交換課設555定時器產生各種信號音

1、計算機通信課程設計題 目：555定時器產生各種信號音專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 成 績： 摘要： 在程控交換網(wǎng)中需要各種信號音以區(qū)別各種業(yè)務。信號音分為單音頻和多音頻，單音頻信號音按照不同的斷續(xù)比，可以區(qū)分出不同的業(yè)務信號。信號音的產生有多種方法：采用對單片機的定時器編程實現(xiàn)，采用對CPLD器件編程實現(xiàn)，還可采用555定時器產生。555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，755

2、5 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。由于成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面Multisim仿真軟件對整個設計進行驗證性仿真。本設計以555定時器產生不同斷續(xù)比的450Hz信號音和25Hz的振鈴信號。關鍵詞：程控 信號 555定時器 振蕩器 振鈴第1章 設計目的與要求信號音的產生有多種方法：采用對單片機的定時器編程實現(xiàn)、采用對CPLD器件編程實現(xiàn)，也可以用555定時器產生。

3、本次課程設計目的就是運用Multisim軟件來模擬555定時器來產生語音信號。本次課程設計要求： （1）：能產生不同斷續(xù)比的450HZ信號音和25HZ的振鈴信號。 （2）：根據(jù)題目要求進行計算，并選擇恰當元器件。 （3）：完成硬件設計，畫出原理圖以及實驗得多的波形。第2章 信號音的作用及工作過程在用戶話機與交換機之間的用戶線上，要沿兩個方向傳遞語音信息。但是，為了實現(xiàn)一次通話，還必須沿兩個方向傳送所需的控制信號。比如，當用戶要通話時，必須首先向程控機提供一個信號，能讓交換機識別并使之準備好有關設備，此外，還要把指明呼叫的目的地的信號發(fā)往交換機。當用戶想要結束通話時，也必須向電信局交換機提供一個

4、信號，以釋放通話期間所使用的設備。除了用戶要向交換機傳送信號外，還需要傳送相反方向的信號，如交換機要向用戶傳送關于交換機設備狀況，以及被叫用戶狀態(tài)的信號。由此可見，一個完整電話通信系統(tǒng)，除了交換系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)外，還應該有信令系統(tǒng)。用戶向電信局交換機發(fā)送的信號有用戶狀態(tài)信號（一般為直流信號），和號碼信號（地址信號）。交換機向用戶發(fā)送的信號有各種可聞信號與振鈴信號（鈴流）兩種。（1）各種信號音：采用頻率為450Hz的交流信號，例如：撥號音：連續(xù)發(fā)送的450Hz信號?；剽徱簦?秒送，4秒斷的5秒斷續(xù)的450Hz信號。忙音：0.35秒送，0.35秒斷的0.7秒斷續(xù)的450Hz信號。催掛音：連續(xù)發(fā)送響度

5、較大的信號音（與撥號音幅度不同）。（2）振鈴信號：采用頻率為25Hz，幅度為75V±15V的交流電壓，以1秒送，4秒斷的5秒斷續(xù)方式傳送。第3章 信號音產生的方法比較1單片機的定時器編程法： 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。采用對單片機的定時器編程，可以將輸入信號改變成不同占空比的輸出信號，也就實現(xiàn)了不同斷續(xù)比代表不同的信號音

6、。單片機的功能強大，可以實現(xiàn)許多計算機能夠實現(xiàn)的小程序和小設計。但是，單片機編程復雜，牽涉到許多不同軟件的應用，并且不易實現(xiàn)用仿真軟件的仿真性驗證。本設計是產生簡單的斷續(xù)比不同的單音頻信號代表不同的信號音，所以不需要功能強大的單片機作為設計核心。2CPLD可編程器件（EPM7128S）法：CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結構復雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，

