ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДВУХПОЛЯРНЫХ ТЕЛЕГРАФНЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНИЮ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области электросвязи, в частности к устройствам, обеспечивающим согласованную работу передатчиков оконечных установок документальной электросвязи с физическими линиями.
Предлагаемое устройство может быть использовано в телеграфном терминальном оборудовании, обеспечивающем обмен информацией по линейным цепям сигналами постоянного тока двух направлений в двухполюсном режиме. [ГОСТ Р 51026-97. Цепи внешние оконечных установок документальной электросвязи (стр.5, п.6.4), ГОСТ 22937-78. Цепи местные двухполюсные систем телеграфной связи и передачи данных (стр.5, п.3.7)].
Известно оптоэлектронное устройство сопряжения с линией для двухполюсного режима работы [Твердов Б.И. и др. «Телеграфная и факсимильная аппаратура. Справочник» М.: «Радио и связь», 1986 (стр.65, рис.4.29)], обеспечивающее передачу двухполярных телеграфных сигналов в линию связи, формируемых передатчиком дискретной информации.
Это устройство реализовано в первом, освоенном отечественной промышленностью, электронном телеграфном аппарате РТА-80. [Твердов Б.И. и др. «Телеграфная и факсимильная аппаратура. Справочник» М.: «Радио и связь», 1986 (стр.45-46)].
Известное устройство содержит логические микросхемы управления, два диодных оптрона, предназначенных для гальванической развязки телеграфного передатчика и линии связи, линейные ключи, выполненные по схеме составного транзистора и обеспечивающие формирование линейных токов двух направлений, диоды, источники линейных напряжений, два диодных оптрона, предназначенных для контроля работы источников линейных напряжений и контроля обрыва линейной цепи. Устройство обеспечивает высокую точность формирования двухполярных посылок с погрешностью по длительности не более 2% на скорости передачи 100 Бод.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, особенно проявляющимся при работе по физической (воздушной или кабельной) линии связи, где часто происходят короткие замыкания и возникают перенапряжения, вызывающие опасность перегрузки электронных ключевых элементов по току и выход их из строя [Копничев Л.Н. «Принципы построения аппаратуры для передачи дискретной информации». М., «Связь», 1972 (стр.68)].
Кроме того, при работе известного устройства на большую емкостную нагрузку (например, подключение к устройству нескольких кабельных линий с распределенной емкостью, превышающей допустимую), даже при отсутствии аварийного состояния линейной нагрузки, в линейных ключевых элементах появляются импульсные токи, амплитуда которых превышает допустимую. Это также приводит к снижению надежности устройства, так как резко уменьшается его ресурс.
3
Известно выходное телеграфное устройство, построенное с применением оптоэлектронных ключевых элементов, обеспечивающее передачу двухполярных телеграфных сигналов в линию связи [Авторское свидетельство СССР №1019658, М. Кл. Н 04 L 25/18 «Выходное телеграфное устройство», опубл. 23.05.83. Бюл. №19].
В этом устройстве, как и в ранее рассмотренном, при возникновении аварийных состояний линии, существенно снижается надежность его работы, что обусловлено перегрузкой оптоэлектронных ключевых элементов. Отсутствие же индикации аварийного состояния устройства исключает возможность контроля работоспособности устройства.
4
Известно выходное телеграфное устройство, обеспечивающее передачу двухполярных телеграфных сигналов в линию связи [Авторское свидетельство СССР №1172057, М. Кл. Н 04 L 25/18 «Выходное телеграфное устройство», опубл. 07.08.85. Бюл. №29], выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа), содержащее буферный ключ, вход которого подключен к выходу передатчика и входу инвертора, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, первый и второй формирователи выходного сигнала, выходы которых подключены соответственно к первым выводам первого и второго оптоэлектронных ключей, второй вывод первого оптоэлектронного ключа соединен с положительным полюсом первого источника линейного напряжения, отрицательный полюс которого подключен к первому выводу линейной нагрузки и положительному полюсу второго источника линейного напряжения, отрицательный полюс которого соединен со вторым выводом второго оптоэлектронного ключа, третий вывод которого подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого объединен с третьим выводом первого оптоэлектронного ключа и анодом светодиода оптоэлектронного элемента, блок индикации, второй элемент И.
