單擺試驗周期測量電路設計方案

1、沈陽航空航天大學課程設計（說明書）單擺實驗周期測量電路的設計班級34010104學號2013040101164學生姓名周興榮指導教師滕金玉1/15沈陽航空航天大學課程設計任務書課程名稱數(shù)字邏輯課程設計課程設計題目單擺實驗周期測量電路的設計課程設計的內容及要求：一、設計說明與技術指標在物理實驗中，通常采用人工計時測量單擺單位時間內擺動次數(shù)，測量單擺擺動的周期時間，擬采用時鐘電路配合觸發(fā)電路測量單位時間單擺擺動次數(shù)，具有方便快捷、方便準確的特點，其原理框圖如圖1所示。二、設計要求圖1單擺實驗計數(shù)器電路原理框圖1.電源輸出電壓為：+5V。2.最大定時時間100S,擺動開始時，觸發(fā)時間計時，測量5個單

2、擺整周期時間停止，通過5個周期的時間得出一個整周期的時間。3.計數(shù)顯示用LED數(shù)碼管。4.根據(jù)技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。5.畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1 .根據(jù)技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用multisim軟件仿真。2 .進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩白，華成英主編.模擬電子技術基礎.M北京：高等教育出版社，2013年五、按照要求撰寫課程設計報告2/15成績評定表:序號評定項目評分成績1設計方案正確，具后可行性，創(chuàng)新性（15分）2設計結果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結果）（15分）3態(tài)度認真，遵守紀律（15分）4設計

3、報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字：2015年7月19日3/15一、概述步入新紀元，高科技的發(fā)展如火如荼，各行各業(yè)百廢俱興，方便、快捷、高效成為高科技發(fā)展所要解決的問題。在單擺實驗周期測量時一定有不少人深有體會，高中或初中的單擺實驗在記錄單擺周期時間時使用的是電子秒表，當然這還需要手動，我們在開始計時時和結束計時要盡可能的同步于單擺，可想而知實際同步那是不可能實現(xiàn)，但在要求高精度的實驗中要這樣做，也絕不可能。單擺實驗周期測量的數(shù)字電路出現(xiàn)可以解決使用秒表計時時出現(xiàn)的計時不同步的的問題，這樣便可以減少誤

4、差甚至沒有誤差，為測量單擺實驗周期提供更加精準的計時時間。本文介紹了基于單擺試驗周期測量電路的設計，在硬件方面上使用了一個十六進制的74161N計數(shù)器和三個十進制的74160N計數(shù)器芯片，一個D觸發(fā)器芯片，也同時使用了四個LED管與555定時器等。實驗設計分為計數(shù)部分與計時部分，十六進制計數(shù)器芯片連接的LED數(shù)碼管顯示的是單擺第一次經過最低點記數(shù)開始，以后每次經過最低點的次數(shù)，開關則是每次最低點閉合一次單擺計數(shù)器計數(shù)一次，LEM顯示。555定時器產生1S的時鐘信號脈沖，用于三個并聯(lián)74160N計數(shù)器芯片的記時，并同時在三個與之相連的LED管上顯示時間。當74161N為零時記時芯片是被清零的，這

5、保證了記時的同步性。根據(jù)實驗要求設置記時的最大值為X,則可當記時為（X+1）時進行記時置零，同時實驗要求記錄A個周期內的時間，在單擺計數(shù)顯示數(shù)等于（2因A+1）時使用三輸入與門從計數(shù)芯片部分產生高電平觸發(fā)D觸發(fā)器，Q*出來便是低電平與個位記時芯片的EN訓相連，對于74160N芯片EN嘲低電平時則保持此芯片的的狀態(tài)，這樣當計數(shù)部分走到（2A+1）,此時也就是A個周期時停止記時，所記錄的便為A個周期的時間。然后使用記時顯示的時間除以A就得到我們所求的時間。1/15二、方案論證1 .單擺計數(shù)電路單擺計數(shù)之前計數(shù)部分的電路開關呈打開狀態(tài)，在實驗室進行時我們是當單擺每次經過最低點時閉合并立即打開一次開關

6、。開關每閉合一次產生一個脈沖信號，就使得十六進制計數(shù)器計數(shù)一次。我們使每次經過最低點計數(shù)一次，這樣所計數(shù)減一除以二便為記錄單擺的周期數(shù)。2 .信號發(fā)生器電路根據(jù)任務的需要，我設計一個用于產生矩形秒脈沖的555觸發(fā)器接成的多諧振蕩器,通過計數(shù)器的計數(shù)功能實現(xiàn)秒表記時的功能，從而得到單擺擺動周期數(shù)的總時長。3 .控制電路控制電路由D觸發(fā)器構成，當記錄的單擺個數(shù)到達相應設置數(shù)時觸發(fā)D觸發(fā)器輸出端Q*輸出低電平時計時器保持原狀態(tài)，從而控制秒表計時器。4 .記時器電路在用555定時器產生1秒的脈沖，三個十進制計數(shù)器并聯(lián)形成用于記時的秒表計時功能，并且當單擺計數(shù)器已記錄五個周期，這時秒表計時器就保持原狀態(tài)

