DE2844304A1

DE2844304A1 - Telefon-interface-schaltung

Info

Publication number: DE2844304A1
Application number: DE2844304A
Authority: DE
Inventors: Wilfried W Olschewski
Original assignee: Burr Brown Research Corp
Current assignee: Texas Instruments Tucson Corp
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-10-11
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2005963A; US4142075A; JPS593915B2; FR2406358A1; JPS57118465A; GB2005963B; GB2060315A; JPS5464912A; GB2060315B; JPS6219105B2; FR2406358B1; JPS57118466A

Description

1A-2614

^ 6-

BURR-BROWN RESEARCH CORPORATION, Tucson, Arizona, U.S.A.

Telefon-Interface-Schaltung

Die Erfindung betrifft eine Telefon-Schaltung und Techniken zur Umwandlung von ZweirichtungsSignalen auf einem zwei Drähte umfassenden Kabel in Einrichtungssignale in einem Vier-Drähte-Schaltsystem.

Im folgenden seien die wichtigen Funktionen und Elemente von Nebenstellen-Schaltungen erläutert. Zunächst sind Hochspannungsschutzeinrichtungen erforderlich, welche die Übertragung der Sprechsignale auf ein Vier-Drähte-Schaltsystem bzw. von einem Vier-Drähte-Schaltsystem erlauben und das elektronische Schaltsystem Cd. h. das PABX) schützen. Die in zwei Richtungen verlaufenden Signale des Zwei-Drähte-Telefonkabels müssen mittels eines Zwei-zu-vier-Drähte-Wandlers getrennt werden. Die Stromversorgungsschaltung muß den Telefonapparat mit Gleichstrom speisen. Die Gleichstromschaltung muß gegen Kurzschlüsse des Zwei-Drähte-Kabels geschützt sein. Eine Klinge!schaltung ist erforderlich, welche die Klingeleinrichtung des Telefonapparats aktiviert, wenn ein Klingelbefehl vom elektronischen Schaltsystem gegeben wird. Schließlich ist noch eine Einrichtung zur Statuserfassung erforderlich, welche eine Änderung des Status des Telefonapparates anzeigt, z. B. das Auflegen oder Abnehmen des Telefonhörers.

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Es wurde vorgeschlagen, modulierte Stromquellen zu verwenden, um das Zwei-Drähte-Kabel mit Gleichstrom zu speisen und das ankommende Sprechsignal zu reproduzieren und auf diese Weise das von der Hörmuschel des Telefonapparates zu empfangende Signal zu erzeugen. Dieses vorgeschlagene System verwendet jedoch einen 600 Ohm-Kabelabschluß und dies führt zu einer Dämpfung des Mikrofonausgangssignals als Funktion der Kabellänge. Das bisher vorgeschlagene System verwendet Opto-Koppler, deren Signalübertragungscharakteristika der Lichtemissionseffizienz der lichtemittierenden Dioden direkt proportional sind. Diese Systeme können nicht innerhalb der Toleranzen von Telefon-Nebenstellensystemen arbeiten> da die derzeit zur Verfügung stehenden lichtemittierenden. Dioden eine inherente Instabilität haben.

Eine Nebenstellen-Interface-Schaltung erfordert eine geringe Echo-Rückkehr. Eine Echo-Rückkehr tritt auf, wenn ein Teil des Sprechsignals, welches vom elektronischen Schaltsystem empfangen wird zum elektronischen Vier-Drähte-Schaltsystem zurückgeführt wird, und zwar als Komponente des Mikrofon-Ausgangssignals, welches dem elektronischen Schaltsystem zugeführt wird.

Normalerweise sind teure Hochspannungsrelais erforderlich, um die Interface-Schaltung vom Zwei-Drähte-Kabel zu isolieren, so daß man die Klingelschaltung des Telefonapparates ansprechend auf einen Klingelbefehl vom Vier-Drähte-Schaltsystem mit der Klingelspannung beaufschlagen kann. Die Spannung mit der die Klingelschaltung beaufschlagt wird, beträgt normalerweise etwa 90 V RMS bei 20 Hz und kann bis zu 120 V betragen. Aus diesem Grunde sind Hochspannungsrelais erforderlich, um zu verhindern, daß das Klingelsignal die Interface-Schaltung beschädigt. Statische Entladungen auf der Leitung, welche zu Funkenüberschlägen über die Relais führen würden, müssen aus den Schaitsystemen herausgehalten werden.

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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einekosten- · günstige Telefon-Interface-Schaltung mit reduzierten Abmessungen zu schaffen, welche sich als Interface zwischen einem üblichen Telefonapparat und einem elektronischen Schaltsystem eignet.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Interface-Schaltung zu schaffen, welche Opto-Koppler verbesserter Stabilität verwendet und welche Signale überträgt, die unabhängig sind von der Emissionseffizienz der lichtemittierenden Dioden der Optokoppler.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Telefon-Interface-Schaltung zu schaffen, bei der die Echo-Rückkehr auf ein Minimum herabgedrückt ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Telefon-Interface-System zu schaffen, welches eine vereinfachte und verbilligte Klingeleinfügungsschaltung sowie Statuserfassungsschaltung ohne Verwendung von Relais umfaßt.

