單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)器控制電路的設(shè)計(jì)

ID:455526 · 發(fā)表于 2018-12-26 15:52

一、設(shè)計(jì)說明

在物理實(shí)驗(yàn)中，通常采用人工計(jì)時(shí)測量單擺擺動時(shí)間，再用人工技術(shù)統(tǒng)計(jì)的方法測量單擺擺動的周期數(shù)，這種方法實(shí)驗(yàn)誤差大，也很麻煩。單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)器，配合電子秒表可以自動測量單擺擺動的周期時(shí)間，具有方便快捷、方便準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其原理框圖如圖1所示。

二、技術(shù)指標(biāo)

1．電源輸出電壓為：+5V。 2．計(jì)數(shù)器的最大值為100。3．計(jì)數(shù)顯示用LED數(shù)碼管。

4．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。5．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。

三、實(shí)驗(yàn)要求

1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用軟件仿真。

2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

四、推薦參考資料

1. 童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年

五、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告

成績指導(dǎo)教師日期

目錄

第1章概要設(shè)計(jì)

1.1任務(wù)的內(nèi)容與要求

1.2任務(wù)分析與理解

第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1電路模塊

2.2信號發(fā)生器

2.3二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

2.4控制電路

2.5 計(jì)時(shí)器

第3章使用說明與誤差分析

3.1使用說明

3.2誤差分析

參考文獻(xiàn)

附錄1（電路總圖）

附錄2（元件清單）

第1章概要設(shè)計(jì)
1.1任務(wù)的內(nèi)容與要求

在物理實(shí)驗(yàn)中，通常采用人工計(jì)時(shí)測量單擺擺動時(shí)間，再用人工技術(shù)統(tǒng)計(jì)的方法測量單擺擺動的周期數(shù)，這種方法實(shí)驗(yàn)誤差大，也很麻煩。單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)器，配合電子秒表可以自動測量單擺擺動的周期時(shí)間，具有方便快捷、方便準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其原理框圖如圖1.1所示。

要求：

1．電源的輸出電壓為+5V。

2．計(jì)數(shù)器的最大值為100。

3．計(jì)數(shù)顯示用LED數(shù)碼管。

4．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。

5．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。

6．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用軟件仿真。

7．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

1.2任務(wù)分析與理解

圖1.2 單擺示意圖

如圖1.2所示，單擺擺動過程中，選取最低點(diǎn)為計(jì)時(shí)點(diǎn)，第一次過最低點(diǎn)時(shí)，計(jì)時(shí)電路開始工作，計(jì)數(shù)器LED數(shù)碼管顯示0，第二次過最低點(diǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器LED數(shù)碼管顯示1，第三次過最低點(diǎn)時(shí)，計(jì)時(shí)電路停止工作，計(jì)數(shù)器LED數(shù)碼管顯示0。由此可知，我需要一個(gè)二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，為了滿足計(jì)數(shù)器的最大值為100，我需要設(shè)計(jì)一個(gè)101進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，為了讓計(jì)數(shù)器LED數(shù)碼管顯示0時(shí)計(jì)時(shí)器停止工作，這就需要設(shè)計(jì)電路，為了驅(qū)動電路工作，還需要一個(gè)CLK的信號，從而需要信號發(fā)生器。

第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)
2.1電路模塊

根據(jù)第1章第2節(jié)的分析和理解，可以得到電路模塊，如圖2.1所示：

圖2.1電路模塊圖

2.2信號發(fā)生器

根據(jù)任務(wù)的需要，我需要設(shè)計(jì)一個(gè)矩形脈沖，通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，從而得到單擺的擺動周期，我設(shè)計(jì)的是一個(gè)由555觸發(fā)器接成的多謝振蕩器，振蕩周期T=1ms,輸出脈沖幅度大于3V而小于5V，輸出的脈沖的占空比q=2/3的多謝振蕩器。

