數(shù)字電路設(shè)計——重力加速度測定

1、數(shù)字模擬電路上海大學(xué)2013-2014年冬季學(xué)期數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計課程項目總結(jié)報告題目(A):重力加速度的測定組號:A7任課教師：組長：成員：成員：成員：成員：聯(lián)系方式：二零一四年二月十八日17目錄實驗?zāi)康?電路設(shè)計方案及工作原理 原理圖四、實際電路的測試及結(jié)果分析 五、測試中遇到的問題及解決方法1314六、使用實驗器材原理和使用方法 七、團隊成員感悟?qū)嶒災(zāi)康?八、團隊分工和比例實驗?zāi)康?.設(shè)計一個重力加速度的測量、顯示裝置，能夠測量靜止?fàn)顟B(tài)，電梯運行狀態(tài)下的重力加速度。2.測量時間小于10秒。二、電路設(shè)計方案及工作原理我們的電路設(shè)計方案是落球法測量重力加速度。x=1/2gt 2將小球從靜

2、止釋放，測量小球下落的時間和距離就能測量出重力加速度。G=2*x/ t 2工作原理：小球從高處落下，初速度為零。當(dāng)小球下落時，計時器開始工作。當(dāng)小球落下距離H時，計時器停止工作。在小球開始下落的位置加上一個光電門, 起到復(fù)位作用。此時，所用的計數(shù)器清零。松開手，小球自由落下，在距小球正F方H的位置放置另外一個光電門，當(dāng)小球經(jīng)過時，通過計數(shù)器和非門，使所有的計數(shù)器停止工作。實驗用具:實驗用具數(shù)量74IS04174IS160474IS4735551電阻如圖按鍵1電容如圖數(shù)碼管3光電門模塊2、原理圖UTTU&IIS4LJ；HLS16CDHL&1&UDur741 S MOD了4

3、LM堵 tiD丄g741 UZNU'J'AW15 ViHlllMlAGKDU ML仙4U11A 1> /4l,.SO-<JC tt;；4 (KJ nF厶伽卜in=山亍炸afjLV-Q11'!-IOI l.vTJLX.Alf/II一_ W.-L 伸>5.7tki_t*2一-,11LI 1-1 r - I- = H74LM7NUBU10注：圖中按鍵A、B為光電門模塊圖中左上角160計數(shù)器的功能是使所有的計數(shù)器停止，中間三個160計數(shù)器記錄時間，左下角555產(chǎn)生1KHZ的矩形脈沖信號四、實際電路的測試及結(jié)果分析原理：自由落體法測重力加速度所用公式：x=gt2

4、/250cm。參數(shù)：x為下落距離，即兩光電門相距距離，我們設(shè)定為t為下落時間，即數(shù)碼管顯示的時間g為待求的重力加速度測試步驟：開始時，將小球靠近上方的光電門，并遮擋住光電門，這時電路復(fù)位， 數(shù)碼管清零，接著釋放小球，讓其做自由落體運動，下落過程中經(jīng)過下面的光電 門，電路停止工作，同時數(shù)碼管停止計數(shù)并顯示下落所用時間，記錄時間。由于 是初速度為0的自由落體，采用公式：X=gtq2可計算出重力加速度g。測試數(shù)據(jù):F落距離 x=50cm,公式 x=gt2/2.12345時間t(s)0.300.280.290.310.30重力加速度g( m/s2)11.112.711.910.411.1結(jié)果誤差分析：

5、重力加速度的理論值為g=9.8m/sA2,我們測得數(shù)據(jù)和理論值相比較，絕對誤差在0.6(m/sA2)2.9(m/sA2)之間，相對誤差在6.1%29.5沱間。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.計時器開始計數(shù)時，小球已有一定速度。4.小球本身具有一定體積，通過上下兩個光電門時小球測量位置不同，導(dǎo)致誤差。五、測試中遇到的問題及解決方法問題一：計數(shù)不準(zhǔn)確問題描述：我們組本來設(shè)想用單擺測重力加速度， 測量小球通過 20次光電門的時間，即十個周期。但由于光電門計數(shù)時脈沖有毛刺， 產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致計數(shù)器計數(shù)不準(zhǔn)確。無法得到具有一般規(guī)律的數(shù)據(jù)。解決方法：測量重力加速度原

6、理改為自由落體法， 計數(shù)器只記一 次脈沖信號，當(dāng)小球遮擋光電門時產(chǎn)生一個高電平脈沖， 使得電路開 始計時。這樣避免由于多次計數(shù)不準(zhǔn)導(dǎo)致的問題。問題二：數(shù)碼管亮度不均問題描述：中間數(shù)碼管有時無法顯示，只有用力按這個數(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。問題分析：關(guān)于亮度一致性的問題是一個行業(yè)內(nèi)的常見問題。 有 二個大的因素影響到亮度一致性。一是使用原材料芯片的選取，一是 使用數(shù)碼管時采取的控制方式。 原材料-芯片的VF和亮度和波長是一個正態(tài)分布，即使篩選 過芯片，VF和亮度和波長已在一個很小的范圍了， 生產(chǎn)出來的產(chǎn)品還 是在一個范圍內(nèi)，結(jié)果就是亮度不一致。 要保證數(shù)碼