7、，即五個周期的時問，并且當時間為101秒就被立即置零。圖1單板實驗周期測量電路原理圖2/15三、電路設計1 .單擺計數(shù)器電路圖和計數(shù)器74161N功能表如圖2、表1所示DCOHEX1W74161N圖2單擺計數(shù)器電路圖表1計數(shù)器74161N功能表CLKH0EPET工作狀態(tài)X0XXX置零t10XX頂置數(shù)X11101保持X11X0保持（但C=ot1111計數(shù)單擺計數(shù)器大體功能和模塊如圖2、表1所示，仿真開始初始狀態(tài)下開關S1呈打開狀態(tài)，將單擺73161N計數(shù)器的輸入端ENRENTLOADCLR接入5V電源壓，電壓源接入開關S1,S1接入非門74S04N最后接入芯片輸入端CLKA、B、C、D四個芯片輸

8、入端同時接地，并將芯片輸出端QAQBQCQMLED數(shù)碼管對應的四個引腳用線相連。當仿真剛進行時有A、B、GD接地，單擺計數(shù)器則從零開始計數(shù)，LED數(shù)碼管顯示為零，并準備開始計數(shù)。單擺第一次經過最低點時S1開關閉合高電平經過非門轉變?yōu)榈碗娖?，?4161N芯片計數(shù)器低電平有效，有表1可知計數(shù)器此時正在計數(shù)，并且當開關在閉合時隨即恢復原來的打開狀態(tài)，以便為下一次單擺經過最低點時輸入低電平計數(shù)有效，此時74161N芯片計數(shù)器保持不變。如此每當單擺經過最低點時閉合一次S1開關，則單擺計數(shù)器計數(shù)一次，因為使用的是74161N芯片，可知為十六進制計數(shù)器，所以單擺計數(shù)器所記3/15數(shù)最大值為15,可滿足實驗

9、五個周期的計數(shù)需要，假設單擺計數(shù)器計數(shù)結束得到所計數(shù)N,則周期數(shù)為（N-1）/2。2 .信號發(fā)生器電路圖如圖3本電路是一個由555觸發(fā)器接成的多謝振蕩器，振蕩周期T=1s,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:(D(2)T=(R1+2UR2)Cln2占空比公式:q=(R1+R2)/(R1+2Ur2)假設C=10uF綜合周期白公式（1）、（2）,可以得至上R1=R2=48K3 .控制電路電路圖如圖44/15VDDa>1CLK7474N聿借計數(shù)器畸t出高電平低電平圖4控制電路電路圖圖4是一個控制電路，我采用的D觸發(fā)器，來讓計時器停止工作，當計

10、數(shù)器有進位輸出的時候就輸出高電平，D觸發(fā)器輸入端CLKg入高電平，就觸發(fā)D觸發(fā)器工作，輸出低電平信號，對于74160N的芯片來說，如果芯片輸入端ENP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非輸出端接在計時器最低位芯片的ENP使計時器停止工作，數(shù)碼管顯示的示數(shù)即為單擺的周期。4 .記時秒表部分計時器電路圖與計數(shù)器74160N功能表如圖5和表2所示DCDHEX圖5計時器電路圖表2計數(shù)器7416N0功能表5/15二歸L巳JCP|力3匚z月。|0XXXXXXXX10XXp3Q工Q【Q。1111口XXXX110XXXXXX11X0XXXXX<23<?2QiQoCO00000Q3Q

11、zQiQo計數(shù)保持0保持異步置0co£t7"QWWHl記時部分電路有555觸發(fā)器接成的多諧振蕩器產生的秒脈沖時鐘信號接入各三個并聯(lián)記時芯片CLK輸入端，三個74160N芯片計數(shù)器并聯(lián)，個位記時芯片的CC輸出端接入十位記時芯片的輸入端ENPENT根據(jù)74160N的功能表可知當個位記時芯片輸出二進制1010時CC輸出高電平，這時秒表計數(shù)器向前進一位，同理十位記時芯片的CC輸出端接入百位記時芯片的ENPENT»入端，這樣可產生秒表計數(shù)器進位操作。百位計時芯片、十位記時芯片與個位記時芯片的A、B、CD輸入端同時接地，這樣可以讓秒表計時器從零開始計時。三個并聯(lián)芯片的QAQB

12、QCQD俞出端與LED相應引腳連接，其中右邊連接的LED表示的是秒表的個位，中間連接的是十位，左邊相連的是百位。設百位計時芯片為U2,十位計時芯片為U3,個位計時芯片為U4同時U4的QA俞出端與U2的QA輸出端接入與非門連接U2的CLR異步置零輸入端，表示的是當U4輸出1是QA輸出端是高電平，同理U2一樣，當兩高電平及與非門是出來的是低電平，這時就觸發(fā)異步清零端，所以計時器的最大值是一百秒。并且從單擺計數(shù)器芯片QAQBQCQD接入四輸入或門，當輸出都為低電平時或門輸出低電平然后接入U&U4的異步清零端CLR用于初始工作時的清零。在控制電路部分輸出端接入的是U4的ENP俞入端，當單寸i計