В известном устройстве повышена точность формирования двухполярных телеграфных сигналов за счет возможности визуального контроля некоторых параметров передаваемого сигнала с помощью оптоэлектронного элемента и блока индикации.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы по длинным физическим линиям и недостаточная эффективность контроля аварийных состояний.
Первый недостаток обусловлен тем, что при аварийных состояниях линии связи (короткое замыкание, включение встречной линейной батареи или большой емкостной нагрузки) возможно возникновение токовых перегрузок (постоянных или импульсных) оптоэлектронных ключей. Кроме того, каждый раз при первичном включении устройства (подключение к сети питания), во время переходных процессов возможно появление состояния, при котором оба оптоэлектронных ключа оказываются одновременно открытыми на время переходных процессов. В этом случае возникает явление «сквозного тока», когда ток от одного источника линейного напряжения, через одновременно открытые оптоэлектронные ключи, протекает к другому источнику. При этом ток ограничен только малыми внутренними сопротивлениями ключей и прямым сопротивлением светодиода оптоэлектронного элемента и может достигать очень большой величины, что существенно сокращает эксплуатационный ресурс устройства.
Второй недостаток обусловлен тем, что аварийное состояние устройства оперативно не индицируется и, как следствие, отсутствует возможность своевременного принятия необходимых мер.
Целью полезной модели является повышение надежности устройства (за счет обеспечения быстродействующей электронной защиты от коротких замыканий, включения встречных линейных напряжений, а также исключения явлений «сквозного тока» во время переходных процессов при первичном включении электросети) и повышение эффективности контроля работоспособности (блок индикации информирует о готовности устройства к работе после его включения и об аварийном состоянии линейной нагрузки, хотя при этом исключается
аварийное состояние самого устройства).
Поставленная цель достигается тем, что в оптоэлектронное устройство для передачи двухполярных телеграфных сигналов в линию связи, содержащее буферный ключ, вход которого подключен к выходу передатчика и входу инвертора, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, первый и второй формирователи выходного сигнала, выходы которых подключены соответственно к первым выводам первого и второго оптоэлектронных ключей, второй вывод первого оптоэлектронного ключа соединен с положительным полюсом первого источника линейного напряжения, отрицательный полюс которого подключен к первому выводу линейной нагрузки и положительному полюсу второго источника линейного напряжения, отрицательный полюс которого соединен со вторым выводом второго оптоэлектронного ключа, третий вывод которого подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого объединен с третьим выводом первого оптоэлектронного ключа и анодом светодиода оптоэлектронного элемента, блок индикации, второй элемент И, введены RS-триггер, элемент ИЛИ, генератор установочных импульсов, элемент начальной установки, транзисторный ключ, два резистора, конденсатор и стабистор, анод которого подключен к катоду светодиода оптоэлектронного элемента, а катод соединен с анодом первого диода непосредственно и через параллельно включенные первый резистор и конденсатор соединен с анодом оптоэлектронного элемента, выход которого подключен ко входу транзисторного ключа, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу элемента начальной установки и входу генератора установочных импульсов, а выход элемента ИЛИ соединен с S-входом RS-триггера, R-вход которого подключен к выходу генератора установочных импульсов, причем вход первого формирователя выходного сигнала
соединен с выходом второго элемента И, первый вход которого подключен к выходу буферного ключа, а второй вход соединен с инверсным выходом RS-триггера и вторым входом первого элемента И, выход которого подключен ко входу второго формирователя выходного сигнала, при этом прямой выход RS-триггера соединен со входом блока индикации, а общая точка диодов через второй резистор подключена ко второму выводу линейной нагрузки.
Для минимизации структуры оптоэлектронных ключей при повышенной их нагрузочной способности по току линии, предпочтительно их выполнение на основе транзисторных оптронов, так как они могут работать со значительными токами коллектора фототранзисторов без применения дополнительных усилительных схем.
Для повышения скоростных возможностей устройства целесообразно оптоэлектронные ключи выполнять на основе диодных оптронов и усилителей фототока на основе транзисторов Дарлингтона (составной транзистор), поскольку диодные оптроны имеют самые малые времена переключения среди известных типов оптронов; транзисторы Дарлингтона, работая на границе насыщения, в свою очередь также имеют малые времена переключения, так как у них практически отсутствует время рассасывания неосновных носителей в базе.