Bei vorliegender Erfindung handelt es sich um eine Halbleiter-Interface-Schaltung zum Übertragen und Empfangen von Informationen zwischen einem Telefonapparat und einer Schaltanlage. Die Interface-Schaltung umfaßt Stromquellen zur Versorgung des Telefonapparats über ein Zwei-Drähte-Kabel mit Gleichstrom. Die Stromquellen werden durch ein Audiosignal moduliert, welches vom Viert-Drähte-Schaltsystem empfangen wird. Ein Verstärker hoher Impedanz ist mit dem Zwei-Drähte-Kabel verbunden und stellt ein Ausgangssignal bereit, welches eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente umfaßt, die beide eine Funktion des Leitungswiderstandes und daher der Kabellänge sind. Das vom Schaltsystem empfangene Audiosignal und das Ausgangssignal des Verstärkers erzeugen Eingangssignale für eine invertierende

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Analogmultiplizierschaltung. Das Ausgangssignal der Analogmultiplizierschaltung stellt ein Signal dar, welches dem Komplement des Signals des Schaltsystems, multipliziert mit einem dem Leitungswiderstand proportionalen Faktor gleich ist. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung umfaßt eine Komponente, welche vom Audiosignal abgeleitet ist, das vom Schaltsystem empfangen wird und es hat eine der Kabellänge proportionale Amplitude. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung und das Ausgangssignal des Verstärkers werden mit einem Summierknotenpunkt eines Operationsverstärkers gekoppelt, so daß die Komponente des Audiosignals vom Schaltsystem am Summierknotenpunkt ausgelöscht wird. Differential-Opto-Koppler-Schaltungen werden verwendet, um die Audiosignale vom Schaltsystem zu koppeln und die Stromquellen zu modulieren und um die Mikrofonsignalspannung mit dem Vier-Drähte-Schaltsystem zu koppeln. Ein Steuersignal vom Schaltsystem für die Gleichstromklingeleinfügung wird vom Vier-Drähte-Schaltsystem über einen der Differential-Opto-Koppler mit einem Ausgang der Interface-Schaltung gekoppelt, so daß die Stromquellen abgeschaltet werden und der Rest der Interface-Schaltung vom Kabel getrennt wird. Gleichstrom-Statussignale des Telefonapparates werden über die andere Differential-Opto-Koppler-Schaltung dem Schaltsystem zugeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Nebenstellenschaltung; Fig. 2 eine vereinfachte schematische Schaltung eines Differential-Opto-Koppler-Systems für die Schaltungen gemäß den Figuren 4 und 5;

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Fig. 3 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Gleichstromeinspeisungssystems und eines Sprechsignalerfassungssystems für die Erfindung;

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung;

Fig. 5 ein Detailschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Halbleiterpakets zur Unterbringung der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung.

Zunächst soll die Nebenstellenschaltung gemäß Fig. 1 beschrieben werden, welche allgemein mit 10 bezeichnet ist. Sie umfaßt einen Telefonapparat 12, eine Klingelsignaleinfügungsschaltung 14, eine Gleichstromversorgungsschaltung 15 und eine Statusdetektorschaltung 16 zur Erfassung des Status des Telefonhörers. Ein Zwei-auf-vier-Drahtwandler mit hybrid-integriertem Aufbau ist einerseits über zwei Drähte mit dem Telefonapparat 12 verbunden und andererseits mit einem Vier-Draht-Schaltsystem mit zwei Drähten 21, 22 für die vom Mikrofon des Telefonapparates 12 gesendeten Sprechsignale und mit zwei Drähten 24, 25 für die ankommenden und der Hörmuschel zugeführten Sprechsignale· Die ausgesandten und die ankommenden Signale durchlaufen jeweils eine Hochspannungsschutzschaltung und ein Filter. In einer Codier/Decodier-Schaltung erfolgt die Codierung in PCM-Signale oder Decodierung der ankommenden PCM-Signale.

Es soll zunächst der Aufbau eines Differential-Opto-Kopplers beschrieben werden. Der Grundaufbau eines Differential-Opto-Kopplersystems ist in Fig. 2 gezeigt. Ein solches Opto-Kopplersystem kann anstelle des derzeit verwendeten teuren und groß dimensionierten Transformators eines Zwei-auf-vier-Drahtwandlers verwendet werden. Der Differential-Opto-Koppler gemäß Fig. 2 bildet eine Ausgangsspannung

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welche eine Replikation der Eingangsspannung V. darstellt. Die Spannung V ist jedoch von der Eingangsspannung V-vollständig isoliert, so daß ein großer Spannungsstoß, welcher an den Eingängen des Operationsverstärkers 26 induziert wird, nicht zu einer Beschädigung der mit dem Punkt 32 verbundenen Schaltung führt.

Ein Differential-Opto-Koppler arbeitet folgendermaßen: Die lichtemittierende Diode 28 wird durch einen Operationsverstärker 26 gespeist. Bei den Photodioden 27 und 28 handelt es sich um angepaßte Fotodioden, welche derart angeordnet sind, daß sie gleiche Mengen des von der lichtemittierenden Diode 28 emittierten Lichtes empfangen. Die Photodiode 27 dient zum Schließen einer Rückkopplungsschleife rund um den Operationsverstärker 26, derart, daß der Operationsverstärker 26 ständig steigende Ströme in die lichtemittierende Diode 28 einspeist bis I. = 1.+I₅^ äußerst nahe bei Null liegt, da der Operationsverstärker eine nahezu unendliche Eingangsimpedanz aufweist.

Die Photodiode 29 dient dazu, einen Strom, welcher gleich dem Strom durch die Photodiode 27 ist, dem Operationsverstärker 33 zuzuführen. Dieser wirkt zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand 39 als ein Stromspannungswandler. Die Ausgangsspannung V steigt oder fällt bis I₂, d. h. der Strom durch die Fotodiode 29, gleich dem Strom durch den Rückkopplungswiderstand 39 ist, so daß Ig₂ gleich Null ist. Nunmehr ist V stabilisiert. Man erkennt, daß die Übertragungsfunktion des Differential-Opto-Kopplers der Fig. der folgenden Gleichung entspricht:

^Vout ■ CVV ^Vin·

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28U304

Da die obige Gleichung keinen Term enthält, welcher proproportional der Lichtemissionseffizienz der lichtemittierenden Diode 28 ist, so ist die Stabilität der lichtemittierenden Diode 28 nicht kritisch für die Signalübertragungscharakteristik des Differential-Opto-Kopplers der Fig. 2.

