單擺試驗(yàn)周期測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案

1、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)（說(shuō)明書）單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量電路的設(shè)計(jì)班級(jí)34010104學(xué)號(hào)2013040101164學(xué)生姓名周興榮指導(dǎo)教師滕金玉1/15沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量電路的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說(shuō)明與技術(shù)指標(biāo)在物理實(shí)驗(yàn)中，通常采用人工計(jì)時(shí)測(cè)量單擺單位時(shí)間內(nèi)擺動(dòng)次數(shù)，測(cè)量單擺擺動(dòng)的周期時(shí)間，擬采用時(shí)鐘電路配合觸發(fā)電路測(cè)量單位時(shí)間單擺擺動(dòng)次數(shù)，具有方便快捷、方便準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其原理框圖如圖1所示。二、設(shè)計(jì)要求圖1單擺實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)器電路原理框圖1.電源輸出電壓為：+5V。2.最大定時(shí)時(shí)間100S,擺動(dòng)開始時(shí)，觸發(fā)時(shí)間計(jì)時(shí)，測(cè)量5個(gè)單

2、擺整周期時(shí)間停止，通過(guò)5個(gè)周期的時(shí)間得出一個(gè)整周期的時(shí)間。3.計(jì)數(shù)顯示用LED數(shù)碼管。4.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。5.畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。三、實(shí)驗(yàn)要求1 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用multisim軟件仿真。2 .進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩(shī)白，華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2013年五、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告2/15成績(jī)?cè)u(píng)定表:序號(hào)評(píng)定項(xiàng)目評(píng)分成績(jī)1設(shè)計(jì)方案正確，具后可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計(jì)結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律（15分）4設(shè)計(jì)

3、報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評(píng)定成績(jī)（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字：2015年7月19日3/15一、概述步入新紀(jì)元，高科技的發(fā)展如火如荼，各行各業(yè)百?gòu)U俱興，方便、快捷、高效成為高科技發(fā)展所要解決的問(wèn)題。在單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量時(shí)一定有不少人深有體會(huì)，高中或初中的單擺實(shí)驗(yàn)在記錄單擺周期時(shí)間時(shí)使用的是電子秒表，當(dāng)然這還需要手動(dòng)，我們?cè)陂_始計(jì)時(shí)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)要盡可能的同步于單擺，可想而知實(shí)際同步那是不可能實(shí)現(xiàn)，但在要求高精度的實(shí)驗(yàn)中要這樣做，也絕不可能。單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量的數(shù)字電路出現(xiàn)可以解決使用秒表計(jì)時(shí)時(shí)出現(xiàn)的計(jì)時(shí)不同步的的問(wèn)題，這樣便可以減少誤

4、差甚至沒(méi)有誤差，為測(cè)量單擺實(shí)驗(yàn)周期提供更加精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)時(shí)間。本文介紹了基于單擺試驗(yàn)周期測(cè)量電路的設(shè)計(jì)，在硬件方面上使用了一個(gè)十六進(jìn)制的74161N計(jì)數(shù)器和三個(gè)十進(jìn)制的74160N計(jì)數(shù)器芯片，一個(gè)D觸發(fā)器芯片，也同時(shí)使用了四個(gè)LED管與555定時(shí)器等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為計(jì)數(shù)部分與計(jì)時(shí)部分，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片連接的LED數(shù)碼管顯示的是單擺第一次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)記數(shù)開始，以后每次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)的次數(shù)，開關(guān)則是每次最低點(diǎn)閉合一次單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，LEM顯示。555定時(shí)器產(chǎn)生1S的時(shí)鐘信號(hào)脈沖，用于三個(gè)并聯(lián)74160N計(jì)數(shù)器芯片的記時(shí)，并同時(shí)在三個(gè)與之相連的LED管上顯示時(shí)間。當(dāng)74161N為零時(shí)記時(shí)芯片是被清零的，這