7、生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)。EPM7128是MAX7000系列高性能，高密度的CMOS CPLD器件，在制造工藝上采用了先進的CMOS E2PROM技術。 通過對CPLD器件EMP7128進行編程，可實現(xiàn)程控交換所需波形的輸出（課本上實驗也采用此法）。但是，在自行設計性實驗中，專業(yè)性的CPLD需要專門的配套設備和相應的編程基礎，同時，無法預知結果的正確性（即不能用仿真軟件模擬電路圖輸出結果的正確性）。所以本設計采用第3種方法，即采用熟悉的555定時器產生信號音。3555定時器法：555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極

8、性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 2.9.1 和圖 2.9.2 所示。它內部包括兩個電

9、壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3采用555定時器構成的振蕩器可以產生不同斷續(xù)比的信號音。用555定時器設計的產生信號音電路，易實現(xiàn)用仿真軟件對其輸入輸出波形的跟蹤判斷，適合本設計的要求，所以采用555定時器產生信號音。第4章 555定時器構成的多諧振蕩器原理1、555定時器內部結構555 定時器（又稱時基電路）是一個模擬與數(shù)字混合型的集成電路。按其工藝分雙極型和CMOS 型兩類，其應用非常廣泛。1 555 定時器的組成和功能圖61 是555 定時器內部組成框圖。它主要由兩個高精度電壓比較器A1、A2

10、，一個RS 觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5K 電阻的分壓器而構成。圖61 555 定時器組成框圖圖1 555電路的內部電路方框圖它的各個引腳功能如下：1 腳：外接電源負端VSS 或接地，一般情況下接地。8 腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC 的范圍是4.5 16V，CMOS 型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3 腳：輸出端Vo2 腳：TL 低觸發(fā)端6 腳：TH 高觸發(fā)端4 腳：RD是直接清零端。當RD端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TL、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5 腳：VC 為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準

11、電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F 電容接地，以防引入干擾。7 腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。在1 腳接地，5 腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555 時基電路的功能表如表61 示。2555定時器應用：555應用電路采用3種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路，如定時器、分頻器、脈沖信號發(fā)生器、元件參數(shù)和電路檢測電路、玩具游戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等。（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能產生一定寬度的脈沖這一特性，可以將過窄或過寬的輸入脈沖整形

12、成固定寬度的脈沖輸出。用于定時延時整形及一些定時開關中。（2）多諧振蕩器：利用深度正反饋，通過阻容耦合使兩個電子器件交替導通與截止，從而自激產生方波輸出的振蕩器。組成信號產生電路，常用作方波發(fā)生器。（3）施密特觸發(fā)器：施密特觸發(fā)器可用于波形變換：可將三角波、正弦波等變成矩形波。可用于脈沖波的整形：數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖。也可用于脈沖鑒幅：幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號時加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能選擇幅度大于欲設值的脈沖信號進行輸出。2、多諧振蕩器工作原理由555定時器組成的多諧振蕩器如圖(C)所

13、示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)所示。設電容的初始電壓，t時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端<，比較器1輸出為高電平，輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置，定時器輸出此時，定時器內部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容充電，逐漸升高。當上升到時，輸出由翻轉為，這時，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時器輸出為高電平。時刻，上升到，比較器的輸出由變?yōu)?，這時，觸發(fā)器復，定時器輸出。期間，放電三極管導通，電容通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當時比較器輸出由變?yōu)?，觸發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時刻，下降到，比較器輸出由

14、1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出，電容放電時，0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?、振蕩周期由圖（D）可知，振蕩周期。為電容充電時間，為電容放電時間。充電時間 放電時間 矩形波的振蕩周期因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=（脈寬）/（周期T），指輸出一個周期內高電平所占的時間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空