Fig. 3 veranschaulicht das Grundkonzept einer elektronischen Verwirklichung der Gleichstrom-Speisefunktion zum Betrieb eines Telefonapparates. Die Stromquellen 43 und 44 haben jeweils eine Ausgangsimpedanz von mehreren Kilo-Ohm, welche dargestellt ist durch Widerstände 43' bzw. 44". Man erhält eine konstante Gleichstromkomponente des Stroms durch die Kabeldrähte 18 bzw. 19, wodurch der Telefonapparat 12' mit Strom versorgt wird. Das Bezugszeichen 12' bezeichnet genauer gesprochen die Hörmuschel und das Mikrofon des Telefonapparates. Das Mikrofon und die Hörmuschel sind miteinander verbunden und haben einen kombinierten Gleichstromwiderstand von annähernd 200 Ohm, welcher durch den Widerstand 36 dargestellt ist. Die Stromquelle 43 ist am Anschluß 40 mit einer Stromversorgung von -48 V verbunden. Die Stromquelle ist mit einem Erdleiter 41 verbunden. Widerstände 48 und koppeln die Stromquellen 43 bzw. 44 mit den Drähten 18 bzw. Es handelt sich dabei um Leistungswiderstände, welche die mit den Punkten 45 bzw. 46 verbundenen elektronischen Einrichtungen vor Stromstößen schützen sowie vor den Klingelspannungen, welche auf die Leitungen 18 und 19 induziert werden oder an die Leitungen 18 und 19 angelegt werden. Die Leitungswiderstände sind durch Widerstände 37 und 38 dargestellt. Sie können Werte von 0 bis 500 0hm haben. Der maximal zulässige Leitungswiderstand einer Telefonanschlußschnur beträgt 1000 0hm.

Der Telefonapparat ist an den Anschlüssen 42 und 47 angeschlossen. Die Verwendung der Stromquellen zur Gewinnung einer konstanten Gleichstromkomponente für den Telefon-

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apparat führt zu einer stabilen Gleichspannung an den Anschlüssen 42 und 47. Dies führt zu einer gleichförmig niedrigen Verlustleistung sowohl im Telefonapparat als auch in der Gleichstromspeiseschaltung. Der zuvor erwähnte große Effekt einer Änderung des Leitungswiderstandes auf die Gleichspannung und auf die Verlustleistung des Telefonapparates wird daher vermieden.

Fig. 3 zeigt ein Äquivalentschaltbild. Diese veranschaulicht, wie das Tonsignal, welches vom Vier-Draht-Schaltsystem empfangen wird, in das Zwei-Draht-Kabel 18, 19 eingespeist wird. Diese Funktion wird verwirklicht mittels einer Äquivalentwechselstromquelle 50, welche zwischen den Punkten 45 und 46 liegt. Demgegenüber wird bei herkömmlichen Systemen das Tonsignal von einer 600 Ohm-Tonsignalquelle im Vier-Drähte-Schaltsystem in die Primärwicklung eines Transformators eingespeist, dessen Sekundärwicklung zwischen den Punkten 45 und 46 liegt.

Die Verwendung einer Äquivalent-Stromquelle 50 zur Bereitstellung eines Wechselstrom-Tonstromsignals i_R im Zwei-Drähte-Kabel 18, 19 eliminiert die Stromänderungen aufgrund von Änderungen des Leitungswiderstandes 37 und 38. Es wird daher ein gleichförmiges und stabiles Spannungssignal im Telefonapparat empfangen unabhängig von der Länge des Anschlußkabels. Der Wert des Stroms in sollte derart eingestellt werden, daß es zur gleichen Signalstärke in der Hörmuschel führt wie bei dem herkömmlichen Transformator-Audiospeisesystem. Ein Wert i_R= 1,29 Milliampere (RMS) entspricht einem Signalpegel von 0 dBm im herkömmlichen 600 0hm-System.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte elektronische Verwirklichung der Funktion der Erfassung des Tonsignals, welches durch

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das Mikrofon eines herkömmlichen Telefonapparates 12' erzeugt wird. Ein Differentialverstärker 52 hoher Impedanz ist mit seinen Eingängen an den Punkten 45 und 46 angeschlossen. Es ist normalerweise erwünscht, daß der Differentialverstärker 52 eine Hochspannungsschutzfunktion erfüllt, so daß die mit dem Ausgang 53 verbundenen Schaltungen nicht durch Stromstöße beschädigt werden, welche in dem aus zwei Drähten bestehenden Kabel 18,19 auftreten können. Die Verwendung eines Verstärkers 52 mit hoher Eingangsimpedanz erlaubt die Eliminierung des gewöhnlichen 600 Ohm-Abschlußwiderstandes welcher bei herkömmlichen Transformatorsystemen verwendet wird. Demzufolge erzielt man eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich der Änderung des Mikrofonausgangssignals zwischen den Punkten 45 und 46. Diese Verbesserung kommt zustande, da es nicht zu einer Spannungsteilung zwischen dem Leitungswiderstand und dem (nunmehr eliminierten)600 Ohm-Abschlußwiderstand kommt. Demzufolge wird der Einfluß der Leitungslänge und des damit verbundenen Leitungswiderstandes (angedeutet durch die Widerstände 37 und 38) eliminiert. Die Wirkung der Eliminierung des 600 Ohm-Abschlußwiderstandes ist relativ unbedeutend bei Leitungslängen von bis zu mehreren km, da die Wellenlänge des Signals höchster Frequenz (3,4 kHz) im Durchlaßbereich etwa 85 km beträgt. Das in dB ausgedrückte Übersprechen (unter dem Tonsignal) bleibt unverändert, da sowohl der Tonpegel als auch der Aufnahmepegel bei langen Leitungen in gleichem Maße steigen.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Äquivalentschaltbild der Erfindung für minimale Echo-Rückkehr. Bei der Schaltung der Fig. 4 beruht die Kompensation der Echo-Rückkehr auf der Kabellänge, d. h. auf dem Wert des Kabelwiderstandes, welcher durch die Widerstände 37 und 38 in Fig. 3 angedeutet ist. In Fig. 4 sind die Leitungswiderstände 37 und 38 und der Widerstand des Telefonapparates 36 zusammengefaßt und durch den Widerstand 36' wiedergebeben. Die Widerstände

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48 und 49 in Fig. 4 dienen als Stromstoßschutzwiderstände. Sie tragen in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen. Bei der· Schaltung der Fig. 4 ist der Mikrofonsignalverstärker zur Erfassung des Tons oder der Stimme unter Verwendung eines Differential-Opto-Kopplers 52' verwirklicht. Dabei handelt es sich um eine Schaltung gemäß dem Prinzip der Fig. 2, welche oben erläutert wurde. Fig. 4 zeigt im einzelnen die Methode der Umwandlung des Signals v_R, welches vom Vier -Drähte-Schaltsystem empfangen wird, zur Bereitstellung des empfangenen Audxospeisesignals i_R, welches in Fig. 3 durch die Stromquelle 50 dargestellt ist.

