Двутональный многочастотный (DTMF) генератор на AVR. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Телефония

 Комментарии к статье

Отличительные особенности

• Генерация синусоидальных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
• Объединение различных синусоидальных сигналов в один DTMF-сигнал
• Исходные коды на языках ассемблер и Си
• Разработан для совместной работы с STK500
• Размер кода программы 260 байт/размер таблицы констант 128 байт
• Использование метода табличного преобразования

Введение

Данный документ описывает методику генерации DTMF-сигналов (двутональные многочастотные сигналы) с использованием любого AVR-микроконтроллера, содержащего блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и статическое ОЗУ. Данные сигналы находят широкое применение в телефонии, где они воспроизводятся при нажатии на кнопки набора номера телефонного аппарата. Для правильной генерации DTMF-сигнала необходимо наложить две частоты вместе: низкую частоту (fb) и высокую частоту (fa). В таблице 1 показано как смешиваются различные частоты для получения DTMF-тонов при нажатии на различные клавиши.

Рисунок 1. Схема генератора DTMF-сигнала

Таблица 1. Матрица формирования тонального сигнала

В строках таблицы 1 представлены значения низкой частоты, а в столбцах - значения высокой частоты. Например, в матрице показано, что при нажатии на кнопку "5" должны смешиваться частоты fb = 770 Гц и fa = 1336 Гц. В результате сложения двух синусоидальных сигналов разных частот образуется DTMF-сигнал

(1)

где отношение амплитуд K=A_b/A_a исходных сигналов должно отвечать условию

(2)

Принцип действия

Помимо общих сведений об использовании широтно-импульсной модуляции далее будет показано как широтно-импульсная модуляция позволяет генерировать синусоидальные сигналы. В следующем параграфе описывается как, используя базовую частоту ШИМ получить различные частоты. После рассмотрения теоретических основ будет дано описание непосредственно генератора DTMF-сигнала. Генерация синусоидальных сигналов

В зависимости от соотношения длительности высокого VH и низкого VL уровней напряжения среднее значение на выходе ШИМ изменяется. Если соотношение между длительностями обоих уровней удерживать постоянным, то в результате будет генерироваться постоянный уровень напряжения VAV. Рисунок 2 показывает сигнал с широтно-импульсной модуляцией.

Рисунок 2. Генерация уровня постоянного напряжения

Уровень напряжения определяется выражением:

(3)

Синусоидальный сигнал может генерирован при условии, что среднее значение напряжения, генерируемого широтно-импульсной модуляцией будет изменяться каждый период ШИМ. Соотношение между высоким и низким уровнями должно задаваться в соответствие с уровнем напряжения синусоидального сигнала при соответствующем времени. На рисунке 3 иллюстрируется данный процесс. Исходные данные для ШИМ вычисляются для каждого ее периода и записываются в таблицу преобразования (ТП).

Рисунок 3 также иллюстрирует зависимость между частотой основного синусоидального сигнала и количеством выборок. Чем выше число выборок (Nc) - тем выше точность моделирования результирующего сигнала:

(4)

Частота ШИМ зависит от разрешающей способности ШИМ. При 8-разрядном разрешении, конечное значение (вершина счета) таймера равно 0xFF (255). Т.к. таймер выполняет счет в прямом и обратном направлениях, то данное значение должно быть удвоено. Поэтому, частота ШИМ может быть вычислена путем деления тактовой частоты таймера f_CK на 510. Таким образом, при частоте тактирования таймера 8 МГц результирующая частота ШИМ составит 15.6 кГц .

Рисунок 3. Генерация синусоидального сигнала с использованием ШИМ

Изменение частоты синусоидального сигнала

Предположим, что синусоидальные выборки считываются из таблицы преобразования не последовательно, а через одну. В этом случае при той же частоте чтения выборок будет генерироваться сигнал с удвоенной частотой (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Удвоение результирующей частоты (XSW = 2)

По аналогии, если считывать не каждое второе значение, а каждое третье, четвертое, пятое (соответственно, ширина шага 3, 4, 5…) и т.д. можно генерировать Nc-частот в диапазоне [1/T Гц .. 0 Гц]. Обратите внимание, что для высоких частот результирующая форма сигнала не будет синусоидальной. Ширину шага по таблице преобразования обозначим как X_SW, где

(5)

Вычисление текущей позиции в ТП для следующего периода ШИМ (при переполнении таймера) выполняется с помощью выражения (6). Новое значение в позиции X_LUT зависит от его предыдущего состояния в позиции X'_LUT с прибавлением ширины шага X_SW

(6)

Сложение разных частот для получения DTMF-сигнала

DTMF-сигнал может быть сгенерирован с помощью выражений (1) и (2). Для простоты арифметических действий значение коэффициента К принимается равным 0.75, чтобы арифметическое действие заменить логическими сдвигами. С учетом выражения (6) текущее значение для управления ШИМ может быть вычислено по выражению:

(7)

а с учетом, что X_LUTa=X'_LUTa + X_SWa,X_LUTb=X'_LUTb + X_SWb, окончательно запишем

(8)

Реализация DTMF-генератора

В данном приложении рассматривается построение DTMF тонального генератора с использованием выхода 8-разрядной ШИМ (OC1A) и таблицы с 128 выборками значений синусоидальной функции (Nc), каждая из которых задается 7 битами (n). Следующие выражения показывают эту зависимость, а также показывают как вычислить элементы таблицы преобразования:

(9)

Преимуществом использования 7 бит является то, что сумма значений сигналов высокой и низкой частоты имеет размер одного байта. Для поддержки полного набора DTMF-тонов необходимо вычислить 8 значений для каждой DTMF-частоты из таблицы 1 и занести их в таблицу преобразования.

