O circuito integrado MM74HC942, da National Semiconductor, consiste num Modem duplex completo, de baixa velocidade para a transmissão de dados via linha telefônica ou outros canais de banda estreita como fibras ópticas, links visíveis etc. Este integrado é compatível com o 103 da Bell e utiliza na sua construção a tecnologia MicroCMOS, com duas camadas de polisilício e uma camada de C-MOS (poço-P).
Obs. O artigo é de 1989.
São usadas comutações por capacitores para melhorar o processamento do sinal.
Na figura 1 temos o diagrama em blocos deste integrado e sua pinagem, observando-se sua disponibilidade em invólucro DIL de 20 pinos.
Suas principais características, salientadas pelo fabricante, são:
Excita cargas de 600 Ω em 0dBm
Todos os filtros estão no integrado
O nível de transmissão pode ser ajustado para se tornar compatível com quaIqueg código universal
Lógica compatível com TTL e CMOS
Entradas protegidas contra dano por descarga estática
Alimentação simétrica de 5 V
Baixo consumo
Resposta duplex completa ou operação original
Loopback para teste próprio (analógico)
Dentre as aplicações sugeridas, temos:
Modems de baixa velocidade,
Recolhimento remoto de dados,
Telemetria via rádio
Verificação de crédito,
Controle de processamento remoto.
Este modem pode ser dividido em 3 blocos, cujas funções são dadas a seguir.
Seção de modulação
Este setor contém um sintetizador de freqüência e um sintetizador de forma de onda senoidal.
Sua função é produzir um sinal de saída coerente e em fase com o sinal de entrada.
Driver de linha e seção hídrica
Estes circuitos são projetados para facilitar a conexão direta a uma linha telefônica de 600 Ω.
Eles podem operar com linhas de 2 ou 4 fios e excitam esta linha com um nível máximo de 0 dBm.
Seção demoduladora
O demodulador incorpora filtros que evitam a falsa informação.
Um filtro de recepção, limitador, discriminador e um detector de portadora.
O filtro de 9 pólos de recepção fornece uma taxa de rejeição de 60 dB para o tom transmitido.
O discriminador é totalmente balanceado para operação estável.
Os máximos absolutos deste integrado são:
Tensão de alimentação (VCC): - 0,5 a 7,0 V
Tensão de alimentação (Vbb): +0,5 a -7,0 V
Entrada DC de tensão (ViN): Vbb -1,5 V a VCC +1,5 V
Saída DC de tensão (VOUT: Vbb -0,5 V a VCC + 0,5 V
Dissipação de potência: 500 mW
As condições de operação recomendadas são dadas na tabela I.
Na tabela II temos as características DC deste integrado e na tabela III as características AC.
Damos a seguir a descrição das funções dos pinos.
Pino1 - DSI - “Driver Summing Input“ - esta entrada pode ser usada para transmitir sons gerados externamente, Como por exemplo DTMF (Dual Tone Multifrequency), para discagem.
Pino 2 - ALB - “Analog Loop Back“ - um nível lógico alto nesta entrada faz com que a saída do modulador seja conectada à entrada do demodulador, de tal modo que os dados são levados de volta ao circuito inteiro. Isto pode ser utilizado para testar o Chip. Se as entradas ALB e SQT estiverem simultaneamente em nível alto, a alimentação do circuito é cortada.
Pino 3 - CD - “Carrier Detect“ este pino vai a nível lógico baixo quando a portadora é identificada peio circuito de detecção de portadora.
Pino 4 - CDT - “Carrier Detect Timing” - um Capacitor neste pino fixa o intervalo de tempo em que a portadora deve estar presente antes da entrada CD ir ao nível baixo.
Pino 5 - RXD - “Received Data" este é o pino de saída dos dados.
Pino 6 - Vcc - “Alimentação positiva" - uma tensão de +5 V é recomendada.
Pino 7 ~ CDA - “Carrier Detect Adjust“ - este pino é usado para ajustar a detecção da portadora. O Iimiar é ajustado com uma histerese de 3 dB.
Pino 8 - XTALD -* “Cristal Drive“ XTALD e XTALS são conectadas a um Cristal de 3,5795MHz para produzir um sinal de clock para todo Chip. Se um sinal externo para excitação de outro circuito for necessário ele pode ser retirado, e se já houver um outro clock no circuito, ele pode ser aplicado nesta entrada.
Pino 9 - XTALS - “Cristal Sense” - o mesmo que o pino 8.
Pino 10 - FTLC ~ “Filter Test/Limiter Capacitor” - este pino é conectado à saída de alta impedância de um fiItro receptor. Pode ser usada para avaliar a performance do filtro e também do demodulador. Durante este teste, RXA1 e RXA2 devem ser aterradas.
Pino11 - TXD - “Transmitted Data“ - esta é a entrada de dados.
Pino 12 - Vbb - “Alimentação negativa" - recomenda-se uma tensão de -5 0 V.
Pino13 - OlA – “Original/Answer mode select” - quando em nível alto,operação.