Bei Fig. 3 handelt es sich lediglich um eine Äquivalentschaltung. Die tatsächliche Schaltung ist deutlicher in Fig. 4 gezeigt. Es wird ein zweiter Opto-Koppler 55 verwendet; dessen Eingang ist mit dem Anschluß 23 verbunden. An diesem Anschluß 23 liegt das Signal v_R an, nämlich das Tonsignal, welches vom Vier-Drähte-Schaltsystem empfangen wird. Bei dem Verstärker A₂ der zweiten Stufe des Differential-Opto-Kopplers 55 handelt es sich um einen Strom-Strom-Verstärker. Dieser erfüllt die Funktion einer Stromquelle 50, welche das empfangene Tonsignal in Form eines Stroms i_R dem Telefonapparat über die beiden Drähte 18, 19 zuführt.

Es sollte bemerkt werden, daß in Fig. 4 die beiden Drähte 17, 18 des Kabels einem Signalfluß in zwei Richtungen dienen. Das Signal v_R, welches vom Vier-Drähte-Schaltsystem ankommt, wird in einen Strom umgewandelt, welcher durch das Zwei-Drähte-Kabel 17, 18 der Hörmuschel des Telefonapparates zugeführt wird. Das durch das Mikrofon des Telefonapparates erzeugte Tonsignal wird über die Drähte 17 und 18 übertragen und vom Verstärker 52' empfangen. Die Echo-Rückkehr wird auf ein Minimum gebracht durch Auslöschung irgendwelcher Komponenten Vp im Kabel. Das Tonsignal V_T wird über eine Leitung auf das Vier-Drähte-Schaltsystem übertragen. Die Signale

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der Leitungen 23 und 72 laufen in nur einer Richtung. Die Erdleitungen sind in Fig. 4 nicht dargestellt. Es wird jedoch angemerkt, daß die Schaltung gemäß Fig. 4 den Zwei-auf-vier-Drähtewandler umfaßt, wobei zwei Drähte geerdet sind.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 4 erläutert werden, und zwar insbesondere im Hinblick auf die Minimierung des Echo-Rückkehrsignals. Insbesondere soll der Signalfluß von v_R durch den Differential-Opto-Koppler 55, den Differential-Opto-Koppler 52' und die restliche Schaltung bis zur Leitung 72 erläutert werden. Die Gleichstrom-Speisespannung V^ zwischen den Punkten 45 und 46 wird durch den Differential-Opto-Koppler 42' verstärkt, wie oben anhand von Fig. 2 erläutert wurde. Da die Impedanz der Analog-Multiplizierschaltung 63 hoch ist, und da die Differential-Opto-Koppler-Schaltung 52' derart ausgelegt ist, daß sie einen Einheits-Verstärkungsfaktor (Verstärkungsfaktor 1) aufweist, und da die Schaltung 52' sowohl als Wechselstromverstärker als auch als Gleichstromverstärker wirkt, erscheint am Punkt 60 eine Spannung, welche gleich Vg ist. Die Leitung 23 ist mit dem anderen Eingang der Analog-Multiplizier-Schaltung 63 verbunden. Daher ist die Größe der Spannung, welche an ihrem Ausgang erscheint, gleich dem Produkt von v_R und Vg, wobei das Ausgangssignal jedoch in Bezugs auf v_R invertiert ist und daher um 180 ° außer Phase mit v_R ist. Die Größe der Spannung Vq ist proportional dem Leitungswiderstand, welcher in Fig. 3 durch die Widerstände 37 und 38 wiedergegeben ist, da die Gleichströme I_gl und I₅₂ konstant sind. Daher wird das sich außer Phase befindende Signal am Punkt 64 durch einen Faktor multipliziert, welcher direkt der Leitungslänge oder dem Leitungswiderstand der zum Telefonapparat führenden Leitung entspricht.

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Der Kondensator 60' und der Widerstand 67 filtern die Tonsignalkomponenten der Kabelspannung aus dem Kabelsignal heraus und es wird am Verzweigungspunkt 66 ein Gleichstromsignal gebildet. Die Wechselstromkomponenten des Signals am Punkt 53 werden jedoch direkt über einen Kondensator 65 mit dem Punkt 61 gekoppelt, während die Gleichstromkomponenten durch den Kondensator 65 blockiert werden. Die Widerstände 68 und 69 werden derart gewählt, daß die Komponente v_R zwischen den Punkten 45 und 46, welche am Punkt 53 reproduziert wird, mit dem Punkt 61 gekoppelt wird und schließlich am Punkt 73 durch das am Analogmultiplizierschaltungsausgang 64 erzeugte Signal ausgelöscht wird. Da das am Punkt 64 erzeugte invertierte Signal erhalten wurde durch Multiplizieren von v_R am Punkt 23 mit einer Gleichspannung, welche mit dem Leitungswiderstand variiert (und zwar genau in der gleichen Weise, in der die Komponente Vn am Punkt 61 mit dem Leitungswiderstand variiert) so erfolgt die Auslöschung am Summierpunkt 73 präzise über einen weiten Bereich von Leitungslängen. Demzufolge stellt das Tonsignal V₁J, auf der Leitung 72 ausschließlich das Mikrofonausgangssignal des Telefonapparats 12 dar.

