高中通用技術(shù)選修《電子控制技術(shù)：數(shù)字電路》教學(xué)建議教案設(shè)計(jì).doc

數(shù)字電路一、內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字信號的特性及優(yōu)點(diǎn) 數(shù)字信號 數(shù)字信號中的1和0 數(shù)字電路三極管與、或、非門基本邏輯門與非、或非門數(shù)字集成電路類型數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路應(yīng)用二、知識點(diǎn)列表學(xué)習(xí)結(jié)果（知識點(diǎn)）指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時(shí)，他們能夠：）表現(xiàn)水平數(shù)字信號的特性及優(yōu)點(diǎn)數(shù)字信號和模擬信號的區(qū)別？了解數(shù)字信號的特性舉例說明數(shù)字信號相對模擬信號的優(yōu)點(diǎn)數(shù)字信號中“1”和“0”知道數(shù)字信號中“1”和“0”的意義了解數(shù)字電路是能方便處理“1”和“0”兩種狀態(tài)信號的電路三極管了解三極管的開關(guān)特性了解三極管的開關(guān)特性是邏輯門電路的基礎(chǔ)與門、或門、非門列舉與、或、非邏輯關(guān)系在日常生活中的表現(xiàn)事例熟悉與門、或門、非門的電路符號熟悉與門、或門、非門輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式會填與門、或門、非門的真值表、會畫波形圖與非門、或非們知道與非門、或非門的電路符號知道與非門、或非門輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式會填與非門、或非門的真值表、會畫波形圖數(shù)字集成電路類型知道數(shù)字集成電路有TTL和CMOS兩種類型了解TTL型和CMOS型集成電路構(gòu)成識別TTL和CMOS數(shù)字集成電路比較TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面的差別了解使用TTL型和CMOS型集成電路的注意事項(xiàng)數(shù)字集成電路應(yīng)用能用數(shù)字集成電路安裝簡單的實(shí)用電路裝置能夠?qū)?shù)字電路進(jìn)行簡單的組合設(shè)計(jì)和制作，并進(jìn)行試驗(yàn)三、重難點(diǎn)分析（一）重點(diǎn)分析1、 基本邏輯門電路的邏輯關(guān)系、真值表和波形圖門電路是構(gòu)成數(shù)字集成電路的基本單元，若將非常復(fù)雜的數(shù)字電路進(jìn)行細(xì)分解，可以知道都是由與門、或門、非門這三種基本門電路構(gòu)成的。門電路的輸出數(shù)據(jù)由輸入數(shù)據(jù)決定，其邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式表達(dá)了門電路的輸出與輸入之間的關(guān)系，是分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路的基礎(chǔ)。真值表以表格形式反映了輸入信號所有變化可能性對應(yīng)輸出信號的關(guān)系，是邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式的表格化形式，真值表是理解數(shù)字電路工作狀態(tài)的重要依據(jù)。波形圖反映了門電路的輸入、輸出信號電平隨時(shí)間變化的情況，也是由邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式?jīng)Q定的。邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式、真值表和波形圖以三種不同形式來表達(dá)數(shù)字電路的工作狀態(tài)，其本質(zhì)都是一樣的。2、 TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面的差別數(shù)字集成電路有TTL與CMOS兩種類型，例如集成與、或、非門也有TTL與CMOS兩種類型，TTL主要由NPN型晶體管構(gòu)成，CMOS主要由場效應(yīng)管構(gòu)成，由于使用器件不同，決定了這兩種集成電路的結(jié)構(gòu)和電氣性能有很大不同，使用時(shí)，理解它們的特性非常重要。由于TTL型和CMOS型集成電路的最大額定電源電壓、邏輯電平、延遲時(shí)間等參數(shù)都有較大的差別，所以TTL型和CMOS型集成電路不能混合使用。