Pino 14 - SQT - “Squelch Transmitter” - este pino desabilita o demodulador quando levado ao nível alto. A entrada EXI permanece ativa. Se SQT e ALB estiverem simultaneamente no nível alto, a alimentação do Chip é cortada.
Pino 15 ~ RXA2 - “Receive Analog 2” - RXA2 e RXA1 são entradas analógicas. Quando conectadas da forma recomendada, produzem uma característica híbrida de 600 Ω.
Pino16 - RXA1 - “Receive Analog 1” - Como RXA2.
Pino 17 - TXA - 'Transmit Analog” -esta é a saída do driver de linha.
Pino 18 - EXI - “External lnput“ - esta é a entrada de alta impedância do driver de linha. Esta entrada pode ser usada para transmitir sons gerados externamente. Quando não usada para esta finalidade, deve ser aterrada.
Pino 19 - GND - “Ground” – é a ligação à terra ou 0 V.
Pino 20 - TLA _ “Transmit Level Adjust” - um resistor deste pino ao VCC permite o ajuste do nível de transmissão
DESCRIÇÃO FUNCIONAL
Um modem é um dispositivo para a transmissão e recepção de dados numa faixa de comunicações com canal estreito.
O MM74HC942 utiliza a técnica FSK (Chaveamento do deslocamento de frequência) em um tom de áudio.
O tom pode ser transmitido através de linhas telefônicas comuns ou qualquer outro canal de voz.
Pela alocação compatível de tons e um bom processamento de sinal, o MM74HC942 pode transmitir e receber dados simultaneamente.
A alocação de tom para o MM74HC942 e outros modems compatíveis com o Bell 103 é dada na tabela.
Os termos “origem“ e “alvo“ definem a alocação de freqüências para o uso telefônico.
O modem no final da linha, e que inicia a chamada, é denominado modem de origem.
O outro modem é denominado de “resposta ou alvo”.
Interface de linha: esta seção faz a conversão, conforme o sistema seja de dois ou de quatro fios, e fornece o casamento de impedância entre o modem e a linha.
Driver de linha: trata-se de um amplificador de potência para excitar a linha.
Se o modem está operando como um modem de origem, os segundos harmônicos dos tons transmitidos caem próximos das freqüências dos tons recebidos, o que pode causar uma degradação da relação sinal/ruído desses sinais.
O driver de linha deve, então, ter características capazes de produzir uma baixa distorção no segundo harmônico.
O híbrido: a tensão na linha telefônica é a soma dos sinais recebidos e transmitidos.
Este circuito subtrai da linha telefônica a tensão do sinal transmitida.
Se a linha estiver casada com a impedância de híbrido, teremos na sua saída, somente o sinal recebido.
Isso, entretanto, raramente ocorre, já que as características de impedância da linha variam consideravelmente.
A saída híbrida constitui-se numa mistura dos sinais transmitidos e recebidos.
Seção de demodulação
O filtro de recepção.
O demodulador recupera os dados do sinal recebido. O sinal do híbrido é uma mistura composta do sinal transmitido, sinal recebido e ruído.
O primeiro estágio do filtro receptor é um filtro anti-informação falsa que atenua os ruídos de alta freqüência, antes da amostragem ocorrer.
O sinal passa, então, para o segundo filtro, onde o ruído e outros tons transmitidos são separados do sinal que se deseja processar.
Este consiste num filtro de 9 pólos comutado a capacitor que fornece pelo menos 60 dB de rejeição para o tom transmitido.
Ele também fornece uma elevada atenuação para o ruído de 60 Hz; um componente muito comum no ruído da linha telefônica.
O discriminador.
O primeiro estágio do discriminador é um limitador “hard”. Este limitador remove do sinal recebido qualquer modulação em amplitude que possa prejudicar o demodulador no sentido de alterar a marca ou espaço.
Ele compara a saída do filtro receptor com a tensão no capacitor de 100 nF no pino FTLC.
A saída deste limitador é conectada a dois filtros passa-bandas em paralelo.
Um filtro é sintonizado para a freqüência da marca e o outro, para a freqüência do espaço.
As saídas destes filtros são retificadas, filtradas e comparadas.
Se a saída do filtro demarca excede a saída do filtro de espaço, então o pino RXD vai ao nível alto.
Caso contrário, a saída vai ao nível baixo.
O demodulador é implementado com o uso de uma técnica de chaveamento por capacitor.
Comparadores altamente críticos no limitador e no discriminador com auto-zero permitem que se obtenha baixo offset.
Detector de portadora.
A saída do discriminador só será significativa se uma portadora de intensidade suficiente for recebida.
Isso é estabelecido no circuito de detecção de portadora que mede a intensidade do sinal na linha.
Se este nível excede um valor por um tempo pré-fixado (ajustado no pino CDT), a saída CD vai ao nível baixo, indicando que a portadora está presente.
O limite de detecção da portadora é de 3 dB abaixo do nível de referência.