Eine Detailschaltung der erfindungsgemäßen Interface-Schaltung ist in Fig. 5 gezeigt. Das auf der Leitung 23 vom Vier-Drähte-Schaltsystem empfangene Audiosignal Vn wird über einen Eingangsverstärker-Widerstand 75 dem Punkt 80 zugeführt, welcher mit dem Eingang des Operationsverstärkers 5 5A verbunden ist. Ein Differential-Opto-Koppler-System, ähnlich demjenigen der Fig. 2 wird gebildet durch den Operationsverstärker 55A, die lichtemittierende Diode 76, die Dioden und 79, eine Schaltung mit Stromspiegeltransistoren 82 und 105 und Stromquellentransistoren 83 und 104. Der in Fig. 2 gezeigte zweite Verstärker A₉ ist in Fig. 5 als Strom-zu-Strom-Wandler ausgeführt und nicht als Strom-zu-Spannungs-Wandler.

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Der Stromfluß durch die lichtemittierende Diode 76 hat sowohl eine Gleichstromkomponente als auch eine Wechselstromkomponente. Die Gleichstromkomponente wird bestimmt durch den der Vorspannung dienenden Gleichstrom, welcher von der Spannungsreferenzschaltung 109 in den Punkt 80 fließt. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, z.B. durch Verwendung einer üblichen Zenerdioden-Referenzspannungsschaltung. Der Widerstand 108 beeinflußt den der Vorspannung dienenden Gleichstrom, welcher von der Referenzschaltung 109 gebildet wird und vom Punkt 123 zum Punkt 80 fließt. Auf diese Weise wird die Gleichstromkomponente der Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers 55A beeinflußt und somit auch die Gleichstromkomponente des durch die lichtemittierende Diode 76 fließenden Stroms. Das durch die lichtemittierende Diode 76 emittierte Licht aktiviert die Photodioden 78 und 79, so daß diese Gleichstrom erzeugen. Die Photodiode 78 schließt eine Schleife um den Operationsverstärker 55A wie zuvor anhand der Fig. 2 erläutert wurde und stabilisiert die Gleichstromkomponente der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 55A, wodurch auch der Strom durch die Photodiode 79 stabilisiert wird.

Der Strom durch die Photodiode 7 9 fließt durch Stromspiegeltransistoren 82 und 105. Hierdurch werden in den Transistoren 83 bzw. 104 proportionale Gleichstromkomponenten gebildet. Die Kollektoren der Transistoren 83 und 104 sind mit den Punkten 45 bzw. 46 gekoppelt. Die Ströme durch die Transistoren 83 und 104 können z. B. 20 bis 24 Milliampere betragen. Dies führt zu einer Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 45 und 46 von 4 bis 24 V, je nachdem, ob der Gesamtleitungswiderstand sehr nahe bei Null liegt Ckurze Leitung) oder sehr nahe bei 1000 0hm liegt (maximale Kabellänge) oder dazwischen. Die obige Gleichspannungsdifferenz liegt symmetrisch um etwa -24 V, nämlich dem Mittelpunkt einer üblichen -48 V Spannungsquelle, welche bei Telefonsystemen Anwendung findet.

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Ein Teil des Sprechsignals oder Tonsignals v_R, welches am Punkt 80 anliegt, wird durch den Eingangswiderstand 75 zur Festlegung des Verstärkungsfaktors beeinflußt. Ansprechend auf die Wechselspannungskomponente am Punkt 80 moduliert der Operationsverstärker 55A die Spannung an seinem Ausgang. Hierdurch wird auch der zuvor etablierte Gleichstrom durch die lichtemittierende Diode 76 moduliert. Hierdurch wiederum wird der Strom durch die Photodiode 79 moduliert. Demzufolge bewirken die modulierten Ströme durch die Stromspiegeltransistoren 82 und 105 eine Modulation des Stroms in den beiden Leitungen 17, 18 und zwar gemäß dem empfangenen Tonsignal oder Sprechsignal v_R. Somit kommt es zu einer entsprechenden Änderung der Spannung zwischen den Punkten 45 und 46.

Man erkennt somit, daß der Wechselstrom in den beiden Leitungen, welcher durch die Stromquelle 50 in den Figuren 3 und 4 erzeugt wird, bei der Schaltung gemäß Fig. 5 durch Modulation der Gleichströme durch die Gleichstromquellen 43 und 44, welche den Transistoren 83 und 104 in Fig. 5 entsprechen, zustande kommt.

Die Audiospannung an den Punkten 18' und 17' umfaßt sowohl das Sprechsignal oder Tonsignal, welches durch das Mikrofon des Telefonapparats 12 erzeugt wird, als auch die auf v_R zurückgehende Komponente, welche durch Modulation der Ströme durch die Transistoren 83 und 104 gebildet wird. Diese Audiospannung liegt an den Eingängen des Operationsverstärkers 52A an.

Die Operationsverstärker 52A und 52B, die lichtemittierende Diode 88 und die Photodioden 89 und 90 bilden einen zweiten Differential-Opto-Koppler. Der Operationsverstärker 52A bildet einen Strom mit einer Gleichstromkomponente, welche der Gleichspannungsdifferenz zwischen den Punkten 45 und 46 entspricht und mit Wechselstromkomponenten, welche sowohl der Mikrofonausgangsspannung als auch v_R entsprechen.

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Dieser Strom fließt durch die lichtemittierende Diode Die Größe des Stroms wird durch den Ausgang des Operationsverstärkers 52A gesteuert. Die Photodiode 90 absorbiert den über Widerstände 85 und 86 zugeführten Strom und schließt eine Rückkopplungsschleife rund um den Operationsverstärker 52A, wie zuvor anhand der Fig. 2 erläutert wurde. Hierdurch wird der Strom durch die lichtemittierende Diode 88 stabilisiert. Eine gleiche Strommenge fließt durch die lichtemittierende Diode 89 und treibt den Verstärker 52B. Dieser erzeugt eine Ausgangsspannung v_T, welche das durch das Mikrofon des Telefonapparates 12 erzeugte Tonsignal oder Sprechsignal darstellt. v™ gelangt sodann über die Leitung 72 zum Vier-Drähte-Schaltsystem.

