de que un usuario termina de marcar el número del destinatario, se produce el conocido
“Tono de llamada.
Esta señal es una onda sinusoidal, con una frecuencia de 20Hz y una amplitud que puede alcanzar los 90V, viaja a través de la línea telefónica desde la central hasta el usuario destino, para indicarle al mismo que está presente una nueva llamada entrante. Al mismo tiempo, la central envía la misma señal al usuario que inicio la llamada (Tono que el usuario origen oye mientras espera a ser atendido) a modo de indicarle que su llamada está en curso. En este caso no se oye el tono de manera continua, sino que se han establecido
códigos de “Tono-espacio” que indican el estado de la llamada en curso. De
esta manera sabemos que si la separación entre tonos es de un tiempo mínimo, el
abonado al que estamos llamando se encuentra “Ocupado”, si los tonos tienen
una separación de más de 2 segundos, sabemos que solo nos queda esperar a que conteste el abonado destino. Cuando el usuario destino contesta la llamada, en realidad, lo que está haciendo
es aplicar a la línea una carga de 600Ω, la cual cierra el circuito de comunicación
indicando a la central que este usuario está listo para comenzar la comunicación. Cuando esto sucede la tensión de la línea desciende hasta los 10V. De esta manera queda establecido el enlace entre ambos abonados. El Decodificador CM8870
Se toma una derivación de la línea de entrada y se envía al decodificador CM8870
mediante un capacitor de 0.1μF para bloquear la componente de corriente
continua. El decodificador separa ambas frecuencias, las decodifica, envía el valor a su salida y lo indica activando dos bits de señalización denominados ESt (Early Steering output) y StD (Delayed Steering Output). Estos bits tienen conexión física al exterior. El pin 15 (StD) se envía directamente al display. Indica que durante un tiempo prudencial estuvo presente un tono considerado como válido y que el valor ya está disponible en la salida.
Integrado decodificador de tonos CM8870
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Decodificador de 7 segmentos 74LS47 o 74LS247
¿Qué es un decodificador? Es un dispositivo que "decodifica" un código de entrada en otro. Es decir, transforma una combinación de unos y cero, en otra. 74LS47, en particular transforma el código binario en el código de 7 segmentos. Parece confuso, pero en breve quedará más claro.
Integrado LS247 entrada binario & salidas decimal
El decodificador recibe en su entrada el número que será visualizado en el display. Posee 7 salidas, una para cada segmento. Para un valor de entrada, cada salida toma un estado determinado (activada o desactivada).
La entrada consiste en 4 patas o pines donde el decodificador recibe los números binarios. Podemos ingresar valores de 0 a 9 en formato binario.
Equivalencia Binaria -Decimal
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Para ingresar un "0" en un pin, conectaremos el mismo al terminal negativo de la fuente. Para ingresar un "1", vamos a conectarlo al terminal positivo. En el tutorial estoy utilizando un decodificador TTL, por lo que la fuente debe ser de 5v.
Como es un decodificador 74LS47? El dispositivo viene en un encapsulado DIP16. Sus pines o patillas son:
Entradas: 4 pines de entrada para ingresar el dígito a mostrar en binario.
Salidas: 7 pines de salida, uno para cada segmento.
Control: 3 pines de control. Por el momento no entraremos en detalle para que se utilizan.
Alimentación: 2 pines para alimentación, fuente (+) y fuente (-).
Entonces, como ya lo dijimos, hay que aplicar el número deseado en la entrada y el dispositivo, automáticamente, habilita los segmentos correspondientes a la salida. Supongamos que queremos mostrar el número 5. Utilizando la tabla anterior vemos que 5 en binario es 0101. Debemos aplicar este valor en los pines de entrada en el orden DCBA, es decir DCBA = 0101, o sea D=0, C=1, B=0, A=1. Al hacerlo, el integrado enciende todos los segmentos, salvo "b" y "e" para mostrar el número 5.