7、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)過補焊，已經(jīng)可以正常顯示，而另一 個數(shù)碼管的一段顯示亮度不夠，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)是數(shù)碼管工藝問題。 由 于數(shù)碼管上已焊引腳過多，不好拆了重焊，因未解決這個問題。八、使用實驗器材原理和使用方法I.74LS160十進制同步計數(shù)器（異步清除）簡要說明：160為可預(yù)置的十進制同步計數(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，不管時鐘端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，在CP上升沿作用下，輸出端Q0

8、-Q3與數(shù)據(jù)輸 入端P0 P3致。對于54/74160，CP由低至高跳變或跳變前，當(dāng)如果計數(shù)控 制端CEP、CE為高電平，則/PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而54/74LS160無 此種限制。160的計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng) CEP CET均為高電平時，在CP上升沿作用下Q0 Q3同時變化，從而消除了 異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于54/74160，只有當(dāng)CP為高電平時，CEP才 允許由高至低電平的跳變，54/74LS160CET而的CEP、CET跳變與CP無關(guān)。160 有超前進位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時，進位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬 度為Q0的高電平部分

9、。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N位同步計數(shù)器。 對于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。1!1 6215i1 441 3512e1 17110a9CP P10203CEP 04074LS16（管腳圖ot引出端符號：TC進位輸出端、CE計數(shù)控制端、Q0 q3俞出端、CET+數(shù)控制端、CP寸鐘輸入端（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：電源電壓輸入電壓54/74LS160CEP與CET間電壓 54/74160工作環(huán)境溫度 74ls04貯存溫度7V7V5.5V70 r65 150

10、C曲豐 血丄LJwQIDJII.74LS04六反向器冋冋冋pj?!冋|T|Ld Ld LU kJ U LaJ UJ雙列直插封裝1極限值電源電壓輸入電壓54/74LS04工作環(huán)境溫度74XXX存儲溫度.7V7V070 C-65-150 CHI.74LS47 七段顯示、譯碼驅(qū)動器工作電壓5V。常用的BCD對七段顯示器譯碼器/驅(qū)動器之IC包裝計有TTL之 7446、7447、7448、7449 與 CMOS> 4511 等等。其中 7446、7447 必須使用共 陽極七段顯示器，7448、7449、4511等則使用共陰極七段顯示器。在正常操作 時，當(dāng)輸入DCBA=001（則輸出abcdefg=

11、0010010。故使顯示器顯示"2"，當(dāng)輸入 DCBA=O110寸，輸出abcdeg=1100000,顯示器顯示"6 "。在7447中尚有LT、 RBI與BI/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 個與或非門組成的BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器。通常是低電平有效，高的灌入電流 的輸出可直接驅(qū)動顯示器。7個與非門和一個驅(qū)動器成對連接，以產(chǎn)生可用的 BCD數(shù)據(jù)及其補碼至7個與或非譯碼門。剩下的與非門和 3個輸入緩沖器作為 試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）端及動態(tài)滅燈輸入（RBI ） 端。該電路接受4位二進制編

12、碼一十進制數(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)動一個七段顯示器。輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計成能承受7段顯示所需要的相當(dāng)高的電壓。驅(qū)動顯示器各段所需的高達24mA的電流可以由其高性 能的輸出晶體管來直接提供。BCD輸入計數(shù)9以上的顯示圖案是鑒定輸入條件 的唯一信號。該電路有自動前、后沿滅零控制（RBI和RBO。試燈（LT）可在 端處在高電平的任何時刻去進行，該電路還含有一個滅燈輸入（BI ），它用來控制燈的亮度或禁止輸出。該電路在應(yīng)用中可以驅(qū)動共陽極的發(fā)光二極管或直接驅(qū) 動白熾燈指示器。7447之輸出系為驅(qū)動器設(shè)計，其邏輯0之吸入電流高達40mA 故在使用必須加入330Q左右電阻加以限流

13、，以免過大電流流經(jīng)LED而燒毀顯示器，如圖3所示。Vcc f 夏 3 be d. eI I I I I I I I4為瑋 43 總 II -4 0：9.1 11 i AlH： ；:;:卩I T t I I 18rA GXDf LAS% RBI123韜入 圖1 DM7447A DM5447A引腳功能圖DecimnI or FunctronInpulaSkRBO (Note J)0uiputsLTRBIDcBKabcd&g0HHLLLLHLLLLLtH1HIXLLLHIHLLHHHH2HIXLLHLHILLHLLHL3HXLLHHLLLLHHL4HXLHLLHHLLHHLL5HXLHLHH