Для повышения быстродействия включения защиты устройства от аварийных токов в линии при обеспечении высокой помехоустойчивости и температурной стабильности устройства, оптоэлектронный элемент необходимо выполнять на диодном оптроне, а транзисторный ключ - на основе биполярного транзистора n-р-n типа с коллекторной нагрузкой и фиксированным током базы, которая подключена к катоду фотодиода, а коллектор - через элемент ИЛИ к S-входу RS-триггера.
Для обеспечения самовосстановления работоспособности устройства после устранения аварийного состояния линейной нагрузки,
предпочтительно в качестве генератора установочных импульсов использовать управляемый автоколебательный релаксационный генератор импульсов (мультивибратор или блокинг-генератор), так как в таких генераторах можно получать последовательность импульсов, скважность которых легко может изменяться в широких пределах (от нескольких единиц до тысяч).
Для исключения «сквозных токов» через оптоэлектронные ключи необходимо, чтобы элемент начальной установки формировал импульс положительной полярности, исключающий в это время автоколебательный режим генератора установочных импульсов и обеспечивающий принудительную блокировку (выключенное состояние) оптоэлектронных ключей на все время (максимальное значение) переходных процессов в устройстве, при подаче напряжений питания на устройство.
Для обеспечения визуальной индикации аварийного состояния линии связи и повышения помехоустойчивости блока индикации, он содержит светодиодный индикатор и интегратор, который исключает «мигание» светодиодов в течение времени срабатывания защиты от аварии.
При организации многоканальной связи (когда передача информации осуществляется двухполярными телеграфными сигналами одновременно по большому количеству линий связи), целесообразно блок индикации и передатчик информации включать в состав ПЭВМ, монитор которой является устройством визуального отображения информации, вход одного из СОМ-портов ПЭВМ является входом блока индикации, а выход одного из СОМ-портов является выходом передатчика. В этом случае ПЭВМ может выполнять функцию автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора и обеспечивать взаимодействие одновременно с большим количеством абонентов через оптоэлектронные устройства, число которых соответствует числу линий связи при прямых соединениях (не коммутируемая сеть).
Предлагаемая полезная модель представлена на чертеже.
Оптоэлектронное устройство для передачи двухполярных телеграфных сигналов в линию связи содержит буферный ключ 1, вход которого подключен к выходу передатчика 2, инвертор 3, первый элемент И4, первый формирователь 5 выходного сигнала, второй формирователь 6 выходного сигнала, первый оптоэлектронный ключ 7, второй оптоэлектронный ключ 8, первый источник 9 линейного напряжения, линейную нагрузку 10, второй источник 11 линейного напряжения, первый диод 12, второй диод 13, оптоэлектронный элемент 14, содержащий светодиод 15, блок 16 индикации, второй элемент И17, RS-триггер 18, элемент ИЛИ 19, генератор 20 установочных импульсов, элемент 21 начальной установки, транзисторный ключ 22, первый резистор 23, второй резистор 24, конденсатор 25, стабистор 26. Транзисторный ключ 22 содержит биполярный транзистор 27 n-p-n типа с коллекторной нагрузкой 28 и резистор 29, фиксирующий ток базы, которая является входом ключа 22, а коллектор - выходом. Генератор 20 установочных импульсов представляет собой управляемый автоколебательный релаксационный генератор импульсов с большой скважностью следования импульсов, автоколебательный режим которого начинается после прекращения действия импульса начальной установки. Блок 16 индикации содержит интегратор 30 и светодиодный индикатор 31. Для обеспечения многоканальной передачи информации токами двух направлений передатчик 2 и блок 16 индикации конструктивно включаются в состав ПЭВМ 32, монитор которой является устройством 31 визуального отображения информации, вход одного из СОМ-портов ПЭВМ является входом блока 16 индикации, а выход одного из СОМ-портов является выходом передатчика 2.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
