數字電子鐘課程設計

【精品】數字電子鐘課程設計關鍵詞：項目式教學法；自主學習；創(chuàng)新型邏輯思維Abstract：Accordingtothecharacteristicofdigitalelectronictechnologyinthispaper，theprojected-basedteachingmethodisappliedintheprocessofteachinginouruniversity，thenitsschemeandimplementisdiscussedinseveralaspectsincludingcreatingsituation，modularmission，teachers'guide，teamwork，expandingmission，etc.Ithasshownthatthemethodisfavorableinimprovingstudents'abilitytosolveproblemsandanalyzeproblemsanddevelopingtheirabilitytolearningindependentlyandinnovativelogicalcogitation.Keywords：projected-basedteachingmethod；learningindependently；innovativelogicalcogitation一、引言“數字電子技術”課程是電氣、電子信息類在電子技術方面入門性質的技術基礎課，具有自身完整的理論體系和很強的實踐性。本課程通過對常用電子器件、數字電路及其系統(tǒng)的分析和設計的學習，使學生獲得數字電子技術方面的基本知識、基本理論和基本技能，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。通過本課程的學習，為以后深入學習數字電子技術某些領域中的內容以及為數字電子技術在專業(yè)中的應用打好基礎。在課程的教學過程中，筆者發(fā)現部分學生對知識點的體系結構混淆不清，不能將各個知識點聯系起來解一些綜合性題目。基于項目活動的研究性學習，項目教學法的突出特點在于：將學習過程的實踐和研究活動相融合[1]。項目教學法通過在教學中引入與相應知識點關聯的綜合案例，使學生在解決問題的過程中領會知識的內涵和應用，實現專業(yè)能力與綜合能力的有效提升[2]。二、基于項目教學法的課程建設“數字電子技術”課程首先讓學生了解了數字電路的基礎知識及邏輯代數，接著重點讓學生熟悉常用的集成電路及其應用。在掌握基礎知識的前提下，在課程的教學過程中采用項目教學法，引導并啟發(fā)學生采用模塊化的設計思路對綜合性的數字系統(tǒng)進行設計。項目的選擇應遵循的原則：（1）難度適中；（2）與現實生活緊密結合；（3）能夠激發(fā)學生學習興趣；（4）與專業(yè)相關，對專業(yè)知識有更深入的理解。三、項目教學法的實施步驟1.創(chuàng)造情境，激發(fā)學生興趣。在教學中創(chuàng)建良好的教學環(huán)境，激發(fā)學生的學習興趣。例如在課程的“組合邏輯電路設計”教學中，詢問學生有沒有獻過血。通過此問題可以激發(fā)學生的好奇心，探究獻血和所學知識的相關性；接著詢問血型匹配知識。通過此問題調動大家探討的積極性；最后提出能否利用所學知識設計一個血型匹配判斷電路。通過前期的情境培養(yǎng)，使學生對“組合邏輯電路設計”知識產生濃厚的興趣。2.圍繞主題，逐步深入。學習了典型的時序集成電路后，為了進一步加深學生對集成電路的理解和應用，繼而引導學生作進一步討論：能否用現有知識設計數字電子鐘？數字電子鐘的設計包含哪些模塊？學生對數字電子鐘比較熟悉，能夠確定數字電子鐘需要實現哪些功能。學生通過研究和討論，設計出數字電子鐘的總體結構圖，如圖1所示。數字電子鐘的模塊包括：秒脈沖信號產生、計數、譯碼、校時和顯示等基本模塊，利用Multisim仿真軟件實現各電路模塊的獨立調試和仿真，再進行系統(tǒng)的級聯調試。在此過程中，教師應引導學生思考數字電子鐘的關鍵問題：秒脈沖信號如何產生？時計數電路，即二十四進制計數電路如何設計與實現？分、秒計數電路，即六十進制計數電路如何設計與實現？時（分、秒）譯碼電路如何設計與實現？時（分、秒）顯示電路如何設計與實現？怎樣實現對時、分的校準？3.模塊化設計，團隊合作。基本設計思路確定以后，進入項目的實施階段。在對學生進行分組時，應從多個方面考慮團隊成員的組合，如知識結構、特長、性格等。確定了小組成員后，明確每位同學職責。項目負責人將項目任務模塊化，負責項目的整體組織和協調，確保項目有條不紊地開展；成員兩人一組完成子模塊的設計與調試；最后以小組為單位，梳理項目，由項目負責人組織編寫和完善所有項目文檔和報告。在項目的設計過程中，學生參考他人的設計及實現方法時，主要是學習他人的設計方法，如編碼、接口和電路的工作原理，而不是原封不動地使用他人的電路。