13、數(shù)器記錄5個周期單擺時觸發(fā)控制電路D觸發(fā)器，此時輸出端為低電平，U4保持原狀態(tài)，計時器記錄的是5個周期時間。四、性能的測試1.單擺計數(shù)器的性能測試如圖6和表3所示6/15DCDHEX2.信號發(fā)生器性能測試如圖7所是所示7/15圖6單擺計數(shù)器電路圖表3單擺計數(shù)器計數(shù)表經過最低點次數(shù)S1開關閉合次數(shù)LED輸出顯示111222333444555666777圖7信號發(fā)生器示波器波形圖圖7所示的波形圖為555觸發(fā)器接成多諧振蕩器OUT俞出端的波形圖，性能的檢測用到了示波器一XSC1用于測量的是OUT俞出端的波形，示波器使用了通道_A,標度：1S/Div,刻度：5V/Div,X、Y軸位移（格）都為0.3

14、.D觸發(fā)器性能測試如圖8所示圖8D觸發(fā)器示波器波形圖圖8所示的波形圖為LED顯示十六進制計數(shù)器的11時D觸發(fā)器出來的是低電平。本次性能檢測用到了示波器-XSC1,用于測量控制電路中的D觸發(fā)器，在單擺計數(shù)器計數(shù)電路中所記數(shù)為11時反饋給D觸發(fā)器時，D觸發(fā)器輸出端Q*的電平高低。實驗示波器用到了通道A,標度：1S/Div,刻度：5V/Div,X、Y軸位移（格）都為零。4 .計時器計時電路性能測試如圖7所示8/15EKG電平Dtib.HEK圖7記時器記時電路圖仿真剛開始時，A端口輸入的是低電平，初始時三個并聯(lián)記時芯片被清零，即是秒表從零開始計時。秒表記時正在計時時AB端都為高電平，并且秒表計時器最大

15、值為100秒,之后回到零開始記時。9/15五、結論本實驗用555觸發(fā)器接成多諧振蕩器，為使產生的是秒脈沖信號，此時設電容C3=10回，則所接電阻可求R1=R2=48KQ。實驗的單擺計數(shù)電路使用的十六進制計數(shù)器74161N可以滿足5個周期測量的計數(shù)需要，單擺每經過最低點計數(shù)一次，總共所需最少11次的計數(shù)需要。秒表記時器的電路需要3個十進制74160N的并聯(lián)，555觸發(fā)器器產生1S的時鐘脈沖用于計時器芯片，當單擺計數(shù)為0時記時芯片是被清0的，這保證了記時是從單擺第1次經過最低點時開始計時的。根據(jù)實驗要求記時的最大值為100S,則可當記時為101S時進行記時置0,同時實驗要求記錄5個周期內的時間，在

16、單擺計數(shù)等于11次時表示已經5次單擺周期時間，這時使用三輸入與門從計數(shù)芯片部分產生高電平此作為D觸發(fā)器的時鐘脈沖，Q*出來便是低電平與低位記時芯片的EN圖相連，對于74160N芯片EN礎低電平時保持原狀態(tài)，這樣當計數(shù)部分走到11此時，也就是五個周期時停止記時，所記錄的便為5個周期的時間。然后使用記時顯示的時間除以5就得到我們所求的時間。最后經過一定的理論知識分析，將它們組合在一起就構成了我們生活中普遍應用，幾乎必不可少的數(shù)字時鐘。完成課程設計的任務后，看到自己的成果感到很有成就感，從而加強了自己對實踐的興趣。這次課程設計是對這學期數(shù)字邏輯課程所學內容的一次綜合練習，從中不僅強化了我對教材中知識

17、的理解和掌握。而且也拓展了我在數(shù)字電子技術方面的知識。參考文獻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2閻石主編.數(shù)字電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2006年3陳大欽主編.電子技術基礎實驗一一設計仿真M.北京：高等教育出版社2000年4康華光主編.電子技術基礎數(shù)字部分M.北京高等教育出版社2008年5童詩白、徐振英主編.現(xiàn)代電子學及應用M.北京：高等教育出版社，1994年6何小艇主編.電子系統(tǒng)設計M.浙江：浙江大學出版社，2000年7鄭家龍、王小海、章安元編.集成電子基礎教程M.北京：高教出版社，2002年8彭介華編.電子技術課程設計指導M.北京：高等教育出版社，1997年9童詩白主編.數(shù)字電子技術M.北京：高等教育出版社，2001年10趙春華編著.電子技術基礎仿真實驗.M北京：機械工業(yè)出版社，2008年10/15附錄I總電路圖I-:e與三叁.1星J三百三§T.JF!|_<