1、单摆实验计数器电路的设计沈阳航空航天大学课 程 设 计单摆实验计数器电路的设计班 级/学 号 14010105/218 学 生 姓 名 彭博文 指 导 教 师 张晓新 沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 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1电源输出电压为：+5V。 2计数器
2、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成绩 指导教师 日期 目 录 第1章 概要设计 41.1任务的内容与要求 41.2任务分析与理解 4第2章 详细设计 52.1电路模块 52.2信号发生器 52.3二进制计数器 72.4控制电路 72.5 计时器 8第3章使用说明与误差分析 9
3、3.1使用说明 93.2误差分析 9参考文献 10附录1（电路总图） 11附录2（元件清单） 12第1章 概要设计1.1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
4、，用软件仿真。7进行实验数据处理和分析。1.2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，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2章 详细设计2.1电路模块 根据第1章第2节的分析和理解，可以得到
5、电路模块，如图2.1所示： 图2.1电路模块图2.2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)Cln2 （1）占空比公式：q=(R1+R2)/(R1+2*R2) （2）假设C=10uF,综合周期的公式（1）、（2）,可以得到：R1=R2=48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：图2.2.1 555触发器组成的多谢振荡器将
6、输出端OUT接在示波器上，可以得到如图2.2.2输出波形图：图2.2.2 多谢振荡器的输出波形图2.3二进制计数器图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
7、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2.4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2.5 计时器为了设计出最大值为100的计数器，我用了
8、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。图2.5.1 3片74LS160组成的101进制计数器第3章使用说明与误差分析3.1使用说明 开关最初处于断开状态，当小球处于摆动
9、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图3.3.1 使用结果3.2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
10、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6
11、. 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1（电路总图）总的电路图：附录2（元件清单）元件名称规格数量电阻48欧姆2个电容C110uf1个电容C210nf1个开关1个74LS160D十进制计数器4片555触发器1片74HC74D_2VD触发器1片7405N逻辑元件 非门1片7403N逻辑元件 与非门1片电源VDD 5V3个LED数码显示管4个导线若干
