出租车计价器Multisim实验报告

出租车计价器Multisim实验报告一、装订线实验目的和要求：装订线（1）学习使用multisim软件进行电路图绘制并且仿真；（2）学习出租车里程表电路的设计思路；（3）学习霍尔元件的工作原理和方法；（4）掌握数据传输系统的原理和串并转换的实现方法。二、实验内容和原理：（一）实验内容：设计一个出租车里程表及数字传输系统，并在Multisim中选择数字器件实现该数字电子系统。出租车的轮脉冲由霍尔元件产生，假设跟教材上一样轮周长为2米，将里程数用数码管显示，然后将里程数的末两位数码管的值通过下述数字传输系统传送到接收端去并显示：在该数字传输系统中，其发送方的8位二进制数要通过一根1位数据线，传输到其接收方；要求在接收方也用两个数码管对比显示这些8位二进制数（注意：考虑到传输路径上的延迟，接收方的显示可以略为滞后于发送方的显示）。（二）实验原理：1、系统方案示意方框图如下所示：2、霍尔元件（HallEffectSensor）2.1霍尔元件的应用原理霍尔开关电路又称为霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度B逐渐增加，超过导通阈值Bop时，霍尔电路输出管导通，输出低电平，之后B再增加，仍然保持导通状态。当外加磁场B逐渐降低，低于截止阈值Brp时，输出管截止，输出高电平。之后，B再降低，仍然保持截止态。我们称Bop为工作点，Brp为释放点，两者的差BH称作回差，回差的存在使得霍尔开关电路的抗干扰能力增强。2.2霍尔元件在Multisim中的选择霍尔元件位于Misc元件库TRANSDUCERS从OHN3019U到OHS3175U均是，可选定元件后按F1键或元件属性对话框中的Help按钮查看其简要说明，而具体元件型号的Bop（MagneticOperationPoint）和Brp（MagneticReleasePoint）参数。2.3霍尔元件的接法右图1所示的是霍尔元件电路，其1脚接+5V电源正极，3脚通过上拉电阻电阻接到+5V电源正极，如果3脚没有加上拉电阻而悬空时其电压为0，而3脚加上上拉电阻到正电源时其电压固定为+5V，相当于TTL的逻辑高电平。当外加磁场超过Bop，霍尔元件三极管导通，在3脚加或没加上拉电阻。3、磁场源元件位于Sources元件库中的SIGNAL_CURRENT_SOURCESMAGNETIC_FLUX或者MAGNETIC_FLUX_GENERATOR。磁场源幅度可由自定义按键调整，如按B增大，用shift+B则减小，磁场源频率或转速由RateofRotation参数指定，以RPM（圈/分钟）为单位。4、同步时钟信号的选择：无需用晶振产生时钟，直接用时钟源即可；只能用一根1位数据线连接发送端和接收端，但同时允许有一根甚至两根1位时钟线为发送端和接收端共享；计数器可选74LS191、74LS161、74LS160、74LS192等；模拟开关（Switch）在Basic元件组中；数码管可直接用Multisim中内含译码的四位二进制数输入的数码管HEX_DISPLAY(如DCD_HEX)。5、只需要对轮脉冲进行计数，再相应得到里程数，以米为单位，里程数可以用十六进制计数及显示，数字传输系统的并串、串并转换可以考虑用74LS165、74LS164等移位寄存器数字器件。6、系统的总体设计框图可以分为几个模块(1)里程传感模块；这个模块的功能是通过磁通量磁铁和霍尔传感器来将车轮转过的一周转变为一个脉冲，然后将这个脉冲作为时钟信号输入到4位计数器，每来一个脉冲，计数器加1，以此来记录车轮转过的圈数。霍尔元件用的是OHS3019U，对于霍尔元件的介绍在之前的原理中做了简要的说明。计数器用的是芯片74191N，这个芯片的时序图如右图所示。这里用了两块74191N来分别表示出高位和低位，再分别送到两个数码管显示。这部分电路如下图所示。(2)里程单位转换模块；这部分模块的功能是利用已经得到的车轮圈数来得到行驶过的路程，这里认为一圈行驶过的路程是2m，那么只要将圈数乘以2就得到了行驶过得米数。这里用74283N芯片（4位加法器）来构成乘法器（圈数加圈数=圈数*2），并且用了两块芯片来分别表示高位和低位，然后送到数码管进行显示。这部分电路如下图所示。