单摆实验计数器控制电路的设计

ID:455526 · 发表于 2018-12-26 15:52

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）。

三、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。

四、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

五、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：