电话机拨号集成电路仿真设计

第27卷Vol.27第2期No.2电子设计工程ElectronicDesignEngineering2019年1月Jan.2019电话机拨号集成电路仿真设计李永成1，顾亚文1，李孟宇2（1.金肯职业技术学院江苏南京211156；2.阿德莱德大学澳大利亚阿德莱德5000）摘要：针对Multisim软件的元件库中缺少拨号集成电路元件，无法进行电话机电路仿真的情况，本文采用了Multisim提供的VHDL数字电路仿真模块，设计一个基于VHDL硬件描述语言的元件，并以此元件为基础，结合模拟元件进行拨号集成电路仿真设计。对设计的拨号集成电路HM9102D进行了功能测试，测试结果符合拨号集成电路的基本逻辑功能要求及信号的输入输出要求。该设计表明，对复杂的数模结合集成电路，采用VHDL模块与模拟电路相结合的方法可以方便地进行仿真设计。关键词：电话机仿真；拨号集成电路；HM9102D；VHDL硬件描述语言；Multisim中图分类号：TN710.9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2019）02-0130-05Designoftelephonedial⁃upintegratedcircuitsimulationLIYong⁃cheng1，GUYa⁃wen1，LIMeng⁃yu2（TechnicalCollege，Nanjing211156，China；versityofAdelaide，Adelaide5000，China）Abstract:Thereisalackofdial-upintegratedcircuitelementsinthecomponentlibraryofMultisimsoftware，etheseproblems，VHDLsimulationmodule，whichisprovidedbyMultisim，L-basedsimulationcomponentwasdesignedandbasedonthiscomponent，thesimulationofdial-upintegratedcircuitisdesignedanditsresulsignindicatesthatintegratingVHDLmoge；ctionaltestofdial-upintegratedcircuitHM9102DisconductedKeywords:telephonesimulation；Dial-upintegratedcircuit；HM9102D；VHDLhardwaredescription限公司推出的以Windows为基础的电子线路仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，具有丰富的仿真分析能力[1-3]。它具有丰富的元器件库，以Multisim作为仿真平台可以仿真各种复杂的电路，但它的元件库的元件也是有限的，对于一些专用的集成电路如电话机拨号集成电路HM9102D等就不包括，要使用这些不包含在元件库中的数字元件，它提供了一个VHDL或其它硬件描述语言编写的仿真模块，另外还提供了子电路生成模块，用这些模块制作的元件可以作为用户元件使用[4-6]Multisim电子仿真软件是美国国家仪器（NI）有拨号集成电路HM9102D的仿真设计过程。1拨号集成电路HM9102D功能拨号集成电路HM9102D在电话机电路中起到拨号、发送拨号脉冲或双音频信号的作用，电话机的原理框图如图1[7-8]所示。拨号集成电路输出的频率组合信号通过用户线传送到交换机，由交换机进行解码，还原用户所拔出的电话号码。HM9102D是音频/脉冲可转换拨号器（见图2），有启动、双音频输出、静噪等引脚。由于拨号信号频。本文将率与话音频率接近，在拨号时话音如果通过手柄的送话器传送到交换机，交换机将会出现误解码现象，因此设置了静噪脚，拨号时静噪脚输出一个低电平，介绍在Multisim环境下，以VHDL仿真模块为基础的收稿日期：2018-04-10稿件编号：201804096作者简介：李永成（1962—），男，江苏南京人，讲师，工程师。研究方向：电子线路设计及软件仿真。-130-

