數(shù)字電路設(shè)計(jì)——重力加速度測(cè)定

1、數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期1數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告題 目(A)： 重力加速度的測(cè)定 組 號(hào)： A7 任課教師： 組 長(zhǎng)： 成 員： 成 員： 成 員： 成 員： 聯(lián)系方式： 二零一四年 二月 十八 日數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期2目錄目錄一、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?二、二、 電路設(shè)計(jì)方案及工作原理電路設(shè)計(jì)方案及工作原理3三、三、 原理圖原理圖 4四、四、 實(shí)際電路的測(cè)試及結(jié)果分析實(shí)際電路的測(cè)試及結(jié)果分析 4五、五、 測(cè)試中遇到的問(wèn)題及解決方法測(cè)試中遇到的問(wèn)題及解決方法55六、六、 使用實(shí)驗(yàn)器材原理和使用方法使用實(shí)驗(yàn)器材原理和

2、使用方法6七、七、 團(tuán)隊(duì)成員感悟?qū)嶒?yàn)?zāi)康膱F(tuán)隊(duì)成員感悟?qū)嶒?yàn)?zāi)康?3八、八、 團(tuán)隊(duì)分工和比例團(tuán)隊(duì)分工和比例14 數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期3一、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?. 設(shè)計(jì)一個(gè)重力加速度的測(cè)量、顯示裝置，能夠測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)，電梯運(yùn)行狀態(tài)下的重力加速度。2. 測(cè)量時(shí)間小于 10 秒。二、電路設(shè)計(jì)方案及工作原理二、電路設(shè)計(jì)方案及工作原理我們的電路設(shè)計(jì)方案是落球法測(cè)量重力加速度。x=1/2gt2將小球從靜止釋放，測(cè)量小球下落的時(shí)間和距離就能測(cè)量出重力加速度。G=2*x/ t2工作原理：小球從高處落下，初速度為零。當(dāng)小球下落時(shí)，計(jì)時(shí)器開(kāi)始工作。當(dāng)小球落下距離 H 時(shí)，計(jì)時(shí)器停

3、止工作。在小球開(kāi)始下落的位置加上一個(gè)光電門，起到復(fù)位作用。此時(shí)，所用的計(jì)數(shù)器清零。松開(kāi)手，小球自由落下，在距小球正下方 H 的位置放置另外一個(gè)光電門，當(dāng)小球經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)計(jì)數(shù)器和非門，使所有的計(jì)數(shù)器停止工作。實(shí)驗(yàn)用具：實(shí)驗(yàn)用具數(shù)量74ls04174ls160474ls4735551電阻如圖按鍵1電容如圖數(shù)碼管3光電門模塊2數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期4三、原理圖三、原理圖注：圖中按鍵 A、B 為光電門模塊圖中左上角 160 計(jì)數(shù)器的功能是使所有的計(jì)數(shù)器停止，中間三個(gè) 160 計(jì)數(shù)器記錄時(shí)間，左下角 555 產(chǎn)生 1KHz 的矩形脈沖信號(hào)四、實(shí)際電路的測(cè)試及結(jié)果分析實(shí)際電

4、路的測(cè)試及結(jié)果分析原理：自由落體法測(cè)重力加速度所用公式：x=gt2/2參數(shù)：x 為下落距離，即兩光電門相距距離，我們?cè)O(shè)定為 50cm。t 為下落時(shí)間，即數(shù)碼管顯示的時(shí)間 g 為待求的重力加速度 數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期5測(cè)試步驟：開(kāi)始時(shí)，將小球靠近上方的光電門，并遮擋住光電門，這時(shí)電路復(fù)位，數(shù)碼管清零，接著釋放小球，讓其做自由落體運(yùn)動(dòng)，下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)下面的光電門，電路停止工作，同時(shí)數(shù)碼管停止計(jì)數(shù)并顯示下落所用時(shí)間，記錄時(shí)間。由于是初速度為 0 的自由落體，采用公式：x=gt2/2 可計(jì)算出重力加速度g。測(cè)試數(shù)據(jù)：下落距離 x=50cm，公式 x=gt2/2.結(jié)果誤

