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单摆实验计数器控制电路的设计

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ID:455526 发表于 2018-12-26 15:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、设计说明



在物理实验中,通常采用人工计时测量单摆摆动时间,再用人工技术统计的方法测量单摆摆动的周期数,这种方法实验误差大,也很麻烦。单摆实验计数器,配合电子秒表可以自动测量单摆摆动的周期时间,具有方便快捷、方便准确的特点,其原理框图如图1所示。

二、技术指标

1.电源输出电压为:+5V。 2.计数器的最大值为100。3.计数显示用LED数码管。

4.根据技术指标,通过分析计算确定电路和元器件参数。5.画出电路原理图(元器件标准化,电路图规范化)。

、实验要求

1.根据技术指标制定实验方案;验证所设计的电路,用软件仿真。

2.进行实验数据处理和分析。

、推荐参考资料

1. 童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础[M]北京:高等教育出版社,2006年

、按照要求撰写课程设计报告

成绩      指导教师    日期

目    录
第1章  概要设计

1.1任务的内容与要求

1.2任务分析与理解

第2章 详细设计

2.1电路模块

2.2信号发生器

2.3二进制计数器

2.4控制电路

2.5 计时器

第3章使用说明与误差分析

3.1使用说明

3.2误差分析

参考文献
附录1(电路总图)
附录2(元件清单)

第1章  概要设计
1.1
任务的内容与要求

在物理实验中,通常采用人工计时测量单摆摆动时间,再用人工技术统计的方法测量单摆摆动的周期数,这种方法实验误差大,也很麻烦。单摆实验计数器,配合电子秒表可以自动测量单摆摆动的周期时间,具有方便快捷、方便准确的特点,其原理框图如图1.1所示。

要求:
1.电源的输出电压为+5V。
2.计数器的最大值为100。
3.计数显示用LED数码管。
4.根据技术指标,通过分析计算确定电路和元器件参数。
5.画出电路原理图(元器件标准化,电路图规范化)。
6.根据技术指标制定实验方案;验证所设计的电路,用软件仿真。
7.进行实验数据处理和分析。

1.2
任务分析与理解

图1.2 单摆示意图

如图1.2所示,单摆摆动过程中,选取最低点为计时点,第一次过最低点时,计时电路开始工作,计数器LED数码管显示0,第二次过最低点时,计数器LED数码管显示1,第三次过最低点时,计时电路停止工作,计数器LED数码管显示0。由此可知,我需要一个二进制的计数器,为了满足计数器的最大值为100,我需要设计一个101进制的计数器,为了让计数器LED数码管显示0时计时器停止工作,这就需要设计电路,为了驱动电路工作,还需要一个CLK的信号,从而需要信号发生器。
第2章 详细设计
2.1电路模块
              根据第1章第2节的分析和理解,可以得到电路模块,如图2.1所示:

图2.1电路模块图
2.2信号发生器
根据任务的需要,我需要设计一个矩形脉冲,通过计数器的计数功能实现计时功能,从而得到单摆的摆动周期,我设计的是一个由555触发器接成的多谢振荡器,振荡周期T=1ms,输出脉冲幅度大于3V而小于5V,输出的脉冲的占空比q=2/3的多谢振荡器。
根据周期公式:
T=(R1+2*R2)Cln2                        (1)
占空比公式:
q=(R1+R2)/(R1+2*R2)                    (2)
假设C=10uF,综合周期的公式(1)、(2),可以得到:
R1=R2=48Ω

按照上面的计算结果的C、R1、R2的具体值,可连接如图2.2.1的电路:

图2.2.1 555触发器组成的多谢振荡器

将输出端OUT接在示波器上,可以得到如图2.2.2输出波形图:

图2.2.2 多谢振荡器的输出波形图


2.3二进制计数器
图2.3.1所示,图是一个二进制电路,用来表示小球摆动到最低位的次数采用的是十进制的74LS160的片子,运用置零法,输入端ABCD都接地,ENP、ENT、LORD、CLK这三个接线柱接上高电平,其中在接CLK端加一个开关,通过开关的闭合就可以控制输出,再将输出端OB接上一个非门接到CLR端上,这样就接成一个二进制电路,通过开关的闭合,让计数器工作,从而实现计数的功能。当LED数码管第一次显示0的时候表示小球第一次过最低点,当LED数码管显示1的时候,表示小球第二次过最低点,所用的时间就是半个周期,当LED数码管第二次显示0的时候,计时器停止工作,这时,计数器LED数码管显示的示数就是单摆的周期,单位是毫秒。

图2.3.1 用74LS160组成的二进制计数器
2.4控制电路
如图2.4.1所示,图是一个控制电路,我采用的D触发器,来让计时器停止工作,当计数器有进位输出的时候就触发D触发器工作,输出低电平信号,对于74LS160的片子来说,如果ENP端是接在低电平上,片子就保持原状态,其中D触发器的Q非输出端接在计时器最低位位片子的ENP,使计时器停止工作,数码管显示的示数即为单摆的周期。

图2.4.1 D触发器组成的控制电路
2.5 计时器
为了设计出最大值为100的计数器,我用了三片74LS160,采用并联的方式,将它们接成最大为1000进制的计数器,再采用置零的办法将片子接成了101进制的计数器。具体方法是将U5的OA与U3的OA接一个与非门之后再把它接到U3的置零端CLR上,U5的进位输出端RCO接在U2片子的ENP、ENT上,U2的进位输出端RCO接在U3的ENP、ENT上,U3的仅为输出端RCO悬空,U5、U2、U3的输入端A、B、C、D都与地相接,把三个片子的CLK串在一起接到信号发生器的输出,这样就连成了一个101进制的计数器。
图2.5.1  3片74LS160组成的101进制计数器
第3章使用说明与误差分析
3.1使用说明
              开关最初处于断开状态,当小球处于摆动的最低点的时候开启电路,开始计时,小球再次到达最低点的时候闭合开关,再马上开启开关,这时候计数器显示1,等到小球再次到达最低点位置,闭合开关,马上开启开关,这时计时器停止工作,这时显示的时间就是单摆的周期。如图3.3.1所示,周期T=38ms

图3.3.1 使用结果
3.2误差分析
误差来源:仪器本身存在的误差,操作带来的误差。其中操作带来的误差是不要部分,例如:在让计时器停止工作的时候,利用的是计数器的计数到2的时候进位输出端RCO输出高电平信号经过一个非门,得到的这个低电平信号驱动D触发器工作,D触发器的输入端D是接在高电平上的,从而输出端Q输出高电平,输出端Q非输出低电平,Q非接在U5的ENP端,计数器ENP如果是接在低电平的话,计数器就会进入保持状态,从而实现计时器暂停功能,由此可以知道,停止计时器工作需要相当长的时间来处理信号,对于用毫秒作计时单位的计时器有不小的误差。

附录1(电路总图)
总的电路图:

附录2(元件清单
微信截图_20181226155356.png
本人初学,仅供参考,存在错误和不足之处,请大家回帖多多指教,切勿照搬
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ID:1 发表于 2018-12-29 22:56 | 显示全部楼层
好资料,51黑有你更精彩!!!
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ID:996941 发表于 2021-12-25 21:25 | 显示全部楼层
刚把你图画出来了,实现不了,求大神指导
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ID:491875 发表于 2021-12-26 19:32 | 显示全部楼层
用应该槽型光耦可以解决时钟脉冲问题,555和机械开关也就没有必要存在了
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