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Veamos ahora, los valores reales de tensión en la entrada y salida. Recuerden que el "1" lógico equivale a 5v y el "0" lógico a 0v. Vemos nuevamente el mismo gráfico, ahora con los valores de tensión en la entrada y la salida:
Por favor, presten atención a los niveles en la salida. Los segmentos encendidos tienen un nivel lógico 0 y los apagados 1. Es decir, cuando el decodificar pone 0v en una salida, el segmento debe quedar encendido, y el mismo se apaga cuando la salida presenta 5v. Este tipo de salida se denomina activo baja, lo que significa que cuando la salida está en nivel bajo (0 lógico), la salida está activa. Resumiendo:
En la entrada del 74LS47 hay que ingresar un código binario
El valor binario es una combinación de unos y cero, siendo, "0" lógico = 0v; "1" lógico = 5v.
En la salida aparece la combinación de siete segmentos correspondiente.
Cada pin de salida corresponde a un segmento.
Las salidas son activo baja, es decir, "0" lógico = encendido; "1" lógico = apagado.
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Características Técnicas
La siguiente señal fue obtenida en un osciloscopio donde se puede observar la
combinación de tonos sinusoidales de las frecuencias obtenidas al momento de teclear el
digito correspondiente en este caso un “1”.
1209Hz y 697Hz que conforman las frecuencias del digito “1”
Al ser pulsada en el teléfono la tecla correspondiente al dígito que quiere marcar,
se envían dos tonos, de distinta frecuencia: uno por columna y otro por fila en la
que esté la tecla, que la central decodifica a través de filtros especiales, detectando
qué dígito se marcó.
Respecto a los niveles de las señales en el sistema de marcación por tonos,
las tolerancias para las variaciones de frecuencia y los productos de
intermodulación admisibles son los siguientes:
Cada una de las frecuencias transmitidas puede variar ± 1,8 % de la
frecuencia nominal.
Los productos de distorsión, producidos por intermodulación o por
generación de armónicos, deben tener un nivel 20 dB por debajo de los que
tienen las frecuencias fundamentales.
Al pulsar una tecla, el sonido resultante es la suma de un tono alto (cada
uno de los tonos de las columnas del teclado) con uno bajo, teniendo el
primero un nivel de 2dB (1,5%) respecto del otro para compensar las
pérdidas de señal en las líneas de conexión con la central telefónica.
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En los equipos de marcación por tonos de la actualidad, circuitos
integrados generan estos tonos desde el equipo terminal, consumiendo poca
corriente de la red y sustituyendo el sistema mecánico de palancas y luego
transistorizado de los primeros diseños de teléfonos de teclado.
Este sistema supera al de marcación por pulsos al reducirse la posibilidad de
errores de marcado, al no depender de un dispositivo mecánico y en rapidez ya
que no hay que esperar tanto tiempo para que la central detecte las
interrupciones, según el número marcado. La tabla que a continuación se muestra
indica las frecuencias de los tonos por cada fila y columna del teclado de los
teléfonos de marcación por tono.
DESARROLLO Este circuito permite con muy poca inversión decodificar una cadena de tonos
DTMF proveniente del teléfono o de una radio. Sirve tanto para saber a qué
número se ha marcado el teléfono como así también para un VHF o para curiosear
en los mensajes ocultos que algunas televisoras insertan en su banda de audio.
Lista de materiales:
1 integrado CM8870
1 integrado 74LS47
2 capacitores 0.1µF
1paq. Resistencias 300KΩ
1paq. Resistencias 100KΩ
1 Capacitor de cristal de 3.58MHz
Resistencias de varios valores
1 display de 7 segmentos
1 plug de audio 3.5mm macho
Materiales utilizados
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Diseño del circuito:
El circuito en si consta de un integrado receptor de tonos especial para centrales
telefónicas. El mismo con solo 5v de alimentación se encarga de "escuchar"
permanentemente a la espera de un tono y, cuando lo recibe, decodifica el mismo,
lo coloca en binario en las salidas Q1 a Q4 (ver tabla) y acciona la salida Std. Esta
última permanece activa tanto como dure el tono.