15、比。 2555定時器組成占空比可調的多諧振蕩器：電路如圖4，它比圖2電路增加了一個電位器和兩個引導二極管。D1、D2用來決定電容充、放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時D1導通，D2截止；放電時D2導通，D1截止）。圖4 占空比可調的多諧振蕩器振蕩頻率：f=1.43/(RA+RB)C占空比: q(%)= RA*100%/(RA+RB)第5章 信號音產生電路設計1電路設計分析本設計是為程控交換系統(tǒng)設計單音頻信號音，需要產生2種頻率的單音頻信號，第1種頻率為450Hz：撥號音為連續(xù)信號，即占空比為1的信號；回鈴音為斷續(xù)比4的信號，即占空比為25%的信號；忙音為占空比50%的信號；催掛音為連續(xù)發(fā)

16、送響度較大的信號音（與撥號音幅度不同）。第2種為頻率25Hz的交流電壓，幅度為75V±15V的交流電壓，占空比為25%。 根據(jù)原理分析f=1.43/(RA+RB)C，可采用不同的（RA+RB）控制電壓頻率，采用不同的RA/(RA+RB)控制占空比。2電路的設計（1）頻率為450Hz可聞信號電路設計振蕩頻率： 取C=0. 1uFf=1.43/(RA+RB)C=450Hz 可近似得到（RA+RB）=32k撥號音占空比為1，RA=32k；回鈴音占空比為25%，RA=8k，RB=24k；忙音占空比為50%，RA=RB=16k；本設計思路為：由555定時器構成的多諧振蕩器得到方波；方波通過一階

17、RC積分電路得到三角波；三角波再通過二階RC積分電路得到正弦 波。作為方波，在多諧自激振蕩器中使之R2遠大 于R1，即可得到占空比為50 的矩形脈沖，即方波；作為三角波，由積分器實現(xiàn)，積分器的本質就是一階RC電路，輸出電壓取之于電容，在時間常數(shù)=RC遠大于信號寬度的條件下，輸出電壓隨時間線性變化，即得到三角波；后面變三角波為正弦波的二階積分電路又是三角波輸出電路負載的一部分，作為負載，為使前極電路不受太大的影響，其阻抗應盡可能的大，單獨考慮三角波輸出時，可忽略它的負載效應。因此，后面二階積分電路的電容值取前級電路電容的15左右。由理論分析，線性的三角波經(jīng)過此二階積分電路，輸出是一個隨時間成指數(shù)

18、的非線性關系，但由于二階時間常數(shù)相除的因素，其對應值很小，從而得到近似的正弦波。為使電路參數(shù)的取值既滿足電路的理論要求，又兼顧輸出幅度等因素，由此設計的函數(shù)發(fā)生器得到的三角波的幅度為方波的110左右，正弦波的幅度為三角波的150左右。 4由Multisim10進行電路設計及仿真分析進入Multisim 10仿真界面，從元件庫中調用555定時器及有關電阻、電容、直流電源等元件，從虛擬儀器工具欄中取出四蹤示波器，根據(jù)以上設計思路，設計并創(chuàng)建如圖2所示的函數(shù)發(fā)生器電路。 圖 由555定時器構成的信號音發(fā)生電路 41電路參數(shù)估算及選為使輸出方波幅度較大，且兼顧555定時器的性能要求，取電源電壓為12V

19、；輸出方波的頻率以1KHz考慮，取C=001、R =1 KQ，計算得R =71 KO，為使頻率在1KHz左右有一定的調節(jié)范圍，可取R 為一20 Kft固定阻值和100 KQ可調阻值串聯(lián)，由此得到多諧自激振蕩器；555輸出通過隔直電容C 得到方波接示波器A通道；由于方波頻率為1KHz，則脈沖寬度為05ms，由此取三角波積分電路時間常數(shù)為其5倍左右，則取R3=5I KQ、C3=047 F，C3上端輸出三角波，接示波器B通道；如前所述，為使后面變換正弦波的二階積分電路對前級不產生明顯的負載效應，則取R4=R5=10 KQ、C4=C5=01 txF，從C5上端輸出正弦波，接示波器C通道。并通過開關接一1I 的負載，將電路參數(shù)標于圖上。42電路仿真分析啟動仿真開關，雙擊示波器圖標，打開其面板，在其Timedase區(qū)設置x