14、LHLLHLL6HIXLHHLHIHHLLLtL7HIXLHHHHLLLHHHHHIXhLLLHLLLLLLL9HIXHLIrtHLLLHHLL10HXHLHLHHHHILLHL11HXHLHHIHHHLLHHL12HIXHHLLHIJdLRMHLL13HXNHLHHILHHLHiL14HXHHHLHHHHILLLL15IHXHHHHHHHHHHHHBlXXXKXXLHHHHHHHFtBlIHLLLLLLHHHHHHHLTLXXXXXHLLLILLLLNote表 1 DM7447A DM5447A真值表H=高電平L=低電平X二不定注：1、當(dāng)需要0到15的輸出功能時，滅燈輸入（BI）必須為開路或

15、保持在高 邏輯電平，若不要滅掉十進制零，則動態(tài)滅燈輸入（RBI ）必須開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，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，則所有段的輸出端進入關(guān)閉且動態(tài)滅燈輸出（ RBO處于低電平（響應(yīng) 條件）。4、當(dāng)滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出（BI/RBO）開路或保持在高電平，且將低電平加 到試燈輸入（LT）時，所有段的輸出端都得打開。* BI/RBO是用作滅燈輸入（BI）與/或動態(tài)滅燈輸出（RBO的線與邏輯。Hunn-陀M SfToJITfT1ro圖2

16、 七段顯示器對74LS47之應(yīng)用電路圖3W衛(wèi) W/IV.共陽七段數(shù)碼管介紹其基本單元是發(fā)光二極管。這里主要介紹最常數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，用的發(fā)光二極 管七段顯示器（也叫七段數(shù)碼管）。它的每一個字段 是一個 發(fā)光二極管。示意 圖如圖4.16所示。圖（A）為七個顯示 字段的示意圖， 圖（B）為七段數(shù)碼管可以顯示的16種字符。Q 12 3 456 Y g 910 11 12 13 14 15這時為滅零狀態(tài)。當(dāng)某些發(fā)光二極管因為有驅(qū)動電流而發(fā)光時，因為發(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，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

17、碼大于9 時，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，七 段數(shù)碼管所有的LED都不亮，V W Vao4 Qd e(A)圖4.17七段(B)LED顯示器內(nèi)部連接圖T 1廣公共陽極-o-a圖4.11 74LS147 管腳排列圖1jy 16VccTH215NCk314DH4S 13IsIe5S 12C 6y 11IlE 710l9GND 39A為了使用方便，通常將各發(fā)光二極管的陽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)光二極管的陽極連接在一 起成為公共電極，則稱為共陽極接法如圖4.17 (

18、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七個輸出端，還有其它字符如小數(shù)點。這樣的數(shù)碼管實際上輸出是八段。所以 使用數(shù)碼管之 前要看清是幾段輸出，是共陰極還是共陽極的。例如 譯碼器用輸出高電 平驅(qū)動顯示器時，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 顯示器時，應(yīng)該選用共陽極的數(shù)碼管。V .光電門模塊參數(shù)說明 1當(dāng)模塊檢測到前方障礙物信號時，電路 板上綠色指示燈點亮電平，同 時OUT端口持續(xù)輸出低電平信號,該模塊檢測距離230cm，檢測角度 35。，檢測距離可以通過電位器進行調(diào)節(jié)，順時針調(diào)電位器

19、，檢測距離 增加；逆時針調(diào)電位器，檢測距離減少。2、傳感器主動紅外線反射探測，因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測距離的 關(guān)鍵。其中黑色探測距離最小，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IO 口連接即可，也可以直 接驅(qū)動一個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 對模塊進 行供電。當(dāng)電源接通時，紅 色電源指 示燈點亮；具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝；電路板尺寸：3.2CM*1.4CM8、每個模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情 況，請勿隨意調(diào)節(jié)電位器。模塊接口說明1 VCC外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機和3.3v單片機相連）2 GND夕卜接GND3 OUT小板數(shù)字量輸出接口（ 0和1）七、成員感悟馬敬川：在此次項目試驗中我認為大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目實施強調(diào)自主性、 探索性、實踐性和協(xié)作性，遵循“興趣驅(qū)動、自主試驗、重在過程”的原則。注 重創(chuàng)新性實驗項目的實施過程講究長遠效益，強調(diào)項目實施過程中在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面的收獲，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，不急功近利，不為成 果而設(shè)計,重在實施過程中得到的鍛煉和培養(yǎng)。趙思成：在此次項目試驗中我認為研究方面，最深的體會就是要善于勤于 思考，主動動手動腦