根據(jù)周期公式：

T=(R1+2*R2)Cln2 （1）

占空比公式：

q=(R1+R2)/(R1+2*R2) （2）

假設(shè)C=10uF,綜合周期的公式（1）、（2）,可以得到：

R1=R2=48Ω

按照上面的計(jì)算結(jié)果的C、R1、R2的具體值，可連接如圖2.2.1的電路：

圖2.2.1 555觸發(fā)器組成的多謝振蕩器

將輸出端OUT接在示波器上，可以得到如圖2.2.2輸出波形圖：

圖2.2.2 多謝振蕩器的輸出波形圖

2.3二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

圖2.3.1所示，圖是一個(gè)二進(jìn)制電路，用來表示小球擺動到最低位的次數(shù)采用的是十進(jìn)制的74LS160的片子，運(yùn)用置零法，輸入端ABCD都接地，ENP、ENT、LORD、CLK這三個(gè)接線柱接上高電平，其中在接CLK端加一個(gè)開關(guān)，通過開關(guān)的閉合就可以控制輸出，再將輸出端OB接上一個(gè)非門接到CLR端上，這樣就接成一個(gè)二進(jìn)制電路，通過開關(guān)的閉合，讓計(jì)數(shù)器工作，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能。當(dāng)LED數(shù)碼管第一次顯示0的時(shí)候表示小球第一次過最低點(diǎn)，當(dāng)LED數(shù)碼管顯示1的時(shí)候，表示小球第二次過最低點(diǎn)，所用的時(shí)間就是半個(gè)周期，當(dāng)LED數(shù)碼管第二次顯示0的時(shí)候，計(jì)時(shí)器停止工作，這時(shí)，計(jì)數(shù)器LED數(shù)碼管顯示的示數(shù)就是單擺的周期，單位是毫秒。

圖2.3.1 用74LS160組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

2.4控制電路

如圖2.4.1所示，圖是一個(gè)控制電路，我采用的D觸發(fā)器，來讓計(jì)時(shí)器停止工作，當(dāng)計(jì)數(shù)器有進(jìn)位輸出的時(shí)候就觸發(fā)D觸發(fā)器工作，輸出低電平信號，對于74LS160的片子來說，如果ENP端是接在低電平上，片子就保持原狀態(tài)，其中D觸發(fā)器的Q非輸出端接在計(jì)時(shí)器最低位位片子的ENP，使計(jì)時(shí)器停止工作，數(shù)碼管顯示的示數(shù)即為單擺的周期。

圖2.4.1 D觸發(fā)器組成的控制電路

2.5 計(jì)時(shí)器

為了設(shè)計(jì)出最大值為100的計(jì)數(shù)器，我用了三片74LS160，采用并聯(lián)的方式，將它們接成最大為1000進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，再采用置零的辦法將片子接成了101進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。具體方法是將U5的OA與U3的OA接一個(gè)與非門之后再把它接到U3的置零端CLR上，U5的進(jìn)位輸出端RCO接在U2片子的ENP、ENT上，U2的進(jìn)位輸出端RCO接在U3的ENP、ENT上，U3的僅為輸出端RCO懸空，U5、U2、U3的輸入端A、B、C、D都與地相接，把三個(gè)片子的CLK串在一起接到信號發(fā)生器的輸出，這樣就連成了一個(gè)101進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。

圖2.5.1 3片74LS160組成的101進(jìn)制計(jì)數(shù)器

第3章使用說明與誤差分析
3.1使用說明

開關(guān)最初處于斷開狀態(tài)，當(dāng)小球處于擺動的最低點(diǎn)的時(shí)候開啟電路，開始計(jì)時(shí)，小球再次到達(dá)最低點(diǎn)的時(shí)候閉合開關(guān)，再馬上開啟開關(guān)，這時(shí)候計(jì)數(shù)器顯示1，等到小球再次到達(dá)最低點(diǎn)位置，閉合開關(guān)，馬上開啟開關(guān)，這時(shí)計(jì)時(shí)器停止工作，這時(shí)顯示的時(shí)間就是單擺的周期。如圖3.3.1所示，周期T=38ms

圖3.3.1 使用結(jié)果

3.2誤差分析

誤差來源：儀器本身存在的誤差，操作帶來的誤差。其中操作帶來的誤差是不要部分，例如：在讓計(jì)時(shí)器停止工作的時(shí)候，利用的是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)到2的時(shí)候進(jìn)位輸出端RCO輸出高電平信號經(jīng)過一個(gè)非門，得到的這個(gè)低電平信號驅(qū)動D觸發(fā)器工作，D觸發(fā)器的輸入端D是接在高電平上的，從而輸出端Q輸出高電平，輸出端Q非輸出低電平，Q非接在U5的ENP端，計(jì)數(shù)器ENP如果是接在低電平的話，計(jì)數(shù)器就會進(jìn)入保持狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器暫停功能，由此可以知道，停止計(jì)時(shí)器工作需要相當(dāng)長的時(shí)間來處理信號，對于用毫秒作計(jì)時(shí)單位的計(jì)時(shí)器有不小的誤差。

附錄1（電路總圖）

總的電路圖：