5、保證了記時(shí)的同步性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置記時(shí)的最大值為X,則可當(dāng)記時(shí)為（X+1）時(shí)進(jìn)行記時(shí)置零，同時(shí)實(shí)驗(yàn)要求記錄A個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間，在單擺計(jì)數(shù)顯示數(shù)等于（2因A+1）時(shí)使用三輸入與門從計(jì)數(shù)芯片部分產(chǎn)生高電平觸發(fā)D觸發(fā)器，Q*出來(lái)便是低電平與個(gè)位記時(shí)芯片的EN訓(xùn)相連，對(duì)于74160N芯片EN嘲低電平時(shí)則保持此芯片的的狀態(tài)，這樣當(dāng)計(jì)數(shù)部分走到（2A+1）,此時(shí)也就是A個(gè)周期時(shí)停止記時(shí)，所記錄的便為A個(gè)周期的時(shí)間。然后使用記時(shí)顯示的時(shí)間除以A就得到我們所求的時(shí)間。1/15二、方案論證1 .單擺計(jì)數(shù)電路單擺計(jì)數(shù)之前計(jì)數(shù)部分的電路開關(guān)呈打開狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行時(shí)我們是當(dāng)單擺每次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)閉合并立即打開一次開關(guān)

6、。開關(guān)每閉合一次產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，就使得十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。我們使每次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)計(jì)數(shù)一次，這樣所計(jì)數(shù)減一除以二便為記錄單擺的周期數(shù)。2 .信號(hào)發(fā)生器電路根據(jù)任務(wù)的需要，我設(shè)計(jì)一個(gè)用于產(chǎn)生矩形秒脈沖的555觸發(fā)器接成的多諧振蕩器,通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)秒表記時(shí)的功能，從而得到單擺擺動(dòng)周期數(shù)的總時(shí)長(zhǎng)。3 .控制電路控制電路由D觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)記錄的單擺個(gè)數(shù)到達(dá)相應(yīng)設(shè)置數(shù)時(shí)觸發(fā)D觸發(fā)器輸出端Q*輸出低電平時(shí)計(jì)時(shí)器保持原狀態(tài)，從而控制秒表計(jì)時(shí)器。4 .記時(shí)器電路在用555定時(shí)器產(chǎn)生1秒的脈沖，三個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器并聯(lián)形成用于記時(shí)的秒表計(jì)時(shí)功能，并且當(dāng)單擺計(jì)數(shù)器已記錄五個(gè)周期，這時(shí)秒表計(jì)時(shí)器就保持原狀態(tài)

7、，即五個(gè)周期的時(shí)問(wèn)，并且當(dāng)時(shí)間為101秒就被立即置零。圖1單板實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量電路原理圖2/15三、電路設(shè)計(jì)1 .單擺計(jì)數(shù)器電路圖和計(jì)數(shù)器74161N功能表如圖2、表1所示DCOHEX1W74161N圖2單擺計(jì)數(shù)器電路圖表1計(jì)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(jì)數(shù)單擺計(jì)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(guān)S1呈打開狀態(tài)，將單擺73161N計(jì)數(shù)器的輸入端ENRENTLOADCLR接入5V電源壓，電壓源接入開關(guān)S1,S1接入非門74S04N最后接入芯片輸入端CLKA、B、C、D四個(gè)芯片輸

8、入端同時(shí)接地，并將芯片輸出端QAQBQCQMLED數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的四個(gè)引腳用線相連。當(dāng)仿真剛進(jìn)行時(shí)有A、B、GD接地，單擺計(jì)數(shù)器則從零開始計(jì)數(shù)，LED數(shù)碼管顯示為零，并準(zhǔn)備開始計(jì)數(shù)。單擺第一次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)S1開關(guān)閉合高電平經(jīng)過(guò)非門轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，?4161N芯片計(jì)數(shù)器低電平有效，有表1可知計(jì)數(shù)器此時(shí)正在計(jì)數(shù)，并且當(dāng)開關(guān)在閉合時(shí)隨即恢復(fù)原來(lái)的打開狀態(tài)，以便為下一次單擺經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)輸入低電平計(jì)數(shù)有效，此時(shí)74161N芯片計(jì)數(shù)器保持不變。如此每當(dāng)單擺經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)閉合一次S1開關(guān)，則單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，因?yàn)槭褂玫氖?4161N芯片，可知為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以單擺計(jì)數(shù)器所記3/15數(shù)最大值為15,可滿足實(shí)驗(yàn)

