數(shù)字鐘電路教學(xué)設(shè)計(jì)

張娜

摘要：在《數(shù)字電子技術(shù)》教學(xué)中，數(shù)字鐘電路是時(shí)序邏輯電路中說(shuō)明計(jì)數(shù)功能的典型電路。通過(guò)數(shù)字鐘電路原理的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生在理解計(jì)數(shù)原理的同時(shí)，學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)電路。一個(gè)合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠幫助學(xué)生更快捷的進(jìn)入電路分析狀態(tài)、同時(shí)更主動(dòng)的索取知識(shí)內(nèi)容。在“學(xué)有所成”的過(guò)程中，找到自信，找到學(xué)習(xí)的積極性。

關(guān)鍵詞：時(shí)序邏輯電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)字鐘、異步計(jì)數(shù)器

一、知識(shí)點(diǎn)分析

在數(shù)字電子技術(shù)課程中，觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本單元，同樣是計(jì)數(shù)器的靈魂。尤其是通過(guò)改變JK觸發(fā)器的輸入端的連接形式得到D計(jì)數(shù)器，或是T`計(jì)數(shù)器，是學(xué)習(xí)多位二進(jìn)制計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)。了解單個(gè)JK觸發(fā)器是如何計(jì)數(shù)的，就能了解多位二進(jìn)制計(jì)數(shù)的秘訣，從而理解集成計(jì)數(shù)器的工作方式、計(jì)數(shù)連線方式。

二、目標(biāo)分析

通過(guò)教學(xué)應(yīng)該達(dá)到幾個(gè)基本的教學(xué)效果。首先是學(xué)生學(xué)會(huì)如何使用集成計(jì)數(shù)器;其次學(xué)生懂得如何運(yùn)用集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)電路;再次學(xué)生能熟練的搭接電路，實(shí)現(xiàn)電路功能;最后學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中找到興趣、提升自信。

三、案例設(shè)計(jì)

1、復(fù)習(xí)JK觸發(fā)器的基本知識(shí)，壓實(shí)知識(shí)點(diǎn)。

充分觀察JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，詳細(xì)說(shuō)明JK觸發(fā)器真值表及狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，使學(xué)生充分明白J和K兩個(gè)輸入端的使用方法。強(qiáng)調(diào)由JK觸發(fā)器構(gòu)成T`計(jì)數(shù)器，說(shuō)明計(jì)數(shù)器的工作方式。

2、提出疑問(wèn)-興趣引導(dǎo)

引導(dǎo)學(xué)生思考，1個(gè)JK觸發(fā)器雖然能連接成計(jì)數(shù)器，但是單個(gè)JK觸發(fā)器的計(jì)數(shù)能力有限（只能數(shù)0和1），缺乏實(shí)用性，我們需要的是更大數(shù)值范圍的計(jì)數(shù)，也就是更多位的計(jì)數(shù)器，例如0000-1001（0-9）計(jì)數(shù)。如何實(shí)現(xiàn)？

3、引入異步計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器概念

運(yùn)用PPT課件的演示功能，從異步計(jì)數(shù)器開(kāi)始說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)。通過(guò)對(duì)典型的異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的分析，使學(xué)生明確計(jì)數(shù)原理。同時(shí)應(yīng)當(dāng)使學(xué)生明白同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器的區(qū)別及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

4、任務(wù)布置

查找資料，指導(dǎo)學(xué)生分別查找74LS90和74LS161芯片的管腳圖、邏輯符號(hào)、管腳功能、使用方法。學(xué)生查找后，教師應(yīng)帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)查找的資料進(jìn)行篩選和匯總，選出最清晰明確的核心知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行消化理解。其中將74LS90的十進(jìn)制工作方式列為學(xué)習(xí)掌握的重點(diǎn)，作為學(xué)生后續(xù)分析和設(shè)計(jì)數(shù)字鐘電路的知識(shí)鋪墊。

5、提出任務(wù)

驅(qū)動(dòng)學(xué)生做任務(wù)，根據(jù)任務(wù)布置環(huán)節(jié)中學(xué)到的74LS90構(gòu)成0-9十進(jìn)制計(jì)數(shù)，將電路在面包板上完成連線，并連接好譯碼器和顯示器（譯碼和顯示部分的電路由教師直接提供），完成后，觀察顯示器的計(jì)數(shù)現(xiàn)象。

6、課件演示分析工作過(guò)程

利用課件的演示功能將電路信號(hào)的傳輸和變化體現(xiàn)出來(lái)，其中需要明確各環(huán)節(jié)功能，盡量言簡(jiǎn)意賅，讓學(xué)生一步看到核心關(guān)鍵內(nèi)容。