李永成，等电话机拨号集成电路仿真设计使送话器失去偏压而短暂失效。电平时为脉冲输出方式。MODE脚接高电平时为双音频输出方式，M/B是脉冲拨号的断续比接低选择脚，MUTE是静噪脚。摘机时，启动电路输出低电平给HKS脚。Vdd为电源脚，电压由电源电路提供，TONE为拨号信号输出脚。图1电话机原理框图图2HM9102D引脚功能图2设计要求与设计方案2.1HM9102D的设计要求本设计对HM9102D的功能进行了适当的简化，仅适用于双音频拨号方式，另外由于振荡电路的仿真会明显降低仿真运行速度，也进行了简化，仅模拟了一个没有任何信号输出的端口。设计的HM9102D的工作条件及输出要求如下:1当图）引脚电平2的6、10脚为高电平，5、7、11、脚为低电平时，拨号有效，TONE端输出双音频信号，当不满足上述条件时，拨号无效，TONE端无双音频输出；净噪脚MUTE2在拨号时为低电平，否则为高电平。双）双音频输出要求音频输出要符合表1要求输出组合正弦信号，如按下按键5，将输出770Hz和1336Hz两个音频组合。2.2设计方案拨号集成电路HM9102D是数模结合电路，通过分析其外特性，得出以下两个设计方案：方案一：数字电路采用数字逻辑门电路设计，通表1双音频信号表（CCITT国际电报电话咨询委员会建议标准）低频群高频群及号码697120Hz1Hz1336852Hz42Hz53Hz941HzHz7*86M1HzM209#M4M4过数模转换电路对模拟电路的输出进行控制。方案二：与方案一不同之处是数字电路采用VHDL能元件。建模，设计一个符合控制要求的数字逻辑功比较两个方案可以发现，方案一中使用元件较多，线路较复杂。对于仿真软件而言，电路越复杂，仿真效果就越差，且容易出现卡顿现象。设计HM9102D案一将对电话机仿真电路的运行流畅性产生影响，目的是将其用在电话机仿真电路上的，方因此决定采用方案二进行设计。设计步骤：1）采用Multisim10.0进行VHDL建模，创建VHDL逻辑功能元件；2）在MaxplusII环境下对VHDL程序进行仿真、调试；3）在Multisim10.0中进行拨号集成电路设计。3基于Multisim10.0的VHDL建模3.1VHDL建模使用Multisim提供的VHDL仿真元件包设计一个逻辑功能元件，其符号如图3所示。逻辑功能元件设计要求：1、2脚为高电平，且3、4、5脚为低电平时，6脚输出高电平，否则输出低电平。图3逻辑功能元件时安装Multisim10.0Multisim2001不能直接使用软件[9-11]，建模步骤如下：VHDL模块，需要同1模）用块Multisim完成VHDL中的语VHDL-SIMULATION言的编辑，命名为“bohao．acc如下”。：逻辑功能元件的VHDL代码（）LIBRARYUSEIEEE；-----_LOGIC_实体-------；-131-

《电子设计工程》2019年第2期ENTITYPORTbE:OUT（vcbohao，mb，ISENDbohao；STD_LOGIChks，vs，mode:IN）；STD_LOGIC；-----BEGINARCHITECTURE结构体------rtlOFbohaoISBEGINPROCESS（vc，mb，hks）----进程0'ANDIF（vc='1'ANDmb='1'ANDhks='1'ANDmode='bE<='1'vs='0'）THENELSE；bE<='0'ENDIF；END；ENDPROCESS；程序结构包括库和包的使用、rtl；实体和结构体几个部分，IF语句为关键代码，当满足条件时bE为1，否则为0（低电平）。Multisim2）对接成功后产生软件将自动检查程序进行编译和“bohao．vxVHDL链接”文件，的语法错误，。在编译过这个文件就可以在编译链程中，制作元件封装时调用。3.2MaxplusII环境下的VHDL仿真[12-15]备形Multisim仿真功能提供的，要验VHDL-SIMULATION证程序是否模块不具满足要求，可以借助MaxplusII软件完成。