9、五個(gè)周期的計(jì)數(shù)需要，假設(shè)單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)束得到所計(jì)數(shù)N,則周期數(shù)為（N-1）/2。2 .信號(hào)發(fā)生器電路圖如圖3本電路是一個(gè)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(shè)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(jì)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(gè)控制電路，我采用的D觸發(fā)器，來(lái)讓計(jì)時(shí)器停止工作，當(dāng)計(jì)

10、數(shù)器有進(jìn)位輸出的時(shí)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(hào)，對(duì)于74160N的芯片來(lái)說(shuō)，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(jì)時(shí)器最低位芯片的ENP使計(jì)時(shí)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(shí)秒表部分計(jì)時(shí)器電路圖與計(jì)數(shù)器74160N功能表如圖5和表2所示DCDHEX圖5計(jì)時(shí)器電路圖表2計(jì)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(jì)數(shù)保持0保持異步置0co£t7"QWWHl記時(shí)部分電路有555觸發(fā)器接成的多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖時(shí)鐘信號(hào)接入各三個(gè)并聯(lián)記時(shí)芯片CLK輸入端，三個(gè)74160N芯片計(jì)數(shù)器并聯(lián)，個(gè)位記時(shí)芯片的CC輸出端接入十位記時(shí)芯片的輸入端ENPENT根據(jù)74160N的功能表可知當(dāng)個(gè)位記時(shí)芯片輸出二進(jìn)制1010時(shí)CC輸出高電平，這時(shí)秒表計(jì)數(shù)器向前進(jìn)一位，同理十位記時(shí)芯片的CC輸出端接入百位記時(shí)芯片的ENPENT»入端，這樣可產(chǎn)生秒表計(jì)數(shù)器進(jìn)位操作。百位計(jì)時(shí)芯片、十位記時(shí)芯片與個(gè)位記時(shí)芯片的A、B、CD輸入端同時(shí)接地，這樣可以讓秒表計(jì)時(shí)器從零開始計(jì)時(shí)。三個(gè)并聯(lián)芯片的QAQB

12、QCQD俞出端與LED相應(yīng)引腳連接，其中右邊連接的LED表示的是秒表的個(gè)位，中間連接的是十位，左邊相連的是百位。設(shè)百位計(jì)時(shí)芯片為U2,十位計(jì)時(shí)芯片為U3,個(gè)位計(jì)時(shí)芯片為U4同時(shí)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(dāng)U4輸出1是QA輸出端是高電平，同理U2一樣，當(dāng)兩高電平及與非門是出來(lái)的是低電平，這時(shí)就觸發(fā)異步清零端，所以計(jì)時(shí)器的最大值是一百秒。并且從單擺計(jì)數(shù)器芯片QAQBQCQD接入四輸入或門，當(dāng)輸出都為低電平時(shí)或門輸出低電平然后接入U(xiǎn)&U4的異步清零端CLR用于初始工作時(shí)的清零。在控制電路部分輸出端接入的是U4的ENP俞入端，當(dāng)單寸i計(jì)

13、數(shù)器記錄5個(gè)周期單擺時(shí)觸發(fā)控制電路D觸發(fā)器，此時(shí)輸出端為低電平，U4保持原狀態(tài)，計(jì)時(shí)器記錄的是5個(gè)周期時(shí)間。四、性能的測(cè)試1.單擺計(jì)數(shù)器的性能測(cè)試如圖6和表3所示6/15DCDHEX2.信號(hào)發(fā)生器性能測(cè)試如圖7所是所示7/15圖6單擺計(jì)數(shù)器電路圖表3單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)表經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)次數(shù)S1開關(guān)閉合次數(shù)LED輸出顯示111222333444555666777圖7信號(hào)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(cè)用到了示波器一XSC1用于測(cè)量的是OUT俞出端的波形，示波器使用了通道_A,標(biāo)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(cè)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L(zhǎng)ED顯示十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的11時(shí)D觸發(fā)器出來(lái)的是低電平。本次性能檢測(cè)用到了示波器-XSC1,用于測(cè)量控制電路中的D觸發(fā)器，在單擺計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)電路中所記數(shù)為11時(shí)反饋給D觸發(fā)器時(shí)，D觸發(fā)器輸出端Q*的電平高低。實(shí)驗(yàn)示波器用到了通道A,標(biāo)度：1S/Div,刻度：5V/Div,X、Y軸位移（格）都為零。4 .計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)電路性能測(cè)試如圖7所示8/15EKG電平Dtib.HEK圖7記時(shí)器記時(shí)電路圖仿真剛開始時(shí)，A端口輸入的是低電平，初始時(shí)三個(gè)并聯(lián)記時(shí)芯片被清零，即是秒表從零開始計(jì)時(shí)。秒表記時(shí)正在計(jì)時(shí)時(shí)AB端都為高電平，并且秒表計(jì)時(shí)器最大