Decodificador CM8870:
Decodificador CM8870
Display de 7 segmentos: Simulaciones MULTISIM
Simulación display 7 segmentos multisim
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Armado del circuito: (primera parte)
En la siguiente imagen se muestra el armado del circuito sin conexión de entrada
de audio (teléfono) e inicializado a cero, ente valor lo agarra por default al
momento de conectar la fuente de 5v.
Circuito inicializado en cero.
En la siguiente imagen se puede apreciar el celular con el teclado de dígitos a
utilizar para introducir el número y mandar la frecuencia que emite.
Conexión de entrada de datos (Teléfono celular)
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La siguiente tabla de verdad explica en detalle el dato entregado correspondiente
a cada uno de los tonos DTMF:
Tabla de verdad tonos DTMF
El teclado consta de 12 teclas alfanuméricos, 10 son números del 0 – 9 y los dos
restantes son * y #. Dicho esto los números el decodificador los tomara como tales
excepto el 0 ya que este lo tomara como un 10 mostrándolo como un “c”, el * lo
tomara como un 11 mostrándolo como un “c” invertida y el # como un 12
mostrándolo como una “u”, tal y como se muestra en la tabla de verdad de tonos
DTMF anteriormente mostrada y en la tabla de 7 segmentos binario – decimal que
continuación se presenta.
Teclado alfanumérico
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Para corregir este error de 0=C en el decodificar es necesario implementar un
arreglo lógico de compuertas AND y OR, además de agregar otro integrado 7447 y
un 74LS83 este último es un sumador.
Arreglo lógico
Integrado 74LS83
El circuito integrado 7483 implementa un sumador binario completo de 2 números
de 4 bits. Su configuración es la que se muestra siguiente imagen.
Terminales del circuito integrado 74LS83
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Dónde:
A3-A0 y B3-B0 son los dos números a sumar.
Siendo A3 y B3 los bits más significativos, mientras que A0 y B0 son los
menos significativos.
C0 es el acarreo de entrada.
S3-S0 son las salidas del circuito.
C4 es el acarreo de salida.
En conjunto, C4:S3:S2:S1:S0 forman el resultado de la operación.
La operación que realiza este circuito es la que se muestra en la figura 2. Para
realizar una suma de dos números utilizando lógica positiva o activo alto, el
acarreo de entrada debe tener un valor de 0 lógico.
El circuito de la figura está implementado utilizando el software Quartus II, al igual
que los que se muestran en el resto del documento. A partir de los siguientes
circuitos, se crean símbolos para facilitar las conexiones y la visualización de los
mismos. Los detalles de la creación y edición de símbolos en Quartus II no se
presentan en este documento. Además, el etiquetado en Quartus II de las
terminales del circuito 7483 difiere un poco de las mostradas en el manual técnico
del mismo, sin afectar esto a su funcionamiento.
Operaciones internamente realizadas por el circuito 7483.
Funcionamiento de la implementación
Al momento de ingresar un numero se decodificara y se mostrara en un display, a
continuación se muestra una tabla donde se puede apreciar los números
representados en el display y en este caso los alfanuméricos como serán
representados.
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Display 7 segmentos Binario - Decimal
El circuito también cuenta con Leds en las salidas del integrado CM8870 las
salidas representan un numero de 4 bits del menos significativo al más
significativo es decir (1, 2, 4,8). El ultimo Led es el que nos indicara cuando la
señal de audio ha sido recibida en el decodificador.
Led verde 1
Led naranja 2
Led amarillo 4
Led rojo 8
Led blanco StD (Delayed Steering Output).
Representación de bits en leds. Indicador de señal (sonido) recibida
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Pruebas:
Para realizar las pruebas solo es necesario conectar el teléfono al plug de audio
3.5mm macho, una vez conectado deben estar habilitados los sonidos del teclado
para que pueda funcionar, una vez hecho esto comenzar a teclear los dígitos para
ver el resultado.