При первичном включении всех источников напряжения элемент 21 начальной установки формирует импульс положительной полярности определенной длительности, который через второй вход элемента ИЛИ 19 устанавливает RS-триггер 18 в состояние, при котором на его прямом выходе оказывается высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице (лог.1), а на его инверсном выходе - низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю (лог.0). Одновременно с этим, элемент 21 начальной установки воздействует на вход управляемого генератора 20 установочных импульсов, что исключает возникновение режима автоколебаний в генераторе 20 на все время действия импульса начальной установки. Лог.1 с прямого выхода RS-триггера 18 включает блок 16 индикации, а лог.0 с инверсного выхода RS-триггера 18 блокирует по вторым входам элементы И4 и И17, в результате чего формирователи 5 и 6 одновременно удерживают в выключенном состоянии оптоэлектронные ключи 7 и 8, что исключает возможность появления «сквозного тока» между источниками 9 и 11 на все время переходного процесса вне зависимости от выходного сигнала передатчика 2. После завершения работы элемента 21 начальной установки, управляемый генератор 20 установочных импульсов переходит в режим автоколебаний. С появлением на его выходе первого импульса лог.1, RS-триггер 18 изменяет свое состояние: лог.0 на прямом выходе выключает блок 16 индикации, а лог.1 на инверсном выходе снимает блокировку со вторых входов элементов И4 и И17. С этого момента времени оптоэлектронное устройство готово для передачи двухполярных телеграфных сигналов в линейную нагрузку.
При поступлении с выхода передатчика 2 лог.1, соответствующей стоповой посылке (сигнал положительной полярности в линии) на обоих входах элемента И17, а значит и на его выходе устанавливается лог.1, а на первом входе элемента И4 (за счет инвертора 3) и выходе элемента И4 -
лог.0. При этом формирователь 6 обеспечивает выключенное состояние оптоэлектронного ключа 8, а формирователь 5 - включенное состояние оптоэлектронного ключа 7, в результате чего в линейной нагрузке 10 от положительного полюса источника 9 линейного напряжения протекает линейный ток по цепи: ключ 7 - резистор 23 - диод 12 - резистор 24 - нагрузка 10 - отрицательный полюс источника 9. Этот ток формирует в линии посылку положительной полярности и заряжает положительным потенциалом распределенные емкости нагрузки 10. Если значение линейного тока положительного направления не превышает допустимой для линии величины (по ГОСТ 22937-78 не более 100 мА), то падение напряжения на резисторе 23 от этого тока является недостаточным для включения стабистора 26 и светодиода 15, поэтому светодиод 15 обесточен, транзистор 27 ключа 22 включен и насыщен (базовым током через резистор 29) и с выхода ключа 22 (с коллектора транзистора 27) лог.0 через элемент ИЛИ19 поступает на S-вход триггера 18, не изменяя его состояния.
При поступлении с выхода передатчика 2 лог.0, соответствующего стартовой посылке (сигнал отрицательной полярности в линии), оптоэлектронный ключ 7 выключается и отключает положительный полюс источника 9 линейного напряжения от нагрузки 10. При этом включается оптоэлектронный ключ 8 (так как теперь на обоих входах элемента И4 - лог.1) и осуществляет перезаряд распределенных емкостей нагрузки 10 током отрицательного направления от источника 11 линейного напряжения по цепи: положительный полюс источника 11 - нагрузка 10 - резистор 24 - диод 13 - резистор 23 - ключ 8 - отрицательный полюс источника 11. Этот ток формирует в линии посылку отрицательной полярности и заряжает отрицательным потенциалом распределенные емкости нагрузки 10. Если значение линейного тока отрицательного направления не превышает выше названной допустимой величины, то
падение напряжения на резисторе 23 от этого тока по-прежнему является недостаточным для включения стабистора 26 и светодиода 15, поэтому на выходе ключа 22 сохраняется лог.0, а состояние триггера 18 не изменяется.
Непрерывная работа передатчика 2 вызывает противофазные переключения оптоэлектронных ключей 7 и 8, при этом времена перезаряда распределенных емкостей нагрузки 10 на переднем и заднем фронтах двухполярного сигнала очень близки друг к другу, так как выходные сопротивления устройства при формировании стоповой и стартовой посылок определяются одними и теми же элементами (в основном последовательно включенными резисторами 23 и 24). Это позволяет получить малую асимметрию переднего и заднего фронтов двухполярных сигналов для любых линейных нагрузок в широком диапазоне скоростей передачи информации.