Для достижения более высокой точности выполнено следующее решение: значения, вычисленные по выражению 5 требуют всего 5 байт. Для использования всех 8 байт, что позволит уменьшить погрешность округления, это значение умножается на 8. Указатель на таблицу преобразования записывается таким же способом. Но в этом случае требуется два байта для запоминания 8-кратного значения. Это означает, что необходимо выполнить 3 правосторонних сдвига и операцию модуля по основанию Nc (логическое умножение на Nc-1) перед использованием этих байт как указателя на значения синусоиды в

(10)

Рисунок 5. Схема модуля для подключения к STK500

ШИМ-сигнал формируется на выводе OC1A (PD5). Дополнительный выходной фильтр будет способствовать большему соответствию синусоидальной форме сигнала. При уменьшении частоты ШИМ может возникнуть необходимость применения фильтра с более крутой АЧХ для получения хорошего результата.

Подключение клавиатуры показано на рисунке 1. Работа клавиатуры должна быть организована таким образом, чтобы была возможность определения нажатой клавиши. Это может быть выполнено по следующему алгоритму:

1. Определение строки нажатой клавиши
   • настроить младшую тетраду порта В на выход и установить лог. "0"
   • настроить старшую тетраду порта В на вход с подключением подтягивающих резисторов
   • строка с нажатой кнопкой определяется как разряд старшей тетрады с лог. "0"
2. Определение столбца нажатой клавиши
   • настроить старшую тетраду порта В на выход и установить лог. "0"
   • настроить младшую тетраду порта В на вход с подключением подтягивающих резисторов
   • столбец с нажатой кнопкой определяется как разряд младшей тетрады с лог. "0"

Прим.: В STK200 между выводами разъема PORTB и выводами микроконтроллера BP5, PB6 и PB7 включены последовательно резисторы (см. схему STK200). Это вызовет проблемы если клавиатура подключена к разъему PORTB.

Рисунок 6 иллюстрирует работу подпрограммы по определению нажатой клавиши. В зависимости от нажатой клавиши определяется длительность интервала. Процедура обработки прерывания использует это значение для вычисления установок ШИМ для двух синусоид DTM-тона. Процедура обработки прерывания показана на рисунках 7 и 8.

Эта процедура вычисляет значение для сравнения с выходом таймера на следующий период ШИМ. Процедура обработки прерываний сперва вычисляет позицию значения следующей выборки в таблице преобразования и считывает сохраненное там значение.

Позиция выборки в таблице преобразования определяется длительностью импульса, а собственно длительность импульса определяется генерируемой частотой.

Окончательное значение, которое записывается в регистр сравнения таймера, определяется с использованием формулы (7), где учитываются значения выборок обеих DTMF-частот.

Рисунок 6. Блок-схема основной программы

Рисунок 7. Блок-схема процедуры обработки прерывания по переполнению таймера

Рисунок 8. Блок-схема процедуры чтения выборки "GetSample"

Публикация: cxem.net

Смотрите другие статьи раздела Телефония.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Честная награда усиливает память 29.06.2020 Один из факторов, влияющих на память, - это награда. Все, что связано с вознаграждением, запоминается особенно хорошо, но, хотя положительное влияние награды на память известно давно, не вполне понятно, как долго такое влияние длится и как в деталях работает психологический механизм, связывающий награду и память. Что выяснить это, исследователи из Женевского университета, Университета Торонто и Вейцмановского института поставили эксперимент, в котором около трех десятков добровольцев должны были указать, как связаны между собой некие персонажи и некие объекты. Выглядело это так: человеку показывали персонажа и на выбор два предмета, и нужно было сказать, какой предмет соответствует персонажу. Тут можно было либо угадать, либо не угадать, и за каждый правильный ответ участник эксперимента получал очко, если же он не угадывал, то очко терялось; заработанные очки потом превращались в реальные деньги. Очевидно, исследователи могли произвольно определять, насколько успешно сыграет человек: ему позволяли угадать почти все, либо почти ничего, либо пятьдесят на пятьдесят. Спустя двадцать минут после первого раунда нужно было пройти второй - снова требовалось угадать ассоциации между персонажем и предметами, чтобы заработать дополнительные очки. Но теперь участники эксперимента могли вспомнить, какие связи правильны, а какие неправильные - они ведь только что в это играли. Если награда усиливает память, то можно было ожидать, что во втором раунде лучше всего сыграют те, кто в первом получил больше всего денег - они должны были лучше других запомнить связи между картинками. Участники эксперимента играли в игру, находясь в аппарате магнитно-резонансной томографии - так удалось увидеть, что, вспоминая ассоциации, мозг подключал не только обычный центр памяти гиппокамп, но и еще одну область, которая входит в систему подкрепления и которая отвечает за удовольствие от награды и за мотивацию. Однако, как говорится в статье в Nature Communications, лучше всего память сработала у тех, кто получил умеренную награду, не самую маленькую, но и не самую большую. Слишком легкая игра, слишком легко доставшееся вознаграждение не мотивировало мозг на запоминание. Память усиливается от честной награды - то есть от такой, на которую действительно затрачены какие-то усилия, а не от той, которая досталась почти даром.

Другие интересные новости:

▪ Опасность космического мусора

▪ Женский контрацептив с дистанционным управлением

▪ Уничтожение мусора в космосе

▪ Блоки питания 3Logic R-Senda для мощных майнинговых ферм

▪ Станция биометрической идентификации Printrak LiveScan Station Portable

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Инструмент электрика. Подборка статей

▪ статья Здравствуй, племя младое, незнакомое! Крылатое выражение

▪ статья Как растения добывают свою пищу? Подробный ответ

▪ статья Приусадебный грузовичок. Личный транспорт

▪ статья Металлоискатель из доступных элементов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Новое звучание 6АС-2. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026