用圈数乘以2得到米数并显示圈数计数器即显示用圈数乘以2得到米数并显示圈数计数器即显示(3)误时模块：这部分的电路如下图所示，图中的74LS161D芯片是四位计数器，它的时序图如下图所示。由时序图可以看出，Clear端为异步清零，当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D相一致；当ENP、ENT均为高电平时，处于计数的状态。在这个实验中，LOAD始终接高电平，所以并不会置数；在时钟的作用下一直计数，直到9时（1001），U17的输出为高电平，该电路就会保持在9这个状态，一直等到里程传感模块的输出（作为这个芯片的清零信号）为低电平时进行清零，然后又重新开始计数。U17的输出相当于拉慢了时钟，输入到最终的显示里程模块。(4)数字传输以及里程显示模块这部分的电路如下所示数字传输系统的并串、串并转换可使用移位寄存器74165N来实现并串变换，用74164N来实现串并变换，再将数据输入到74LS273N八位D触发器实现对数据的存储，然后在第八个周期后读出数据，在数码管上显示，从而模拟实际中的数字传输系统。74165N的逻辑表如下所示： 当移位/置入控制端（SH/LD’）为低电平时，并行数据（A－H）被置入寄存器，当SH/LD’为高电平时，并行置数功能被禁止。而SER和INH信号时钟接的是低电平，所以每到一个时钟上升沿则输出端送出一个数。 74164N的逻辑表如下当CR为低电平时Q0~Q7输出均为低电平,当数据输入端任意一引脚为低电平时，禁止数据输入并在CP上升沿作用下决定Q0的状态。当任意一引脚为高电平的时候允许另一引脚输入数据并且在CP上升沿的作用下决定Q0的状态在使用的时候经常把其中的一个设置永久高电平。74LS273N是8位D触发器，这里的时钟输入就是刚刚误时模块中的输出，误时模块的输出相当于一个分频器，能够让数字传输模块中的8为数字都传递到74LS273的输入端时才来一个时钟上升沿，这样才能使结果比较正常地显示出来，否则很可能出现混乱。三、主要仪器设备带multisim软件的PC机一台四、操作方法和实验步骤1、打开multisim软件，新建一个空白画纸，并且保存命名。2、按照设计好的原理图添加元器件，原理图总体如下所示：3、按照原理图连好各个器件。4、点击run按钮对画好的原理图进行仿真，观察并测试结果是否正确。五、实验数据记录和处理&六、实验结果与分析1、里程传感模块和里程单位转换模块的测试：从图中可以看出，下方的数码管显示的是圈数，上方的数码管显示的是米数，二者确实是2倍的关系。而如果将这部分的S1拨到上方，可以发现两个数码管都是0，如果把S1拨回下方，把S2拨到下方，让LOAD信号变为低电平，那么结果就是两个数码管都处于混乱状态，并不能看出数字，因为LOAD处于低电平，这两个计数器就无法实现预置数的功能，也就无法找到一个合适的开始。所以这个模块的功能基本正确。2、误时模块的检测在这个模块中，U11数码管一直从0递增到9然后又重新回到0，继续递增，当递增到9的时候X2小灯会亮起，表示U17输出了高电平。因此这部分的效果也符合预期目标。3、数字传输模块的检测从仿真的结果来看，“接收方”（即经过并串、串并之后的那个数码管）的显示始终紧跟米数显示数码管的脚步，它落后于米数显示2位，因为它显示的实际上是上一个脉冲轮产生的数据。具体分析可见原理部分。下图是仿真截图：4、示波器示数分析：从上到下的4个波形分别为：ABCD四个通道的波形。A通道连接的是里程数感应模块的输出；没来一个高电平脉冲则代表转过一圈；B通道连接的是V1产生的时钟信号，22kHz；C通道连接的是误时模块的输出；D通道连接的是误时模块计数器U16的最低位。当误时模块输出为高电平时，也就是说计数器U16输出的是9（1001），很显然此时最低位也为高电平，这时它们在等待里程感应模块输出到达低电平，在下降边沿U16的CLR信号低电平有效被清零，所以二者都变成了低电平，然后等到里程感应模块的低电平消失，高电平到来（表示又转了新的一圈），这时U16开始计数，地位开始翻转变化，如D通道所示。B通道的周期从图中看来大概为44.983us，这与它22kHz的理论值相差不多，在可接受的误差范围内。至此可以说该出租车里程显示系统能够完成我们预期的功能。七、讨论、思考通过这次的实验，我深刻地感受到数字电路模块化所带来的便利。在设计一