5、差分析：重力加速度的理論值為 g=9.8m/s2，我們測(cè)得數(shù)據(jù)和理論值相比較，絕對(duì)誤差在 0.6(m/s2)2.9(m/s2)之間，相對(duì)誤差在 6.1%29.5%之間。誤差產(chǎn)生原因：1.空氣阻力。2.555 電路由于電阻不精產(chǎn)生的震蕩誤差。3.計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，小球已有一定速度。4.小球本身具有一定體積，通過(guò)上下兩個(gè)光電門時(shí)小球測(cè)量位置不同，導(dǎo)致誤差。五、測(cè)試中遇到的問(wèn)題及解決方法五、測(cè)試中遇到的問(wèn)題及解決方法問(wèn)題一：計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確問(wèn)題描述：我們組本來(lái)設(shè)想用單擺測(cè)重力加速度，測(cè)量小球通過(guò)20次光電門的時(shí)間，即十個(gè)周期。但由于光電門計(jì)數(shù)時(shí)脈沖有毛刺，產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。無(wú)法得到具有一般規(guī)

6、律的數(shù)據(jù)。解決方法：測(cè)量重力加速度原理改為自由落體法，計(jì)數(shù)器只記一次脈沖信號(hào)，當(dāng)小球遮擋光電門時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，使得電路開(kāi)始計(jì)時(shí)。這樣避免由于多次計(jì)數(shù)不準(zhǔn)導(dǎo)致的問(wèn)題。時(shí)間 次數(shù)12345時(shí)間 t（s）0.300.280.290.310.30重力加速度g（m/s2）11.112.711.910.411.1數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期6問(wèn)題二：數(shù)碼管亮度不均問(wèn)題描述：中間數(shù)碼管有時(shí)無(wú)法顯示，只有用力按這個(gè)數(shù)碼管才能亮。除此之外，最左邊數(shù)碼管有一段亮度與其他段相比較低。問(wèn)題分析：關(guān)于亮度一致性的問(wèn)題是一個(gè)行業(yè)內(nèi)的常見(jiàn)問(wèn)題。有二個(gè)大的因素影響到亮度一致性。一是使用原材料芯

7、片的選取，一是使用數(shù)碼管時(shí)采取的控制方式。 原材料-芯片的VF和亮度和波長(zhǎng)是一個(gè)正態(tài)分布，即使篩選過(guò)芯片，VF和亮度和波長(zhǎng)已在一個(gè)很小的范圍了，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品還是在一個(gè)范圍內(nèi),結(jié)果就是亮度不一致。 要保證數(shù)碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別解決方法：中間的數(shù)碼管經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊，已經(jīng)可以正常顯示，而另一個(gè)數(shù)碼管的一段顯示亮度不夠，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)是數(shù)碼管工藝問(wèn)題。由于數(shù)碼管上已焊引腳過(guò)多，不好拆了重焊，因未解決這個(gè)問(wèn)題。六、六、使用實(shí)驗(yàn)器材原理和使用方法使用實(shí)驗(yàn)器材原理和使用方法I I.74LS160.74LS160 十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器（異步清除）十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器（異步清除）簡(jiǎn)要說(shuō)明：160 為可預(yù)置的

8、十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，共有 54/74160 和 54/74LS160 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下：160 的清除端是異步的。當(dāng)清除端/MR 為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清除功能。 160 的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器/PE 為低電平時(shí)，在 CP 上升沿作用下，輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3 一致。對(duì)于54/74160， CP 由低至高跳變或跳變前，當(dāng)如果計(jì)數(shù)控制端 CEP、CET為高電平，則/PE 應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而 54/74LS160 無(wú)此種限制。160 的計(jì)數(shù)是同步的，靠 CP 同時(shí)加在四個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) CEP、CET 均為高電

9、平時(shí)，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。對(duì)于 54/74160，只有當(dāng)CP 為高電平時(shí)，CEP、 才允許由高至低電平的跳變， 54/74LS160CET而的 CEP、CET 跳變與 CP 無(wú)關(guān)。160 有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（TC）輸出一個(gè)高電平脈沖，其寬度為 Q0 的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級(jí)聯(lián)成 N 位同步計(jì)數(shù)器。 對(duì)于 54/74LS160， CP 出現(xiàn)前，在即使 CEP、CET、/MR 發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期774LS160管腳圖引出端符號(hào)：引

10、出端符號(hào)：TC進(jìn)位輸出端、CEP計(jì)數(shù)控制端、Q0Q3輸出端、CET計(jì)數(shù)控制端、CP時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）、MR異步清除輸入端（低電平有效）、PE同步并行置入控制端（低電平有效）。極限值：極限值：電源電壓-7V輸入電壓 54/74LS160-7VCEP 與 CET 間電壓 54/74160-5.5V工作環(huán)境溫度 74ls04-070貯存溫度- 65150數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期8IIII.74LS04.74LS04六反向器六反向器極限值電源電壓.7V輸入電壓 54/74LS047V工作環(huán)境溫度 74XXX. 070存儲(chǔ)溫度 -65150IIIIII.74LS47.

