單擺實驗計數器控制電路的設計

ID:455526 · 發表于 2018-12-26 15:52

一、設計說明

在物理實驗中，通常采用人工計時測量單擺擺動時間，再用人工技術統計的方法測量單擺擺動的周期數，這種方法實驗誤差大，也很麻煩。單擺實驗計數器，配合電子秒表可以自動測量單擺擺動的周期時間，具有方便快捷、方便準確的特點，其原理框圖如圖1所示。

二、技術指標

1．電源輸出電壓為：+5V。 2．計數器的最大值為100。3．計數顯示用LED數碼管。

4．根據技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數。5．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規范化）。

三、實驗要求

1．根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用軟件仿真。

2．進行實驗數據處理和分析。

四、推薦參考資料

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

五、按照要求撰寫課程設計報告

成績指導教師日期

目錄

第1章概要設計

1.1任務的內容與要求

1.2任務分析與理解

第2章詳細設計

2.1電路模塊

2.2信號發生器

2.3二進制計數器

2.4控制電路

2.5 計時器

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

附錄1（電路總圖）

附錄2（元件清單）

第1章概要設計
1.1任務的內容與要求

在物理實驗中，通常采用人工計時測量單擺擺動時間，再用人工技術統計的方法測量單擺擺動的周期數，這種方法實驗誤差大，也很麻煩。單擺實驗計數器，配合電子秒表可以自動測量單擺擺動的周期時間，具有方便快捷、方便準確的特點，其原理框圖如圖1.1所示。

要求：

1．電源的輸出電壓為+5V。

2．計數器的最大值為100。

3．計數顯示用LED數碼管。

4．根據技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數。

5．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規范化）。

6．根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用軟件仿真。

7．進行實驗數據處理和分析。

1.2任務分析與理解

圖1.2 單擺示意圖

如圖1.2所示，單擺擺動過程中，選取最低點為計時點，第一次過最低點時，計時電路開始工作，計數器LED數碼管顯示0，第二次過最低點時，計數器LED數碼管顯示1，第三次過最低點時，計時電路停止工作，計數器LED數碼管顯示0。由此可知，我需要一個二進制的計數器，為了滿足計數器的最大值為100，我需要設計一個101進制的計數器，為了讓計數器LED數碼管顯示0時計時器停止工作，這就需要設計電路，為了驅動電路工作，還需要一個CLK的信號，從而需要信號發生器。

第2章詳細設計
2.1電路模塊

根據第1章第2節的分析和理解，可以得到電路模塊，如圖2.1所示：

圖2.1電路模塊圖

2.2信號發生器

根據任務的需要，我需要設計一個矩形脈沖，通過計數器的計數功能實現計時功能，從而得到單擺的擺動周期，我設計的是一個由555觸發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。

根據周期公式：

T=(R1+2*R2)Cln2 （1）

占空比公式：

q=(R1+R2)/(R1+2*R2) （2）

假設C=10uF,綜合周期的公式（1）、（2）,可以得到：

R1=R2=48Ω

按照上面的計算結果的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

2.3二進制計數器

圖2.3.1所示，圖是一個二進制電路，用來表示小球擺動到最低位的次數采用的是十進制的74LS160的片子，運用置零法，輸入端ABCD都接地，ENP、ENT、LORD、CLK這三個接線柱接上高電平，其中在接CLK端加一個開關，通過開關的閉合就可以控制輸出，再將輸出端OB接上一個非門接到CLR端上，這樣就接成一個二進制電路，通過開關的閉合，讓計數器工作，從而實現計數的功能。當LED數碼管第一次顯示0的時候表示小球第一次過最低點，當LED數碼管顯示1的時候，表示小球第二次過最低點，所用的時間就是半個周期，當LED數碼管第二次顯示0的時候，計時器停止工作，這時，計數器LED數碼管顯示的示數就是單擺的周期，單位是毫秒。

圖2.3.1 用74LS160組成的二進制計數器

2.4控制電路

如圖2.4.1所示，圖是一個控制電路，我采用的D觸發器，來讓計時器停止工作，當計數器有進位輸出的時候就觸發D觸發器工作，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，其中D觸發器的Q非輸出端接在計時器最低位位片子的ENP，使計時器停止工作，數碼管顯示的示數即為單擺的周期。

圖2.4.1 D觸發器組成的控制電路

2.5 計時器

為了設計出最大值為100的計數器，我用了三片74LS160，采用并聯的方式，將它們接成最大為1000進制的計數器，再采用置零的辦法將片子接成了101進制的計數器。具體方法是將U5的OA與U3的OA接一個與非門之后再把它接到U3的置零端CLR上，U5的進位輸出端RCO接在U2片子的ENP、ENT上，U2的進位輸出端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，把三個片子的CLK串在一起接到信號發生器的輸出，這樣就連成了一個101進制的計數器。

圖2.5.1 3片74LS160組成的101進制計數器

第3章使用說明與誤差分析
3.1使用說明

開關最初處于斷開狀態，當小球處于擺動的最低點的時候開啟電路，開始計時，小球再次到達最低點的時候閉合開關，再馬上開啟開關，這時候計數器顯示1，等到小球再次到達最低點位置，閉合開關，馬上開啟開關，這時計時器停止工作，這時顯示的時間就是單擺的周期。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：在讓計時器停止工作的時候，利用的是計數器的計數到2的時候進位輸出端RCO輸出高電平信號經過一個非門，得到的這個低電平信號驅動D觸發器工作，D觸發器的輸入端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，計數器ENP如果是接在低電平的話，計數器就會進入保持狀態，從而實現計時器暫停功能，由此可以知道，停止計時器工作需要相當長的時間來處理信號，對于用毫秒作計時單位的計時器有不小的誤差。

附錄1（電路總圖）

總的電路圖：