Die Echo-Rückkehr wird auf ein Minimum gebracht mittels einer Schaltung, welche Zenerdioden 93 und 94 umfaßt, sowie einen Differentialverstärker mit Transistoren 96 und 97. Die Transistoren 96 und 97 injizieren einen Löschstrom in die Photodiode 90. Dieser Löschstrom löscht den Anteil des Wechselstromsignals zwischen den Punkten 45 und 46, welcher auf v_R zurückzuführen ist. Die Arbeitsweise dieser Löschschaltung ist analog der Arbeitsweise der in Fig. 4 gezeigten Löschschaltung. Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform ist jedoch von der Ausführungsform gemäß Fig. 4 verschieden. Die Arbeitsweise der Löschschaltung gemäß Fig. 5 soll im folgenden erläutert werden.

Der Strom durch die lichtemittierende Diode 88 ist proportional sowohl den Wechselspannungskomponenten als auch den Gleichspannungskomponenten der Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 45 und 46. Der Gleichstrom durch die lichtemittierende Diode 88 wird durch den Widerstand 115 erfaßt und ist proportional der Leitungslänge, d. h. dem Kabelwiderstand der Leitungen 17 und 18 (und auch den Widerstandswerten der Widerstände 48' und 49'). Der

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Spannungsabfall über den Widerstand 115 ist daher der Gleichspannungsdifferenz zwischen den Leitungen 17 und 18 direkt proportional. Der Spannungsabfall über den Widerstand dient sodann dazu, die Basis des Transistors 92 anzusteuern, welcher als Stromquelle für den Differentialverstärker mit den Transistoren 96 und 97 wirkt. Je größer daher der Kabelwiderstand ist, d. h. je länger das Kabel ist, umso größer ist der durch den Differentialverstärker fließende Gleichtaktstrom.

Eine Seite des Differentialverstärkers wird durch eine feste Spannung vorgespannt, welche zustande kommt durch die Summe der Spannungsabfälle über die Zenerdioden 93 und 94. Die an der anderen Seite des Differentialverstärkers anliegende Spannung, d. h. die an der Basis des Transistors 96 anliegende Spannung,wird über den Widerstand 101 entwickelt, und zwar durch den Strom, welcher durch die Photodiode 79 fließt. Diese steuert wie zuvor erläutert die Gleichspannungskomponenten und die Wechselspannungskomponenten in der Leitung 17, 18 ansprechend auf die durch die Schaltung 109 zugeführte Referenzspannung und auf das empfangene Signal v_R. Die Werte der verschiedenen Widerstände einschließlich der Widerstände 101, 99 und 115 und die Geometrien der verschiedenen Transistoren können derart gewählt werden, daß die Transistoren 96 und 97 die Spannungskomponente zwischen 45 und 46 auslöschen, welche auf Vß zurückgeht, wodurch die Echo-Rückkehr eliminiert wird oder auf ein Minimum herabgedrückt wird. Der Differentialverstärker mit den Transistoren 96 und 97 spielt in Fig. 5 die gleiche Rolle, wie die Multiplizierschaltung 61 bei der Schaltung gemäß Fig. 4. Die Verstärkungscharakteristiken Cg ) der Differentialverstärkertransistoren 96 und 97 werden durch den Strom durch den Stromquellentransistor 92 gesteuert und somit durch die

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Gleichspannungsdifferenz zwischen den Punkten 45 und 46 und daher durch die Länge des Kabels.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des Differentialverstärkers beschrieben werden. Der Transistor 92 moduliert die Verstärkungscharakteristiken g der Transistoren 96 und 97 derart, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 52A dazu führt, daß der genau richtige Gleichstrom durch die lichtemittierende Diode 88 fließt, so daß der Spannungsabfall über den Widerstand 115 gleich V„₂ plus die Basisemitterspannung des Transistors 92 ist. Dies wird , erzielt mit sehr geringen Änderungen des Gleichstroms durch die lichtemittierende Diode 88, da sehr geringe Änderungen in der Basis-Emitter-Spannung zu der erforderlichen Änderung des Kollektorstroms führen. Dies stabilisiert den Differentialausgangsstrom des Differentialverstärkers 96, 97 auf einen Pegel, welcher proportional der Leitungslänge ist. Eine Steigerung der Komponente der Wechselspannung zwischen den Punkten 45 und 46 aufgrund einer erhöhten Kabellänge wird begleitet von einer Steigerung der Verstärkung Cg ) der Transistoren 96 und 97. Somit modulieren die Transistoren 96 und 97 ihre in die Punkte 17 und 18 fließenden Kollektorströme, und zwar proportional zu ihren Verstärkungsfaktoren (g ). Hierdurch wird die Wechselstromkomponente von der Leitung 45, 46 ausgelöscht, welche auf ν« zurückgeht. Somit handelt es sich bei der Wechselspannung, welche über die Photodiode 89, den Operationsverstärker 52B und die Leitung 72 zum Vier-Drähte-Schaltsystem übertragen wird, einzig und allein um v_T, d. h. das Mikrofonausgangssignal. Die Echo-Rückkehr von v_R wird eliminiert, und zwar unabhängig von der Leitungslänge. Somit erzielt man bei richtiger Dimensionierung der obigen Schaltung eine Löschung der Wechselspannung über die Leitungen 17 und 18 aufgrund des Wechselstroms, welcher durch die Transistoren 83 und 104 ansprechend auf v„ injiziert wird. Der Kondensator 115A dient als

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-MT-

~ 23-

Nebenschluß für die Wechselstromkomponenten, so daß verhindert wird, daß die Verstärkungsfaktoren g ' der Transistoren 96 und 97 auf die Wechselstromsignale ansprechen.

Die Widerstände 119 und 120 dienen der Kompensation der Unterschiede zwischen den Strömen durch die Transistoren 8 3 und 1Ö4 und der Kompensation der Leckströme zwischen den Kabelleitungen 17, 18 und zur Kompensation von extern induzierten Unausgewogenheiten oder Verstimmungen und somit zur Aufrechterhaltung einer Gegentaktspannung oder Querspannung von etwa 24 V.