11、74LS47七段顯示、譯碼驅(qū)動(dòng)器七段顯示、譯碼驅(qū)動(dòng)器數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期9工作電壓 5V。常用的 BCD 對(duì)七段顯示器譯碼器/驅(qū)動(dòng)器之 IC 包裝計(jì)有 TTL 之7446、7447、7448、7449 與 CMOS 之 4511 等等。其中 7446、7447 必須使用共陽(yáng)極七段顯示器，7448、7449、4511 等則使用共陰極七段顯示器。在正常操作時(shí)，當(dāng)輸入 DCBA=0010 則輸出 abcdefg=0010010。故使顯示器顯示2，當(dāng)輸入 DCBA=0110 時(shí)，輸出 abcdeg=1100000，顯示器顯示6。在 7447 中尚有LT、RBI 與 B

12、I/RBO 之控制腳，其功能分述如下:該電路是由與非門、輸入緩沖器和 7 個(gè)與或非門組成的 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅(qū)動(dòng)顯示器。7 個(gè)與非門和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器成對(duì)連接，以產(chǎn)生可用的 BCD 數(shù)據(jù)及其補(bǔ)碼至 7 個(gè)與或非譯碼門。剩下的與非門和 3 個(gè)輸入緩沖器作為試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出(BI/RBO)端及動(dòng)態(tài)滅燈輸入(RBI )端。該電路接受 4 位二進(jìn)制編碼十進(jìn)制數(shù)（BCD）輸入并借助于輔助輸入端狀態(tài)將輸入數(shù)據(jù)譯碼后去驅(qū)動(dòng)一個(gè)七段顯示器。輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成能承受 7 段顯示所需要的相當(dāng)高的電壓。驅(qū)動(dòng)顯示器各段所需的高達(dá) 24mA 的電流

13、可以由其高性能的輸出晶體管來(lái)直接提供。BCD 輸入計(jì)數(shù) 9 以上的顯示圖案是鑒定輸入條件的唯一信號(hào)。該電路有自動(dòng)前、后沿滅零控制（RBI 和 RBO）。試燈（LT）可在端處在高電平的任何時(shí)刻去進(jìn)行，該電路還含有一個(gè)滅燈輸入（BI），它用來(lái)控制燈的亮度或禁止輸出。該電路在應(yīng)用中可以驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的發(fā)光二極管或直接驅(qū)動(dòng)白熾燈指示器。7447 之輸出系為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其邏輯 0 之吸入電流高達(dá) 40mA，故在使用必須加入 330 左右電阻加以限流，以免過(guò)大電流流經(jīng) LED 而燒毀顯示器，如圖 3 所示。 圖 1 DM7447A DM5447A 引腳功能圖數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)

14、期10 表 1 DM7447A DM5447A 真值表H=高電平 L=低電平 =不定 注：1、當(dāng)需要 0 到 15 的輸出功能時(shí)，滅燈輸入（BI）必須為開(kāi)路或保持在高邏輯電平， 若不要滅掉十進(jìn)制零，則動(dòng)態(tài)滅燈輸入（RBI）必須開(kāi)路或處于高邏輯電平。 2、當(dāng)?shù)瓦壿嬰娖街苯蛹拥綔鐭糨斎耄˙I）時(shí)，不管其它任何輸入端的電平如何，所 有段的輸出端都關(guān)死。 3、當(dāng)動(dòng)態(tài)滅燈輸入（RBI）和 輸入端 A、B、C、D 都處于低電平而試燈輸入(LT)為 高時(shí)，則所有段的輸出端進(jìn)入關(guān)閉且動(dòng)態(tài)滅燈輸出（RBO）處于低電平（響應(yīng)條件）。 4、當(dāng)滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）開(kāi)路或保持在高電平，且將低電平加到試