CPLDMaxplusII的工具，支持多种硬件描述语言的输入，是Altera公司出品的开发FPGA/VHDL包括本文件输入两种方式，、VerilogHDL、AHDL在Max+plus等，有图形文件输入和文Ⅱ上可以完成基于硬件描述语言的程序设计、时序仿真和功能仿真、编程下载的整个流程，它提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行器件编程与下载到芯片中。MaxplusII入方式，1）编写程序。在软件仿真的主要流程为：在编辑窗口输入前述的软件中选择文本输文件。2节点载入、3））文件编译。波形仿真。选择输入波形设置，“Waveform运行仿真后就可以得到输Editor”菜单进行-132-出结果波形。图4是在MaxplusII下的仿真波形。图4VDHL仿真结果从图4的仿真波形图可以看出，当vc=1、bm=1、vs=0足设计要求。、mode=0、hks=0时，bE=1，其他情况时bE=0，满3.3Multisim环境下的元件符号创建要在Multisim使用用户制作的VHDL元件，除了编写、编译VHDL程序外，还必须给元件创建一个电路符号。按照元件制作向导（COMPONENTWIZARD步里选择）VHDL完成每一步操作，中生成的“在“仿真模型选择””文件，并对默认这一的符号进行修改，修改后的元件符号如图3所示，最后保存制作好的VHDL逻辑功能元件模型。3.4逻辑功能元件测试在Multisim10.0中对创建的逻辑功能元件进行测试，测试电路如图5所示。测试电路由逻辑功能元件bohao、5V直流电源、开关及电阻组成，开关闭合时，bohao元件对应的输入端为高电平，断开时输入为低电平，电路测试了bE电位探针端的电位输出，（Probe）读取。测试结果见表输出数值由Multisim10.02。提供的图5逻辑功能元件测试表2中的“1”、“0”、“x”分别表示高、低电平和任意值。从表2中可看出，当满足vcc、mb为高电平且hks、mode、vs为低电平条件时，输出端bE电平为为-2.66-3.59V（相对高电平）V（相对低电平），不满足此条件时输出电平，电平的相对变化满足控制要求。（高电平）

李永成，等电话机拨号集成电路仿真设计表3基本功能测试表vcc0mbmodevsbE(V)00hks-3.5911xxxx-3.5910xxxx11x-3.59-3.59110x1100xx1-2.66110000-3.5911011-3.5911110-3.5911101-3.59111101110-3.591-3.59-3.594拨号集成电路的设计与测试4.1拨号集成电路HM9102D设计前述的VHDL建模完成了逻辑功能元件bohao）的设计，要实现HM9102D[16]元件的设计目标，还需要设计模拟电路以及电平转换电路。设计的集成电路HM9102D（图6）由VHDL逻辑功能元件bohao）、比较器、压控开关、8个交流信号源及三极管开关电路组成，完成的电路以子电路的形式封装成一个元件。电路原理：bohao元件的输入控制bE的输出，bE端通过比较器进行电平转换后，控制压控开关的接通与关闭，从而控制信号源的输出。输出频率的组合关系由外电路（拨号键盘）来控制，静噪功能由三极管接成的开关电路完成。集成运放741组成同向比较器，其作用是进行电平转换。由于设计的bohao元件的输出端电压相对高值和低值分别为-2.66V和-3.59V，因此要通过比较器将bohao的输出转化为真正的高低电平。转换时，当bE的输出电压大于-3V时，集成运放741输出高电平，反之输出低电平。当比较器输出高电平时，电压控制开关（J2）的触头闭合，TONE接通由8个不同频率的正弦信号源，根据r1~r4及c1~c4的连接（参见图7）情况输出相应的组合正弦信号，同时三极管Q1饱和导通，使静躁端MUTE输出低电平。当比较器输出低电平时，电压控制开关（J2）的触头断开，TONE端无输出，同时三极管截止，此时静躁端MUTE输出高电平。图6HM9102D子电路4.2HM9102D子电路测试在Multisim10.0软件中，按图7完成HM9102D测试电路连接，其中VDD、MB分别通过开关J1、J2与5V电源相接，开关合上为高电平，HKS、MODE、VSS端分别通过开关J3、J4、J5与“地”相接，开关合上时为低电平。输出端MUTE连接发光二极管，测试输出电平的高低。TONE端连接示波器，测量输出信号波形。r1~r4及c1~c4连接按钮矩阵，按钮矩阵模拟电话机的按键。测试结果见表3。表中J1~J5列的“1”表示开关接通，“0”表示断开，“x”表示任意状态，Key列的“On”表示拨号盘的按键按下，“Off”表示按键松开，MUTE列的“1”和“0”分别表示电平的高低，TONE无双音频输出。列的“1”表示TONE端有双音频输出，“0”表示图7HM9102D子电路测试-133-（（

