单摆实验周期测量电路设计方案

沈阳航空航天大学

课程设计

（说明书）

单摆实验周期测量电路的设计

班级34010104

学号2013040101164

学生姓名周兴荣

指导教师滕金玉

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周期测量电路的设计

课程设计的内容及要求：

一、设计说明与技术指标

在物理实验中，通常采用人工计时测量单摆单位时间内摆动次数，测量单摆摆动的周期时间，拟采用时钟电路配合触发电路测量单位时间单摆摆动次数，具有方便快捷、方便准确的特点，其原理框图如图1所示。

二、设计要求

图1单摆实验计数器电路原理框图

1．电源输出电压为：+5V。2．最大定时时间100S，摆动开始时，触发时间计时，测量5个单摆整周期时间停止，通过5个周期的时间得出一个整周期的时间。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multisim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，2013年

五、按照要求撰写课程设计报告

成绩评定表：

指导教师签字：

2015 年7 月19 日

一、概述

步入新纪元，高科技的发展如火如荼，各行各业百废俱兴，方便、快捷、高效成为高科技发展所要解决的问题。在单摆实验周期测量时一定有不少人深有体会，高中或初中的单摆实验在记录单摆周期时间时使用的是电子秒表，当然这还需要手动，我们在开始计时时和结束计时要尽可能的同步于单摆，可想而知实际同步那是不可能实现，但在要求高精度的实验中要这样做，也绝不可能。单摆实验周期测量的数字电路出现可以解决使用秒表计时时出现的计时不同步的的问题，这样便可以减少误差甚至没有误差，为测量单摆实验周期提供更加精准的计时时间。

本文介绍了基于单摆试验周期测量电路的设计，在硬件方面上使用了一个十六进制的74161N计数器和三个十进制的74160N计数器芯片，一个D触发器芯片，也同时使用了四个LED管与555定时器等。实验设计分为计数部分与计时部分，十六进制计数器芯片连接的LED数码管显示的是单摆第一次经过最低点记数开始，以后每次经过最低点的次数，开关则是每次最低点闭合一次单摆计数器计数一次，LED并显示。555定时器产生1S的时钟信号脉冲，用于三个并联74160N计数器芯片的记时，并同时在三个与之相连的LED管上显示时间。当74161N为零时记时芯片是被清零的，这保证了记时的同步性。根据实验要求设置记时的最大值为X，则可当记时为(X+1)时进行记时置零，同时实验要求记录A个周期内的时间，在单摆计数显示数等于（2A+1）时使用三输入与门从计数芯片部分产生高电平触发D触发器，Q*出来便是低电平与个位记时芯片的ENP端相连，对于74160N芯片ENP端低电平时则保持此芯片的的状态，这样当计数部分走到（2A+1），此时也就是A 个周期时停止记时，所记录的便为A个周期的时间。然后便用记时显示的时间除以A就得到我们所求的时间。

二、方案论证

1.单摆计数电路

单摆计数之前计数部分的电路开关呈打开状态，在实验室进行时我们是当单摆每次经过最低点时闭合并立即打开一次开关。开关每闭合一次产生一个脉冲信号，就使得十六进制计数器计数一次。我们使每次经过最低点计数一次，这样所计数减一除以二便为记录单摆的周期数。

2.信号发生器电路

根据任务的需要，我设计一个用于产生矩形秒脉冲的555触发器接成的多谐振荡器，通过计数器的计数功能实现秒表记时的功能，从而得到单摆摆动周期数的总时长。

3.控制电路

控制电路由D触发器构成，当记录的单摆个数到达相应设置数时触发D触发器输出端Q*输出低电平时计时器保持原状态，从而控制秒表计时器。

4.记时器电路

在用555定时器产生1秒的脉冲，三个十进制计数器并联形成用于记时的秒表计时功能，并且当单摆计数器已记录五个周期，这时秒表计时器就保持原状态，即五个周期的时间，并且当时间为101秒就被立即置零。

图1 单板实验周期测量电路原理图

三、电路设计

1.单摆计数器电路图和计数器74161N功能表如图2、表1所示

图2 单摆计数器电路图

CLK EP ET 工作状态

X 0 X X X 置零

1 0 X X 预置数

X 1 1 0 1 保持

X 1 1 X 0 保持（但C=0）

1 1 1 1 计数

单摆计数器大体功能和模块如图2、表1所示，仿真开始初始状态下开关S1呈打开状态，将单摆73161N计数器的输入端ENP、ENT、LOAD、CLR接入5V电源压，电压源接入开关S1，S1接入非门74S04N，最后接入芯片输入端CLK，A、B、C、D四个芯片输入端同时接地，并将芯片输出端QA、QB、QC、QD与LED数码管对应的四个引脚用线相连。当仿真刚进行时有A、B、C、D接地，单摆计数器则从零开始计数，LED数码管显示为零，并准备开始计数。单摆第一次经过最低点时S1开关闭合高电平经过非门转变为低电平，此74161N芯片计数器低电平有效，有表1可知计数器此时正在计数，并且当开关在闭合时随即恢复原来的打开状态，以便为下一次单摆经过最低点时输入低电平计数有效，此时74161N芯片计数器保持不变。如此每当单摆经过最低点时闭合一次S1开关，则单摆计数器计数一次，因为使用的是74161N芯片，可知为十六进制计数器，所以单摆计数器所记

数最大值为15，可满足实验五个周期的计数需要，假设单摆计数器计数结束得到所计数N,则周期数为(N-1)/2。

2.信号发生器电路图如图3

图3 信号发生器电路图

本电路是一个由555触发器接成的多谢振荡器，振荡周期T=1s,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+2R2)Cln2 （1）占空比公式：

q=(R1+R2)/(R1+2R2) （2）假设C=10uF,综合周期的公式（1）、（2）,可以得到：

R1=R2=48KΩ

3.控制电路电路图如图4