15、 燈輸入(LT)時(shí)，所有段的輸出端都得打開(kāi)。 * BI/RBO 是用作滅燈輸入（BI）與/或動(dòng)態(tài)滅燈輸出（RBO）的線與邏輯。 數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期11 圖 2 七段顯示器對(duì) 74LS47 之應(yīng)用電路圖I IV V. .共共陽(yáng)陽(yáng)七七段段數(shù)數(shù)碼碼管管介介紹紹數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。這里主要介紹最常用的發(fā)光二極管七段顯示器(也叫七段數(shù)碼管 )。它的每一個(gè)字段是一個(gè)發(fā)光二極管。示意圖如圖4.16 所示。圖（ A）為七個(gè)顯示字段的示意圖，圖（B）為七段數(shù)碼管可以顯示的16 種字符。數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期12

16、當(dāng)某些發(fā)光二極管因?yàn)橛序?qū)動(dòng)電流而發(fā)光時(shí)，因?yàn)榘l(fā)光的字段不同，可以組成不同的數(shù)字，如圖4.16（B）所示。當(dāng)輸入代碼小于9 時(shí)，譯碼器的輸出應(yīng)該使七段顯示器顯示09 10 種數(shù)字；當(dāng)輸入代碼大于9 時(shí)，譯碼器的輸出應(yīng)該使七段顯示器顯示一定的圖形，這些圖形應(yīng)該與有效的數(shù)字有較大的區(qū)別，不至于引起混淆。當(dāng)輸入代碼為15 時(shí)，七段數(shù)碼管所有的 LED 都不亮，這時(shí)為滅零狀態(tài)。 （A） （B） 圖 4.17 七段 LED 顯示器內(nèi)部連接圖 圖 4.11 74LS147 管腳排列圖為了使用方便，通常將各發(fā)光二極管的陽(yáng)極或陰極連接在一起，這樣七段LED 顯示器就有兩種連接方式，如果將各發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在

17、一起成為公共電極，則稱為共陽(yáng)極接法如圖4.17（A）所示；如果將各發(fā)光二極管的陰極連接在一起成為公共電極，則稱為共陰極接法如圖4.17（B）所示。有的七段LED 顯示器，不但有 A F 七個(gè)輸出端，還數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期13有其它字符如小數(shù)點(diǎn)。這樣的數(shù)碼管實(shí)際上輸出是八段。所以使用數(shù)碼管之前要看清是幾段輸出，是共陰極還是共陽(yáng)極的。例如譯碼器用輸出高電平驅(qū)動(dòng)顯示器時(shí)，應(yīng)該選用共陰極的數(shù)碼管；譯碼器用輸出低電平驅(qū)動(dòng)顯示器時(shí)，應(yīng)該選用共陽(yáng)極的數(shù)碼管。. .光光電電門門模模塊塊參參數(shù)數(shù)說(shuō)說(shuō)明明1 當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時(shí)OUT 端

18、口持續(xù)輸出低電平信號(hào) ,該模塊檢測(cè)距離 230cm，檢測(cè)角度35，檢測(cè)距離可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。2、傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè),因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小,白色最大 ;小面積物體距離小 ,大面積距離大。3、傳感器模塊輸出端口OUT 可直接與單片機(jī) IO 口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè) 5V 繼電器；連接方式： VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO4、比較器采用 LM393，工作穩(wěn)定；5、可采用 3-5V 直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮；6、具有 3mm 的螺絲孔，便于

19、固定、安裝；7、電路板尺寸： 3.2CM*1.4CM8、每個(gè)模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過(guò)電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情況，請(qǐng)勿隨意調(diào)節(jié)電位器。模塊接口說(shuō)明1 VCC 外接 3.3V-5V 電壓（可以直接與5v 單片機(jī)和 3.3v 單片機(jī)相連）2 GND 外接 GND3 OUT 小板數(shù)字量輸出接口（ 0 和 1）七、成員感悟七、成員感悟馬敬川：在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施強(qiáng)調(diào)自主性、探索性、實(shí)踐性和協(xié)作性,遵循“興趣驅(qū)動(dòng)、自主試驗(yàn)、重在過(guò)程”的原則。注重創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程講究長(zhǎng)遠(yuǎn)效益,強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中在創(chuàng)新思維和數(shù)字模擬電路 上海大學(xué) 2013-2014 年冬季學(xué)期14創(chuàng)新實(shí)踐方面的收獲,重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,不急功近利,不為成果而設(shè)計(jì),重在實(shí)施過(guò)程中得到的鍛煉和培養(yǎng)。趙思成： 在此次項(xiàng)目試驗(yàn)中我認(rèn)為研究方面，最深的體會(huì)就是要善于勤于思考，主動(dòng)動(dòng)手動(dòng)腦。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不是基礎(chǔ)課上的實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?/p>