A.74LS90十進(jìn)制工作形式已經(jīng)連接好。

B. 時(shí)鐘脈沖輸入端送入脈沖信號(hào)。

C. 74LS90開(kāi)始計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果從Q3Q2Q1Q0四個(gè)輸出端送給譯碼器。

D. 譯碼器接收到計(jì)數(shù)信息后，將信息傳給共陽(yáng)數(shù)碼管。

7、提出數(shù)字鐘計(jì)數(shù)需求

學(xué)生頭腦風(fēng)暴：秒時(shí)鐘的計(jì)數(shù)范圍是多少。給學(xué)生觀察電子手環(huán)的時(shí)鐘顯示動(dòng)態(tài)畫(huà)面，得到00-59的計(jì)數(shù)范圍之后，學(xué)生面臨兩個(gè)問(wèn)題的思考：

A.如何實(shí)現(xiàn)0-5的六進(jìn)制計(jì)數(shù)？

根據(jù)異步計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)，0-5的計(jì)數(shù)，需要利用數(shù)字“6”的編碼0110中的高電平使74LS90的置0端有效，從而使74LS90立即清0，重新從0-5進(jìn)行計(jì)數(shù)。

B.如何完成兩位計(jì)數(shù)器的電路？

將電子手環(huán)上的計(jì)數(shù)狀態(tài)展示給學(xué)生，觀察電子手環(huán)上的秒計(jì)數(shù)是十位為“0”，個(gè)位從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到個(gè)位從9歸0，同時(shí)十位變?yōu)椤?”，也就是十位的計(jì)數(shù)是發(fā)生在個(gè)位9歸0的同時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)個(gè)位9歸0時(shí)，給十位的計(jì)數(shù)器74LS90脈沖輸入端一個(gè)下降沿脈沖，觸發(fā)它計(jì)數(shù)一次即可。

8、學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)鐘秒計(jì)時(shí)電路圖

繪圖環(huán)節(jié)要求學(xué)生以小組為單位清晰的繪制出秒電路的連線圖，明確標(biāo)好管腳序號(hào)及對(duì)應(yīng)的符號(hào)。繪制好以后，對(duì)各小組繪制的電路進(jìn)行對(duì)比和分析，找到正確又清晰的電路圖作為后期做電路板的依據(jù)。

9、完成電路板的制作與調(diào)試

在教學(xué)環(huán)節(jié)第5步學(xué)生已經(jīng)做好的秒的個(gè)位電路的基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)連線，完成完整的秒的計(jì)時(shí)電路的制作，利用信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源觀察成品電路效果。學(xué)生難免連錯(cuò)線，通電后出現(xiàn)各種問(wèn)題，教師應(yīng)選取幾個(gè)典型的問(wèn)題做統(tǒng)一的分析，教學(xué)學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行查錯(cuò)。

10、設(shè)計(jì)數(shù)字鐘小時(shí)電路并完成電路的安裝調(diào)試

學(xué)生頭腦風(fēng)暴：觀察電子手環(huán)的小時(shí)電路是如何計(jì)數(shù)的，確認(rèn)00-23的二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)范圍，啟發(fā)學(xué)生思考，小時(shí)的個(gè)位和十位的計(jì)數(shù)是一種組合關(guān)系，即當(dāng)小時(shí)的十位計(jì)數(shù)處于0或者1時(shí)，小時(shí)的個(gè)位正常0-9計(jì)數(shù)，而當(dāng)小時(shí)的十位數(shù)到2時(shí)，小時(shí)的個(gè)位只能數(shù)到3，隨即小時(shí)的十位和個(gè)位同時(shí)清0。

學(xué)生需要思考兩個(gè)問(wèn)題：

A、小時(shí)的個(gè)位與十位如何相連？

連接方法與秒的個(gè)位與十位的連接方法相同，即利用9歸0時(shí)，Q3出現(xiàn)的高電平轉(zhuǎn)低電平的下降沿作為十位計(jì)數(shù)器74LS90的脈沖輸入端的觸發(fā)脈沖。

B、如何實(shí)現(xiàn)當(dāng)小時(shí)電路數(shù)到23后，重新從00開(kāi)始計(jì)數(shù)？

同樣根據(jù)異步計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)，想要實(shí)現(xiàn)00-23的計(jì)數(shù)，就要利用24的編碼特征（0010 0100），利用編碼中的“1”使十位和個(gè)位的置0端高電平有效，兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)清0。

在整個(gè)教學(xué)進(jìn)程中，不要忘記保持住學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生自信。注意觀察學(xué)生的變化，每一點(diǎn)滴的進(jìn)步，哪怕是態(tài)度上的積極，都要予以充分的表?yè)P(yáng)和肯定，努力提高學(xué)生自尊水平，自尊水平的提高能夠使孩子們更自律，根據(jù)每個(gè)孩子不同的性格特點(diǎn)和狀態(tài)，常用肯定的語(yǔ)言表達(dá)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

參考文獻(xiàn)：

1、《數(shù)字電子技術(shù)（第二版）》中國(guó)鐵道出版社，劉海江、吳萬(wàn)國(guó)，2011年8月

2、《電子設(shè)計(jì)從零開(kāi)始（第2版）》清華大學(xué)出版社，楊欣 / 萊·諾克斯 / 王玉鳳 / 劉湘黔，2010年10月