Irgendwelche Einschwingspannungen oder Stoßspannungen auf der Leitung, welche das Erdpotential oder -48 V C~V_RATD übersteigen, werden durch externe Schutzwiderstände 48' und 49' absorbiert und durch Schutzdioden 117 und 118 gekapt. Die Diode 116 verhindert eine Polaritätsumkehr zwischen den Leitungen 17 und 18.

Der Klingebefehl in Telefonnebenstellenanlagen führt normalerweise dazu, daß eine Wechselspannung von 20 Hz und mit einem. Spannungswert in der Größenordnung von 90 V den Leitungen 17, 18 zugeführt wird, so daß der Telefonapparat klingelt. Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 wird der Klingelbefehl der Eingangsleitung 106 der Interface-Schaltung zugeführt. Die Spannung Vnj_NG und der Widerstand 107 führen dazu, daß in den Punkt 80 ein Strom eingespeist wird, welcher größer ist als der der Vorspannung dienende Strom über den Widerstand 108 und diesem entgegengesetzt. Die an die Leitung 106 angelegte Spannung könnte eine T²L-Logik-Tor-Ausgangsspannung sein. Diese Spannung führt dazu, daß der Operationsverstärker 55A ausgeschaltet wird. Hierdurch wird die lichtemittierende Diode 76 ausgeschaltet

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und hierdurch wird auch die Photodiode 79 ausgeschaltet. · Dies wiederum führt dazu, daß die Stromquellentransistoren 83 und 104 ausgeschaltet werden und daß somit die Leitungen 17, 18 wirksam von der Erdleitung und der -48 V-Leitung getrennt werden. Die Abwesenheit eines Stroms durch die Photodiode 79 bewirkt ferner, daß der Transistor 95 ausgeschaltet wird. Dies wiederum führt dazu, daß der Transistor 110 aufgrund des Stroms durch den Widerstand 99 eingeschaltet wird. Der Kollektor des Transistors 110 kann nun dazu dienen, ein Triac oder ein gewöhnliches billiges Niederspannungsrelais anzusteuern, welches den Telefonapparat zum Klingeln bringt.

Die Statussignalfunktion wird folgendermaßen ausgeführt. Es ist erforderlich, daß das Vier-Anschluß-Schaltsystem weiß, ob der Telefonhörer aufliegt. Wenn der Telefonhörer aufliegt, so erscheint der Telefonapparat den Leitungen

17 und 18 als offener Schaltkreis und es fließt kein Signalstrom in den Leitungen 17 und 18. Wenn die Leitungen 17 und

18 als offener Schaltkreis wirken, so hat dies auf die Interface-Schaltung der Fig. 5 die Wirkung, daß der Strom durch die Stromquellentransistoren 83 und 104 die Gleichspannungsdifferenz zwischen den Punkten 45 und 46 erhöht. Hierdurch wird der Verstärker 52A in den Sättigungsbereich gebracht. Hierdurch wird nun aber der Strom durch die lichtemittierende Diode 88 erheblich gesteigert, so daß wiederum ein starker Strom durch die Photodiode 89 fließt. Hierdurch wird nun aber auch der Operationsverstärker 52B in ώη Sättigungsbereich gebracht. Dies führt zu einer hohen Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 52B und diese hohe Spannung wird durch eine Pegeldetektorschaltung 113 erfaßt. Die Pegeldetektorschaltung 113 kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein, z. B. als Schmidt-Trigger. Die Pegeldetektorschaltung 113 erzeugt eine geeignete Ausgangsspannung auf der Statusausgangsleitung 114. Diese Spannung

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zeigt den Status des Telefonapparates an. Wählimpulse vom Telefonapparat werden vollkommen ähnlich verarbeitet und können ebenfalls auf der Statusausgangsleitung 114 erfaßt werden.

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Claims

PATENTANSPROCHE

(T) Interface-Schaltung zur Übertragung von Telefonsignalen zwischen einem elektronischen Schaltsystem und einem Zwei-Draht-Kabel, welches mit einem Telefonapparat verbunden ist, wobei der Telefonapparat einen Telefonapparate-Widerstand darstellt, welcher die beiden Drähte des Zwei-Draht-Kabels verbindet und wobei das Zeit-Draht-Kabel einen Kabelwiderstand aufweist und wobei der Telefonapparat ein Mikrofonspannungssignal erzeugt, daß über das Zwei-Draht-Kabel übertragen wird und wobei das elektronische Schaltsystem ein Audiofrequenzsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet , daß die Interface-Schaltung (20) folgendes umfaßt:

Ca) eine Einrichtung (40) zum Erzeugen eines im wesentlichen konstanten Referenzgleichstroms;

(b) Stromquelleneinrichtungen (42,44), welche mit dem Zwei-Draht-Kabel (18,19) verbunden sind zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Gleichstromkomponente im Zwei-Draht-Kabel (18,19), ansprechend auf den Referenzgleichstrom einer Wechselstromkomponente im Zwei-Draht-Kabel (18,19), ansprechend auf das Audiofrequenzsignal, wobei die Wechselstromkomponente zwischen den beiden Drähten (18,19) des Zwei-Draht-Kabels eine entsprechende Wechselspannungskomponente erzeugt;

(c) eine mit dem Zwei-Draht-Kabel (18,19) verbundene Verstärkereinrichtung (52) zur Verstärkung des Mikrofonspannungssignals, wobei diese Verstärkereinrichtung (52) keine genügend hohe Eingangsimpedanz zur Verhinderung einer nennenswerten Herabsetzung des Mikrofonspannungssignals aufgrund einer Spannungsteilung des Mikrofonspannungssignals über die Eingangsimpedanz, den Kabelwiderstand und den Telefonapparate-Widerstand aufweist und

