单摆实验显示仪

（袁小翔）本单摆实验显示仪可以准确测量单摆周期。它具有如下特点：（1）采用光敏器件使摆球经过平衡位置时自动计时；（2）可预置需测量的全振动次数n（n=10、20、……50），达到预定数值时，自动停止计时；（3）计时时间及完成全振动的次数均由LED屏显示，读数方便，直观清晰。

电路见图1。红外线对管固定在摆球的平衡位置，摆球每经过一次平衡位置，光敏管的集电极输出一正脉冲信号。IC1的两个非门D1、D2和R3构成施密特触发器，为脉冲信号整形。IC2为双D触发器CD4013，其中IC2-l控制自动计时部分，IC2-2接成二分频器，控制自动计数部分，且二分频器的工作与否受IC2-1的控制。非门D3与外接晶振B2、反馈电阻R4构成1MHz的振荡器。振荡信号经D4反相整形后送入IC7的CE\(_{A}\)端。IC7、IC8为双BCD计数器CD4518，分别接成分频系数为100的分频器，这样IC8的Q4B输出100Hz（0.01s）的时基信号。

IC9采用环氧树脂软封，外形图见图2。VT2与R7、R8及B1构成32768Hz的振荡器为IC9提供动态扫描脉冲信号。a～g为七段数码输出端，D1～D4为位扫描输出端，CP为脉冲信号输入端，脉冲下降沿计数，R-为清零端，低电平有效。另外，DNL9201软封板上已留有外接元件的安装孔，使用非常方便。

IC3将输入的下降沿脉冲信号个数译成对应的BCD码，其中Q1A～Q4A、 Q1B～Q4B分别输出个位和十位的BCD码。IC5、IC6为BCD锁存／7段译码／驱动器电路，它与两只共阴数码管配合，完成摆球振动次数的显示。IC4为BCD——十进制码译码器CD4028，其A～D四个输入端与IC3的Q1B～Q4B相连。当十位数码管显示“l”～“5”时，IC4的Q1～Q5相应输出端输出高电平。

将摆球拉离竖直方向θ角（θ＜5°），按一下清零按钮SB，电路中所有的计数器、触发器均处于复位状态，此时计时数码管显示“0000”，计数数码管显示“00”。然后无速度释放摆球，摆球第1次到达平衡位置，D2输出第1个正脉冲，信号的上升沿使IC2-l的Q1=D1=1，VT1导通，指示灯HL点亮，提示计时开始。同时二极管VD1截止，1MHz的振荡器起振，计时单元开始计时。此时IC2-2的R2=Q-1=0，IC2-2构成的二分频器退出复位状态。当摆球第二次到达平衡位置，D2输出的第2个正脉冲信号的上升沿使IC2-2翻转，Q2输出上升沿脉冲，但计数单元却不会计数，因为IC3的CE\(_{A}\)端只对下降沿脉冲有效。只有摆球第3次到达平衡位置，IC2-2再次翻转，Q2输出下降沿脉冲才使IC3计数一次，此时数码管显示“01”，表示摆球已完成一次全振动。这样一直继续下去，当摆球第61次到达平衡位置时，IC3的计数达30次，IC4的输出端Q3变为高电平，经预置开关SA及二极管VD2给IC2-l的R1端清零。于是Q1=0，VT1截止，指示灯HL熄灭，同时二极管VD1导通，1MHz的振荡器停振，计时结束。由于R2=Q1=l，IC2-2亦处于复位状态，这样摆球即使继续振动，计时、计数电路也不会再动作，因此各数码管均保持原来的数值不变。

上述过程中IC2的各引脚的波形图如图3所示。

红外线发射管使用塑封小功率管，如5GL、HG410系列，接收管选用3DU31型光敏管，红外线对管安装在图4所示的管壳内。HL为常用的6.3V／0.1A红色指示灯。预置开关SA用单刀五掷开关。VD1～VD3选用1N4148。整机结构及面版设计如图5所示。