交換課設(shè)555定時(shí)器產(chǎn)生各種信號音

1、計(jì)算機(jī)通信課程設(shè)計(jì)題 目：555定時(shí)器產(chǎn)生各種信號音專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)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(wù)。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(wù)信號。信號音的產(chǎn)生有多種方法：采用對單片機(jī)的定時(shí)器編程實(shí)現(xiàn)，采用對CPLD器件編程實(shí)現(xiàn)，還可采用555定時(shí)器產(chǎn)生。555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)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(shí)器外，還有對應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)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(qū)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(gè)電阻、電容，就可以實(shí)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(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)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(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證性仿真。本設(shè)計(jì)以555定時(shí)器產(chǎn)生不同斷續(xù)比的450Hz信號音和25Hz的振鈴信號。關(guān)鍵詞：程控 信號 555定時(shí)器 振蕩器 振鈴第1章 設(shè)計(jì)目的與要求信號音的產(chǎn)生有多種方法：采用對單片機(jī)的定時(shí)器編程實(shí)現(xiàn)、采用對CPLD器件編程實(shí)現(xiàn)，也可以用555定時(shí)器產(chǎn)生。

3、本次課程設(shè)計(jì)目的就是運(yùn)用Multisim軟件來模擬555定時(shí)器來產(chǎn)生語音信號。本次課程設(shè)計(jì)要求： （1）：能產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算，并選擇恰當(dāng)元器件。 （3）：完成硬件設(shè)計(jì)，畫出原理圖以及實(shí)驗(yàn)得多的波形。第2章 信號音的作用及工作過程在用戶話機(jī)與交換機(jī)之間的用戶線上，要沿兩個(gè)方向傳遞語音信息。但是，為了實(shí)現(xiàn)一次通話，還必須沿兩個(gè)方向傳送所需的控制信號。比如，當(dāng)用戶要通話時(shí)，必須首先向程控機(jī)提供一個(gè)信號，能讓交換機(jī)識別并使之準(zhǔn)備好有關(guān)設(shè)備，此外，還要把指明呼叫的目的地的信號發(fā)往交換機(jī)。當(dāng)用戶想要結(jié)束通話時(shí)，也必須向電信局交換機(jī)提供一個(gè)

4、信號，以釋放通話期間所使用的設(shè)備。除了用戶要向交換機(jī)傳送信號外，還需要傳送相反方向的信號，如交換機(jī)要向用戶傳送關(guān)于交換機(jī)設(shè)備狀況，以及被叫用戶狀態(tài)的信號。由此可見，一個(gè)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(yīng)該有信令系統(tǒng)。用戶向電信局交換機(jī)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(jī)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(chǎn)生的方法比較1單片機(jī)的定時(shí)器編程法： 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。采用對單片機(jī)的定時(shí)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(shí)現(xiàn)了不同斷續(xù)比代表不同的信號音

6、。單片機(jī)的功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)許多計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的小程序和小設(shè)計(jì)。但是，單片機(jī)編程復(fù)雜，牽涉到許多不同軟件的應(yīng)用，并且不易實(shí)現(xiàn)用仿真軟件的仿真性驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)是產(chǎn)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(qiáng)大的單片機(jī)作為設(shè)計(jì)核心。2CPLD可編程器件（EPM7128S）法：CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)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(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)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(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jìn)的CMOS E2PROM技術(shù)。 通過對CPLD器件EMP7128進(jìn)行編程，可實(shí)現(xiàn)程控交換所需波形的輸出（課本上實(shí)驗(yàn)也采用此法）。但是，在自行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，專業(yè)性的CPLD需要專門的配套設(shè)備和相應(yīng)的編程基礎(chǔ)，同時(shí)，無法預(yù)知結(jié)果的正確性（即不能用仿真軟件模擬電路圖輸出結(jié)果的正確性）。所以本設(shè)計(jì)采用第3種方法，即采用熟悉的555定時(shí)器產(chǎn)生信號音。3555定時(shí)器法：555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)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(shí)器外，還有對應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)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(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)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(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)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(shí)器的內(nèi)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(nèi)部包括兩個(gè)電