В случае возникновения аварийного состояния нагрузки на любой стадии формирования двухполярного сигнала (короткое замыкание нагрузки, встречное включение внешней батареи, большая величина распределенной емкости) на резисторе 23 (после заряда интегрирующей емкости 25) выделится напряжение, величина которого будет достаточна для включения стабистора 26 и светодиода 15. В цепи светодиода 15 появится ток, который вызовет появление тока фотодиода оптоэлектронного элемента 14, шунтирование (или подачу отрицательной вентильной фотоэдс) базовой цепи транзистора 27 ключа 22, выключение транзистора 27, в результате чего лог.1 с выхода ключа 22 через элемент ИЛИ 19 изменит по S-входу состояние триггера 18: лог.0. на инверсном выходе триггера 18 блокирует по вторым входам элементы И4 и И17, а формирователи 5 и 6 одновременно выключат оптоэлектронные ключи 7 и 8, что исключит их перегрузку по току. Одновременно с этим лог.1 с прямого выхода триггера 18 включит светодиодный индикатор 31 в блоке 16 индикации, что будет сигнализировать об аварийном состоянии
линейной нагрузки 10 (хотя при этом ни один элемент устройства не будет находиться в аварийном режиме).
Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока на R-вход триггера 18 не поступит импульс лог.1 с выхода генератора 20, работающего в автоколебательном режиме с большой скважностью. Триггер 18 установится в состояние, при котором устройство восстановит возможность переключения ключей 7 и 8 по сигналам передатчика 2 и, соответственно, появится возможность передачи информации в линейную нагрузку 10. При этом выключается индикатор 31 в блоке 16 индикации.
Если после восстановления возможности переключения ключей 7 и 8 линейная нагрузка 10 будет продолжать оставаться в аварийном состоянии, то по описанной выше схеме ключи 7 и 8 одновременно выключатся.
Фактически управляемый генератор 20 установочных импульсов совместно с RS-триггером 18 осуществляют опрос состояния линейной нагрузки 10 через достаточно большие интервалы времени, которые определяются частотой следования импульсов с генератора 20 (как правило, период следования импульсов рекомендуется выбирать равным нескольким секундам).
Следует отметить, что алгоритм работы оптоэлектронного устройства построен так, что при первичном включении питающих напряжений, на некоторое время включается блок индикации (даже при отсутствии аварии в линии), что подтверждает работу элементов защиты от «сквозных токов» и аварии линии. Последующее же выключение блока индикации свидетельствует о переходе в автоколебательный режим управляемого генератора установочных импульсов, что подтверждает работу элементов устройства, обеспечивающих самовосстановление его работоспособности после устранения аварии в линии. Анализ рассмотренного алгоритма работы блока индикации показывает, что в
устройстве достигается не только повышение эффективности контроля аварийных состояний, но и фактически обеспечивается предупредительный контроль работоспособности устройства при каждом его включении, что снижает трудозатраты на проведение регламентных работ.
Как следует из описания, конденсатор 25 задерживает блокировку ключей 7 и 8 при возникновении аварийного состояния, поэтому величина его емкости не должна быть большой. С другой стороны, номинал емкости конденсатора 25 должен быть достаточным, чтобы исключить ложные срабатывания защиты устройства от импульсных токов нагрузки, обусловленных перезарядом распределенных емкостей линий связи. Поэтому при выборе величины емкости конденсатора 25 должен быть найден компромисс.
Возможность использования в качестве передатчика 2 и блока 16 индикации ПЭВМ 32, позволила создать и испытать опытный образец автоматизированного рабочего места (АРМ) на 32 двухполюсных канала передачи информации. (Опытный образец содержит одну ПЭВМ и 32 устройства для передачи двухполярных сигналов). Испытания опытного образца АРМ полностью подтвердили на большом количестве устройств достижение поставленных целей.
Структура оптоэлектронного устройства создает предпосылки для реализации нескольких таких устройств в виде одной гибридной интегральной микросхемы по бескорпусной технологии.
Качественное улучшение основных показателей устройства для передачи двухполярных сигналов позволяет использовать его с высокой эффективностью в многоканальных автоматизированных системах передачи дискретной информации.