《电子设计工程》2019年第2期表3HM9102D测试结果J11J2Key11J30J4OnMUTE0TONE11100J5110000On10110111On011110On1011101On11110110On1101On100x10x1xxxOn10xOn100x0xxxxxxxx10xOffOnOff10104.3测试结果分析0表2的测试结果显示，当满足VDD=1、MB=1、HKS=0矩阵的任一按钮，、MODE=0、VSS=0TONE（第端输出了双音频信号，1数据行）时，按下按钮且净噪端MUTE=0。不符合上述要求时，MUTE=1，TONE=0所有按键分别按下，，测试结果完全符合设计要求。对拨号盘的其输出波形均符合表1要求的频率组合。图8是按下按键“1”、“2”、“3”时的TONE端输出波形图。图8TONE端输出的波形5结束语本文考虑数模混合集成电路的复杂性，在数字电路部分利用了Multisim提供的VHDL模块进行数字逻辑电路设计，生成VHDL元件，编写的VHDL程序使用MaxplusII进行仿真验证，最后由VHDL元件与模拟电路组成拨号集成电路。实验证明，这种方法无需采用数字逻辑元件组成数字电路，使设计变得更加简单便捷。由于采用的元件较少，本设计应用于电话机的仿真中将使运行更加流畅。在设计过程中发现，HM9102D的振荡电路对仿真运行速度有较大影响，当HM9102D连接了晶振时运行速度明显变慢，这个问题有待在后续研究中-134-解决。参考文献：[1]沈欢，中的应用王云秀，[J].大众科技，沈钻杨，等im（8）:117-119.在电子类教学[2]付扬革[J]..基于实验技术与管理，Multisim技术的电子电路综合设计改[3]张静，任文华.Multisim仿真软件在模拟电路课程2017（4）:112-114，198.[4]习大力教学中的应用[J].计算机时代，2016（12）:95-97.析[J].现代电子技术，.基于multisim82013的串联谐振电路的仿真分[5]张立立，杨华，孟祥博，等.基于，36（8Multisim）:143-144.制解调系统的设计与仿真[J].实验技术与管理，的振幅调[6]杨明，2017（高春林12）：125-127.基于Multisim，171逻辑功能的仿真[J].电子测试，的集成计数器及应用[7]朱璇，与制陈达成，作[J].电谢国雄脑知识.ZX—20292017与技术，型电话机的原理（9）:11-13.3431-3435.2012，2013（5x）:[8]崔金玉刊，2014.终端电话机工作过程研究（2）:54-56.[J].高师理科学[9]王彩凤，的应用[J].李卫兵，实验科学与技术，卞丽.VHDL2014语言在电子设计中[10]屈宝鹏，频率计的设计与实现张喜凤，李想.[J].基于现代电子技术，VHDL（4的高精度数字）:65-67.2013，36[11]（陈军18）仿真实现研究.:144-147.基于MaxplusⅡ[J].辽宁大学学报的短时傅里叶变换分析及2016（1）:27-31.:自然科学版，[12]车玮仪表用户，.基于CPLD2016（的多功能数字钟的设计3）:16-19.[J].仪器[13]金臻，结果与实际功能不一致问题研究姜丽梅.基于VHDL设计的FPGA[J].数字技术与功能仿真[14]王霜，应用，秦亚利2017（2）.一款控制模块备用电源的设计:111-113.科技创新导报，2016（20）:4-5.[J].[15]吴华，号发生器设计与实现王辉，温俊青，等.[J].基于软件导刊，VHDL的16QAM2018（1）信113-115.：[16]张海宁，实验研究白福，1844，1864.[J].计算机与数字工程，王立，等.基于Multisim2016的虚拟仿真（9）:1842-