9、壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3采用555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩器可以產(chǎn)生不同斷續(xù)比的信號音。用555定時(shí)器設(shè)計(jì)的產(chǎn)生信號音電路，易實(shí)現(xiàn)用仿真軟件對其輸入輸出波形的跟蹤判斷，適合本設(shè)計(jì)的要求，所以采用555定時(shí)器產(chǎn)生信號音。第4章 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器原理1、555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)555 定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一個(gè)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(yīng)用非常廣泛。1 555 定時(shí)器的組成和功能圖61 是555 定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、A2

10、，一個(gè)RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管和三個(gè)5K 電阻的分壓器而構(gòu)成。圖61 555 定時(shí)器組成框圖圖1 555電路的內(nèi)部電路方框圖它的各個(gè)引腳功能如下：1 腳：外接電源負(fù)端VSS 或接地，一般情況下接地。8 腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC 的范圍是4.5 16V，CMOS 型時(shí)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(dāng)RD端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TL、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)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(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)

11、電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)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(shí)器時(shí)電容的放電。在1 腳接地，5 腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555 時(shí)基電路的功能表如表61 示。2555定時(shí)器應(yīng)用：555應(yīng)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(shí)用的電子電路，如定時(shí)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(jī)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(chǎn)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(shí)延時(shí)整形及一些定時(shí)開關(guān)中。（2）多諧振蕩器：利用深度正反饋，通過阻容耦合使兩個(gè)電子器件交替導(dǎo)通與截止，從而自激產(chǎn)生方波輸出的振蕩器。組成信號產(chǎn)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?？捎糜诿}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(shí)加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號進(jìn)行輸出。2、多諧振蕩器工作原理由555定時(shí)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(shè)電容的初始電壓，t時(shí)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(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由翻轉(zhuǎn)為，這時(shí)，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時(shí)器輸出為高電平。時(shí)刻，上升到，比較器的輸出由變?yōu)?，這時(shí)，觸發(fā)器復(fù)，定時(shí)器輸出。期間，放電三極管導(dǎo)通，電容通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由變?yōu)椋|發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)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(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，0，電容不斷地進(jìn)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(shí)質(zhì)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(shí)間，為電容放電時(shí)間。充電時(shí)間 放電時(shí)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(gè)參數(shù)：占空比q，q=（脈寬）/（周期T），指輸出一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空

15、比。 2555定時(shí)器組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器：電路如圖4，它比圖2電路增加了一個(gè)電位器和兩個(gè)引導(dǎo)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(shí)D1導(dǎo)通，D2截止；放電時(shí)D2導(dǎo)通，D1截止）。圖4 占空比可調(diào)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(chǎn)生電路設(shè)計(jì)1電路設(shè)計(jì)分析本設(shè)計(jì)是為程控交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)單音頻信號音，需要產(chǎn)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(shè)計(jì)（1）頻率為450Hz可聞信號電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路為：由555定時(shí)器構(gòu)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)，積分器的本質(zhì)就是一階RC電路，輸出電壓取之于電容，在時(shí)間常數(shù)=RC遠(yuǎn)大于信號寬度的條件下，輸出電壓隨時(shí)間線性變化，即得到三角波；后面變?nèi)遣檎也ǖ亩A積分電路又是三角波輸出電路負(fù)載的一部分，作為負(fù)載，為使前極電路不受太大的影響，其阻抗應(yīng)盡可能的大，單獨(dú)考慮三角波輸出時(shí)，可忽略它的負(fù)載效應(yīng)。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(gè)隨時(shí)間成指數(shù)

18、的非線性關(guān)系，但由于二階時(shí)間常數(shù)相除的因素，其對應(yīng)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(shè)計(jì)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)及仿真分析進(jìn)入Multisim 10仿真界面，從元件庫中調(diào)用555定時(shí)器及有關(guān)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(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建如圖2所示的函數(shù)發(fā)生器電路。 圖 由555定時(shí)器構(gòu)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(shí)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(jì)算得R =71 KO，為使頻率在1KHz左右有一定的調(diào)節(jié)范圍，可取R 為一20 Kft固定阻值和100 KQ可調(diào)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(shí)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(chǎn)生明顯的負(fù)載效應(yīng)，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(guān)接一1I 的負(fù)載，將電路參數(shù)標(biāo)于圖上。42電路仿真分析啟動仿真開關(guān)，雙擊示波器圖標(biāo)，打開其面板，在其Timedase區(qū)設(shè)置x