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(d) wobei kein Abschlußwiderstand vorgesehen ist, welcher das Mikrofonspannungssignal und die Wechselspannungskomponente wesentlich reduzieren würde und zwar aufgrund einer Spannungsteilung des Mikrofonspannungssignals und der Wechselspannungskomponente über den Telefonapparate-Widerstand, den Kabelwiderstand und den Abschlußwiderstand; wobei die Wechselspannungskomponente und das Mikrofonspannungssignal im wesentlichen abhängig sind von dem Abstand zwischen den Punkten des Zwei-Draht-Kabels (18,19) an denen die Verstärkereinrichtung (5 2) und der Telefonapparat (12¹) angeschlossen sind.
2. Interface-Schaltung zur Übertragung von Telefonsignalen zwischen einem elektronischen Schaltsystemtnd einem Zwei-Draht-Kabel, welches mit einem Telefonapparat verbunden ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interface-Schaltung folgendes umfaßt:

(a) eine Einrichtung (40) zur Erzeugung eines Referenzgleichstroms ;

(b) eine Differential-Opto-Koppler-Einrichtung (55) , welche auf die Einrichtung (40) zur Erzeugung eines Referenzgleichstroms und auf das elektronische Schaltsystem anspricht und einen Strom erzeugt, welcher das vom elektronischen Schaltsystem empfangene Audiofrequenz signal sowie den Referenzgleichstrom darstellt; und

(c) eine Stromquelleneinrichtung (50), welche auf die Differential-Opto-Koppler-Einrichtung (55) anspricht und mit dem Zwei-Draht-Kabel (17,18) verbunden ist zur Erzeugung sowohl einer Gleichstromkomponente als auch einer Wechselstromkomponente im Zwei-Draht-Kabel (17,18), wobei die Gleichstromkomponente durch den Referenzgleichstrom und die Wechselstromkomponente durch das Audiosequenzsignal bestimmt wird.

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3. Interface-Schaltung zur Kopplung eines mit einem Telefonapparat verbundenen Zwei-Draht-Kabels und eines elektronischen Schaltsystems, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interface-Schaltung (20) folgendes umfaßt:

Ca) eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Wechselstromsignals auf dem Zwei-Draht-Kabel, welches proportional der Länge des Zwei-Draht-Kabels ist und zwar ansprechend auf ein erstes Signal, welches vom elektronischen Schaltsystem auf die Interface-Schaltung übertragen wird;

Cb) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Gleichspannung auf dem Zwei-Draht-Kabel, welche proportional der Länge des Zwei-Draht-Kabels ist;

Cc) eine Einrichtung zum Empfang eines Mikrofonsignals vom Telefonapparat auf dem Zwei-Draht-Kabel;

Cd) eine auf das erste mit dem Zwei-Draht-Kabel gekoppelte Signal ansprechende Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselstromlöschsignals, das proportional der Gleichspannung ist und außer Phase mit dem ersten Wechselstromsignal ist;

Ce) eine auf die Löscheinrichtung ansprechende Einrichtung zur Summierung des Löschsignals, des ersten Wechselstromsignals und des Mikrofonsignals unter Auslöschung des ersten Wechselstromsignal's vom Zwei-Draht-Kabel und unter Erzeugung eines Signals, welches das Mikrofonsignal beinhaltet, aber im wesentlichen frei ist von Komponenten, welche auf das erste Signal zurückgehen; und

Cf) eine auf die Summiereinrichtung ansprechende Einrichtung zur Übertragung des Mikrofonsignals auf das elektronische Schaltsystem, wobei der Echo-Verlust des ersten Signals maximiert ist.

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4. Interface-Schaltung zur Kopplung eines mit einem Telefonapparat verbundenen Zwei-Draht-Kabels und eines elektronischen Schaltsystems, insbesondere nach einem der Ansprüche t bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Interface-Schaltung folgendes umfaßt:

Ca) eine Differential-Opto-Koppler-Verstärker-Einrichtung, deren Eingang auf die elektronische Schalteinrichtung anspricht und welche an ihrem Ausgang, ansprechend auf Wechselspannungen und Gleichspannungen am Eingang isolierte Wechsel- und Gleich-Spannungen oder -Ströme erzeugt;

Cb) eine Einrichtung zur Einkopplung einer Klingelbefehlsspannung vom elektronischen Schaltsystem in den Eingang des Differential-Opto-Koppler-Verstärkers, wobei die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Differential-Opto-Koppler-Verstärkers einen Obergang zu einem Spannungsbegrenzungspegel vollzieht;

Cc) eine Stromquelleneinrichtung, welche auf den Differential-Opto-Koppler-Verstärker anspricht und eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente im Zwei-Draht-Kabel erzeugt, wenn die Klingelbefehlsspannung abwesend ist; und

Cd) eine auf den Übergang zum Spannungsbegrenzungspegel ansprechende Ausgangseinrichtung zur Erzeugung eines Stroms, welcher Klingeleinfügungsschaltungen des Telefonapparats aktiviert.
5. Interface-Schaltung zur Kopplung eines mit einer Telefonanlage verbundenen Zwei-Draht-Kabels und eines elektronischen Schaltsystems, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet , daß die Interface-Schaltung folgendes umfaßt:

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<a) eine Differential-Opto-Koppler-Verstärkereinrichtung' mit Differential-Eingängen, welche ansprechen auf einen ständigen oder pulsierenden Offen-Schaltungszustand, der vom Telefonapparat im Zwei-Draht-Kabel erzeugt wird, so daß ansprechend auf die aufgrund des Offen-Schaltungszustandes im Zwei-Draht-Kabel erzeugte Spannung ständige oder pulsierende Spannungen an einem isolierten Hochspannungsausgang erzeugt werden; '

(b) eine Strömquelleneinrichtung zur Erzeugung eines Gleichstroms in jedem der Drähte des Zwei-Draht-Kabels zur Gleichstromversorgung des Telefonapparates, wenn der Hörer abgenommen ist zur Erzeugung einer genügend hohen Gleichspannung im Zweidrahtkabel zur Bewirkung eines Übergangs des Ausgangssignals der Differential-Opto-Koppler-verstärkereinrichtung in eine Grenzspannung ansprechend auf einen vom Telefonapparat im Zwei-Draht-Kabel erzeugten Offen-Schaltungszustand, wenn der Telefonhörer aufliegt oder während des Wählvorgangs; und

ic) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Statussignals, ansprechend auf den Obergang auf den Grenzspannungspegel.

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