15、值為100秒,之后回到零開始記時(shí)。9/15五、結(jié)論本實(shí)驗(yàn)用555觸發(fā)器接成多諧振蕩器，為使產(chǎn)生的是秒脈沖信號(hào)，此時(shí)設(shè)電容C3=10回，則所接電阻可求R1=R2=48KQ。實(shí)驗(yàn)的單擺計(jì)數(shù)電路使用的十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161N可以滿足5個(gè)周期測(cè)量的計(jì)數(shù)需要，單擺每經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)計(jì)數(shù)一次，總共所需最少11次的計(jì)數(shù)需要。秒表記時(shí)器的電路需要3個(gè)十進(jìn)制74160N的并聯(lián)，555觸發(fā)器器產(chǎn)生1S的時(shí)鐘脈沖用于計(jì)時(shí)器芯片，當(dāng)單擺計(jì)數(shù)為0時(shí)記時(shí)芯片是被清0的，這保證了記時(shí)是從單擺第1次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)開始計(jì)時(shí)的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求記時(shí)的最大值為100S,則可當(dāng)記時(shí)為101S時(shí)進(jìn)行記時(shí)置0,同時(shí)實(shí)驗(yàn)要求記錄5個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間，在

16、單擺計(jì)數(shù)等于11次時(shí)表示已經(jīng)5次單擺周期時(shí)間，這時(shí)使用三輸入與門從計(jì)數(shù)芯片部分產(chǎn)生高電平此作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖，Q*出來(lái)便是低電平與低位記時(shí)芯片的EN圖相連，對(duì)于74160N芯片EN礎(chǔ)低電平時(shí)保持原狀態(tài)，這樣當(dāng)計(jì)數(shù)部分走到11此時(shí)，也就是五個(gè)周期時(shí)停止記時(shí)，所記錄的便為5個(gè)周期的時(shí)間。然后使用記時(shí)顯示的時(shí)間除以5就得到我們所求的時(shí)間。最后經(jīng)過(guò)一定的理論知識(shí)分析，將它們組合在一起就構(gòu)成了我們生活中普遍應(yīng)用，幾乎必不可少的數(shù)字時(shí)鐘。完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)后，看到自己的成果感到很有成就感，從而加強(qiáng)了自己對(duì)實(shí)踐的興趣。這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)這學(xué)期數(shù)字邏輯課程所學(xué)內(nèi)容的一次綜合練習(xí)，從中不僅強(qiáng)化了我對(duì)教材中知識(shí)

17、的理解和掌握。而且也拓展了我在數(shù)字電子技術(shù)方面的知識(shí)。參考文獻(xiàn)1童詩(shī)白、華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006年2閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006年3陳大欽主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一一設(shè)計(jì)仿真M.北京：高等教育出版社2000年4康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分M.北京高等教育出版社2008年5童詩(shī)白、徐振英主編.現(xiàn)代電子學(xué)及應(yīng)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(shè)計(jì)M.浙江：浙江大學(xué)出版社，2000年7鄭家龍、王小海、章安元編.集成電子基礎(chǔ)教程M.北京：高教出版社，2002年8彭介華編.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.北京：高等教育出版社，1997年9童詩(shī)白主編.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2001年10趙春華編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn).M北京：機(jī)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!|_<