单摆实验计数器电路的设计.doc

沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 单摆实验计数器电路的设计单摆实验计数器电路的设计 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 2 2 1313 沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 课 程 名 称 数字逻辑课程设计 课程设计题目 单摆实验计数器电路的设计 课程设计的内容及要求 一 设计说明一 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五 按照要求撰写课程设计报告 成绩 指导教师 日期 图 1 单摆实验计数器电路原理框图 电源 计数电 路 计周期 数电路 显示 触发电 路 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 3 3 1313 目目 录录 第第 1 1 章章 概要设计概要设计 4 1 1 任务的内容与要求 4 1 2 任务分析与理解 4 第第 2 2 章章 详细设计详细设计 5 2 1 电路模块 5 2 2 信号发生器 5 2 3 二进制计数器 7 2 4 控制电路 7 2 5 计时器 8 第第 3 3 章使用说明与误差分析章使用说明与误差分析 9 3 1 使用说明 9 3 2 误差分析 9 参考文献参考文献 10 附录附录 1 电路总图 电路总图 11 附录附录 2 元件清单 元件清单 12 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 4 4 1313 第第 1 1 章章 概要设计概要设计 1 11 1 任务的内容与要求任务的内容与要求 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 21 2 任务分析与理解任务分析与理解 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 图 1 1 单摆实验计数器电路原理框图 电源 计数电 路 计周期 数电路 显示 触发电 路 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 5 5 1313 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 第第 2 2 章章 详细设计详细设计 2 12 1 电路模块电路模块 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 22 2 信号发生器信号发生器 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 Cln2T R1 2 R2 Cln2 1 1 占空比公式 q R1 R2 R1 2 R2 q R1 R2 R1 2 R2 2 2 假设C 10uFC 10uF 综合周期的公式 1 1 2 2 可以得到 R1 R2 48 R1 R2 48 电路主要组成部分 信号发生器 二进制计数器 计时器 控制电路 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 6 6 1313 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 VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VDD 5V R1 48 R2 48 C1 10uF C2 10nF 5 4 1 0 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 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 7 7 1313 图 2 2 2 多谢振荡器的输出波形图 2 32 3 二进制计数器二进制计数器 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 42 4 控制电路控制电路 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 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 8 8 1313 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 52 5 计时器计时器 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 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 9 9 1313 图 2 5 1 3 片 74LS160 组成的 101 进制计数器 第第 3 3 章使用说明与误差分析章使用说明与误差分析 3 13 1 使用说明使用说明 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 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 1010 1313 图 3 3 1 使用结果 3 23 2 误差分析误差分析 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 参考文献参考文献 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 2 阎石主编 数字电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 年 3 陈大钦主编 电子技术基础实验 电子电路实验 设计 仿真 M 北京 高等教育 出版社 2000 年 4 华中工学院电子学教研室编 康华光主编 电子技术基础 数字部分 M 北京 高 等教育出版社 2008 年 5 童诗白 徐振英主编 现代电子学及应用 M 北京 高等教育出版社 1994 年 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 1111 1313 6 何小艇主编 电子系统设计 M 浙江 浙江大学出版社 2000 年 7 郑家龙 王小海 章安元编 集成电子基础教程 M 北京 高教出版社 2002 年 8 彭介华编 电子技术课程设计指导 M 北京 高等教育出版社 1997 年 9 童诗白主编 数字电子技术 M 北京 高等教育出版社 2001 年 附录附录 1 电路总图 电路总图 总的电路图 沈沈 阳阳 航航 空空 航航 天天 大大 学学 1212 13