Isso proporciona uma histerese que assegura que a saída CD se mantenha estável e se a portadora for perdida, a saída CD vai ao nível alto depois do intervalo pré-estabelecido e o limiar de detecção é acrescido em 3 dB.
Seção do modulador
O modulador consiste num sintetizador de freqüência e num sintetizador senoidal.
O sintetizador de freqüência produz um, entre quatro tons, dependendo do que há nos pinos O/A e TXD. As freqüências são sintetizadas com grande precisão graças a um oscilador a cristal e a um contador digital de dois módulos.
Os contadores usados respondem rapidamente às variações dos dados, introduzindo um deslocamento de bit desprezível e mantendo a coerência de fase.
O sintetizador de onda senoidal usa capacitores comutados para obter a forma final trecho por trecho.
O sinal amostrado é processado e comutado por capacitor e filtros contínuos para assegurar uma alta pureza espectral.
CIRCUITOS PRÁTICOS
Os níveis de potência transmitidos, dados na tabela, se referem à potência entregue a uma carga com 600 Ω a partir de uma fonte de 600 Ω.
A tensão na carga é metade da tensão TXA.
Isso pode ser levado em conta quando se projeta circuitos de interfaceamento em que não exista um casamento da impedância de carga com a impedância da fonte.
O nível de transmissão é programado pela colocação de um resistor entre o pino TLA et Vcc.
Com um resistor de 5k5 o driver de linha transmite um máximo de -9 dBm.
Como a maioria das linhas telefônicas na troca de dados introduz uma atenuação de 3 dB, o nível máximo alcançado na troca será de -12 dBm.
Este é o nível máximo permitido pela maioria das companhias telefônicas.
Assim, com esta programação, o MM74HC942 pode interfacear a maioria dos telefones.
Este arranjo é denominado “arranjo permitido".
A desvantagem deste arranjo é que, quando as perdas excedem 3 dB, nenhuma compensação é feita e a SNR (relação sinal/ruído) pode ser degradada desnecessariamente.
A SNR pode ser maximizada pelo ajuste do nível de transmissão até que ele, na troca de informações, alcance -12 dBm. Isso pode ser feito com a cooperação da companhia telefônica.
O resistor de programação usado deve ser específico para uma determinada instalação e, se possível, incluído no jaque do telefone na instalação.
O modem será, então, programável e pode ser usado com qualquer jaque corretamente ligado.
Este arranjo é denominado “universal registered jack“'e é possível com este integrada
Os valores dos resistores (tabela) necessários para programar o MM74Ho942 seguem a maioria dos códigos universais em uso.
AJUSTIE DO LIMIAR DE DETECÇAO DA PORTADORA
O limiar é diretamente proporcional à tensão no pino CDA. Este pino é ligado internamente a uma fonte de alta impedância que tem uma tensão nominal equivalente de Thevenin de 1,2 V e um impedância de saída de 100 k Ω.
Pela aplicação de tensão no pino CDA, o limiar de detecção pode ser ajustado.
Para encontrar a tensão necessária para um dado limiar, a seguinte equação deve ser usada:
VCDA =244 x VON
VCDA : 345 X VOFF
AJUSTE DO TEMPO DE DETECÇAO DA PORTADORA
CDT: um Capacitor no pino 4 fixa o intervalo de tempo em que a portadora deve estar presente antes que CD vá ao nível baixo.
Ele também fixa o intervalo de tempo que ocorre entre a remoção da portadora e a passagem de CD ao nível alto.
As equações são:
Tcdl = :6,4 X CDout
para CD indo ao nível baixo
Tcdh = 0,54 x Cdout
para CD indo ao nível alto
Onde TCDL e TCDH são dados em segundo e CCDT em pF.
PRECAUÇÕES COM O PROJETO
Na figura 2 temos um primeiro circuito de aplicação para um modem de dois fios.
Na figura 3 temos um segundo circuito para um modem de 4 fios.
Fontes de alimentação para circuitos digitais estão sujeitas a pulsos de corrente de alta intensidade e outros tipos de ruído.
Para otimizar o funcionamento deste integrado, é preciso a prevenção contra estes ruídos.
Isso envolve atenção quanto ao projeto da fonte de alimentação.
Um desacoplamento perto do componente é recomendado e elos de realimentação via terra devem ser evitados.
A velocidade dos 3 circuitos que apresentamos é de 300 baud* e tanto o capacitor CCDT como o resistor RTLA devem ser escolhidos de acordo com as características da linha.
Finalmente, na figura 4 temos o circuito completo, com acoplamento acústico à linha telefônica.
R1 e R2 fixam a eficiência do acoplamento acústico através do controle do ganho das etapas amplificadoras correspondentes.
Um LED serve como indicador de presença para a portadora de informações, e uma chave seleciona o modo de operação:transmissão ou recepção de dados.
O cristal é de 3,58 MHz e tanto a entrada como a saída de dados são compatíveis com as lógicas TTL e CMOS, conforme analisado neste artigo.
(*) Unidade de velocidade de fluxo de informações, igual a uma velocidade de fluxo de um elemento codificado por segundo.