在項目的方案論證過程中，鼓勵學生開展討論。學生可以通過提方案、相互補充和正反對比等多種探討思路，對所擬定的方案進行仿真或試驗驗證。教師在這一環(huán)節(jié)中力求全面把握學生動向，主動獲取學生設計過程中的認知錯誤，加以指導。最后學生可以得出電子鐘每一子模塊的設計內容。數字電子鐘的第一部分是時間基準，即時鐘。學生通過查閱資料發(fā)現，為了獲得可能的最高精度，時鐘電路選擇比較常見的32.768kHz的晶振，而32768是2的15次方，所以對這種晶振進行15次分頻的話，就可以得到準確穩(wěn)定的1Hz的標準時鐘信號。數字電子鐘的第二部分是秒計數器。秒計數器的工作原理為：給其裝載一個初始值并執(zhí)行減計數至零。當計數到達零時，產生一個時鐘脈沖并將其傳遞給分計數器。在這里，裝載的初始值根據需要設定的時間和時鐘基準信號來計算，若時鐘基準信號為1Hz，則60s的設定時間所需的初始值為60，若時鐘基準信號為2Hz，則60s的設定時間所需的初始值為120。也就是說，裝載的初始值等于需要設定的時間乘以時鐘基準信號。數字電子鐘的第三部分是分計數器，它實現分的計數和顯示，且進行小時比較。每當秒計數器減至零時，分計數器加1。電路需包含一個比較電路的8位計數器，以實現分的復位并使小時計數器加1。通過仿真，學生發(fā)現，為了保證LED顯示的正確性，當復位為零時，設置顯示值為59。數字電子鐘的第四部分是時計數器，當分計數器計數到60時，小時計數器加1。在計數器的設計過程中，學生最容易忽略計數器的工作特性，在仿真時就會出現問題。例如，在電子鐘設計中計數器選用74LS193時，就要考慮其工作特性，在分計數器的值小于而不是等于60的那一個時刻加1。這樣做可以避免使用額外的邏輯運算，來使比較器的輸出轉化為小時計數器的輸入時鐘脈沖。小時計數器電路中也應該包含一個比較器，用以檢測當前值是否為12（電子鐘小時顯示為12進制），如果是，立即將小時計數器復位[3]。4.總結問題，共同研討。在項目教學實施的過程中，教師在做到整體掌握、全程引導的同時，還要尊重學生的設計，協助學生解決遇到的難題。如學生在校時電路的設計中遇到了如下問題：校時電路的開關在接通和斷開時均存在抖動問題，使電路無法正常工作。這時學生在教師的鼓勵、引導下查閱資料，了解到常用的消除抖動的方法：軟實現（編程實現）、硬件實現。軟實現即處理器查詢或者監(jiān)視開關的狀態(tài)，當開關在規(guī)定時間內沒有改變狀態(tài)時，即認為開關已經不再抖動。常用的硬件去抖動的方法有：（1）使用施密特觸發(fā)器電路；（2）使用CMOS555定時器；（3）基本RS鎖存器電路。利用施密特觸發(fā)器電路消除抖動時，應確保施密特觸發(fā)器的門限電壓盡可能小，以保證能被電容上的電壓觸發(fā)；當開關存在很多抖動時，最好的方法是采用CMOS555定時器構建單穩(wěn)態(tài)電路來消除抖動。當開關按下時，555定時器可以輸出一個穩(wěn)定的脈沖信號，代替開關來觸發(fā)實際；利用基本RS鎖存器電路，將鎖存器的S端接開關輸入，R端接應用電路，將開關的狀態(tài)鎖存，當操作完成后取消鎖存。學生可以分組，應用不同的方法消除抖動，比較去抖動的效果，確定最佳方案。學生通過查閱資料，不僅解決了設計中遇到的問題，同時也發(fā)散了思維，擴展了知識面。5.時序仿真，實現目標。學生通過原理圖設計，得到了秒脈沖信號、二十四進制計數器、六十進制計數器，通過仿真可以得到其時序圖，引導學生總結利用集成計數器芯片實現其他進制計數器的方法，最后通過級聯實現數字鐘的設計和仿真。每個小組實現項目設計后，教師應對學生作品進行評價，項目組負責人應向全班匯報并展示本組設計的作品，列舉在項目實施過程中遇到的問題及解決方案。6.拓展項目，鼓勵創(chuàng)新。在學生實現了項目任務時，教師可以引導學生進行項目的拓展，增強學生的靈活應用能力和創(chuàng)新能力。鼓勵學生進行討論，如現在市場上的電子鐘定時有何特點，學生自身對定時功能有何要求等。學生可以通過提方案、互相補充、多方面對比等探討過程，實現電子鐘個性化定時的設計。在這一過程中，學生不僅學會思維探索，而且提高了對知識的理解記憶，為課程學習打下了堅實基礎。不要局限于一套設計方案。在系統(tǒng)設計前，將學生分組，要求每組同學采用不同的方法達到設計目的。例如用數字電路設計一個閃爍式LED時序電路，在設計時序發(fā)生器時可以采用以下幾種方法：（1）555定時器；（2）慢時鐘；（3）快時鐘，通過計數器來分頻。四、結語在“數字電子技術”課程教學改革中，采用項目教學法獲得了顯著的實際成效。采用基于項目的教學方法，通過創(chuàng)設情境、教師適時引導、學生團隊合作及互動交流、項目拓展等，不僅能夠全面提高學生分析問題及解決問題的能力，還能夠充分調動學生學習的主動性和積極性。教學實踐證