Digito 1 Digito 2 Digito 3
Digito 4 Digito 5 Digito 6
Digito 7 Digito 8 Digito 9
Digito 10 Digito # Digito *
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Armado del circuito: (Segunda parte)
Implementación segundo display y sumador 74LS83
Como se mencionó antes existe un error que impide detectar el numero 0 = 10 y
lo marca como una “c” al igual que el carácter # y * para este caso se necesita
implementar el siguiente circuito al ya establecido
Arreglo lógico utilizando un sumador 74LS83
De tal forma que una vez implementado nos queda de la siguiente manera:
Circuito Terminado
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En la siguiente imagen se muestra el armado del circuito sin conexión de entrada
de audio (teléfono) e inicializado a cero, ente valor lo agarra por default al
momento de conectar la fuente de 5v.
Circuito inicializado en cero.
En la siguiente imagen se puede apreciar el celular con el teclado de dígitos a
utilizar para introducir el número y mandar la frecuencia que emite.
Conexión de entrada de datos (Teléfono celular)
Resultados finales:
En las imágenes se puede apreciar el proceso anteriormente realizado, la
conexión del celular como entrada de datos en este caso las frecuencias atreves
del teclado de los números. La entrada de 5v para la alimentación del circuito.
Se fueron presionando los 12 dígitos y obteniendo los resultados esperados, del
1-9 tal cuales el 0 como un 10 y * como un 11 y el # como un 12.
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Conforme se fueron presionando los dígitos se pudo apreciar el número
presionado en la pantalla del teléfono celular, la representación binaria con los
leds y la conversión decimal en los displays.
Cada vez que se presiona un digito la señal es recibida por el decodificador y este
emite una señal de respuesta corta la cual es mostrada el encendido de un led por
unas fracciones de segundos, esto solo indica que la frecuencia del digito fue
recibida.
Para la representación binaria se usaron 4 leds de colores anteriormente
mencionados. A continuación se presenta una tabla con dichos valores de
resultados. Verde = 1, Naranja = 2, Amarillo = 4, Rojo = 8.
NUMERO LEDS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Digito 1 digito 2 digito 3 digito 4
Digito 5 digito 6 digito 7 digito 8
Digito 9 digito 10 digito 11 digito 12
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CONCLUSIONES
DTMF, o Doble Tono Multi-Frecuencia, es la señal producida cuando se oprime
alguna de las teclas del teléfono celular. Cada una de las 12 señales DTMF cuenta
con dos tonos (Frecuencias). El marcado con pulso por lo general ha sido
reemplazado por DTMF.
En las compañías de teléfono cada vez que se contacta al sistema automatizado
de una compañía, las selecciones que haces envían tonos DTMF a los sistemas
de cómputo de la compañía para que sean interpretados.
Desde diciembre 2010, algunas compañías han empezado a reemplazar DTMF
con tecnología de reconocimiento de voz, lo que elimina la necesidad de enviar
señales de teclado.
BIBLIOGRAFÍA
Recommendation Q.24: Multi-Frequency Push-Button Signal, Reception: ITU Blue Book,
1989.
CM8870/70C Datasheet “CMOS Integrated, DTMF Receiver” 9/28/2000.
http://es.wikipedia.org/wiki/Marcaci%C3%B3n_por_tonos
http://cs.smith.edu/~thiebaut/270/datasheets/sn74ls47rev5.pdf
http://www.unicrom.com/Tut_display-7-segmentos.asp
http://www.datasheetcatalog.com/info_redirect/datasheet/motorola/SN74LS83D.pdf.sht
ml
http://www.forosdeelectronica.com/f17/dtmf-cm8870-4239/
http://www.datasheetcatalog.com/info_redirect/datasheet/calmicro/CM8870.pdf.shtml