比較項(xiàng)目TTL門電路CMOS門電路邏輯0電平（輸出時(shí)）0.30.4V00.4V邏輯0電平（輸入時(shí)）0.30.8V01.5V邏輯1電平（輸出時(shí)）2.43.6V3.5Vd（電源電壓）邏輯1電平（輸入時(shí)）23.6V3.5Vd（電源電壓）邏輯擺幅小大輸入阻抗低（約幾K）高（108以上）工作電壓5V318V平均傳輸延遲時(shí)間快（約十幾ns）慢(約幾十ns)功耗大（約十幾mW）低（約幾個(gè)uW）閾值電壓約1.5V約2.5V（電源電壓為5V時(shí)）扇出系數(shù)8約50集成度低高抗輻射能力弱強(qiáng)雖然TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面有較大差別，但相同功能電路的邏輯關(guān)系是相同的，不影響對電路的邏輯分析。3、 用數(shù)字集成電路安裝簡單的實(shí)用電路用數(shù)字集成電路構(gòu)成簡單實(shí)用電路，是數(shù)字集成電路應(yīng)用和構(gòu)成較復(fù)雜組合數(shù)字電路的基礎(chǔ)。學(xué)生通過電路安裝，可以認(rèn)識和熟悉電子元器件，初步掌握焊接、安裝技巧，體驗(yàn)成功的快樂，培養(yǎng)對電子技術(shù)的興趣。在教學(xué)時(shí)可選用與、或、非、與非、或非等集成門構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩器搭接電子門鈴、報(bào)警器等簡單、有趣電路，有興趣的學(xué)生除了學(xué)會安裝多諧振蕩器外，還可了解多諧振蕩器頻率的計(jì)算方法，以便調(diào)節(jié)頻率、改變音調(diào)。（二）難點(diǎn)分析1、 什么是數(shù)字信號？模擬信號是直接反映外界物理信息變化規(guī)律的電信號，日常生活中有大量的事例，學(xué)生好理解；而數(shù)字信號是對模擬信號的人為加工和處理，它以另外一種形式（0和1的編碼）間接地反映外界物理信息的變化規(guī)律，雖然日常生活中有大量數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的事例，但很少能直觀、準(zhǔn)確地解釋什么是數(shù)字信號，學(xué)生往往難以理解；所以準(zhǔn)確理解數(shù)字信號是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。2、數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計(jì)和制作試驗(yàn)學(xué)生通過數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計(jì)，要學(xué)會優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇、識別電子元器件，焊接、安裝電路、學(xué)會寫試驗(yàn)報(bào)告，初步體驗(yàn)電子技術(shù)試驗(yàn)的一般過程。數(shù)字電路的組合設(shè)計(jì)要建立在簡單數(shù)字集成電路安裝的基礎(chǔ)之上，是對簡單數(shù)字集成電路的組合應(yīng)用。四、教學(xué)建議1、正確理解數(shù)字信號教師在講解數(shù)字信號時(shí)，建議按以下內(nèi)容順序講解數(shù)字信號的來龍去脈，使學(xué)生能較全面的了解數(shù)字信號、較準(zhǔn)確地理解數(shù)字信號的特性：（1）模擬信號：自然界中聲、光、熱、力等物理信息經(jīng)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，這樣的電信號就是模擬信號，它在數(shù)值和時(shí)間上是連續(xù)變化的，其變化規(guī)律反映了相應(yīng)物理信息的強(qiáng)度和變化規(guī)律。（2）模擬信號的主要缺點(diǎn)： 噪聲容易疊加在模擬信號上，引起信號失真； 不便計(jì)算機(jī)處理。（3）十進(jìn)制數(shù)與成二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換：如：9 （1001）2 ，7（0111）2 ，5（0101）2 ，3（0011）2 等等。掌握十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的特性，可以幫助學(xué)生理解數(shù)字信號。（4）模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程（示意）如下： 例如聲音信號經(jīng)聲敏傳感器（話筒）轉(zhuǎn)換成電壓Ua信號波形如圖9.3（a）所示： 根據(jù)采樣定理，由采樣電路對模擬信號進(jìn)行采樣，輸出采樣電壓信號波形如圖9.3（b）所示，采樣信號是離散的模擬信號，只要采樣頻率足夠高，采樣信號能正確無誤地表示模擬信號； A/D轉(zhuǎn)換器將采樣后的模擬信號經(jīng)量化、編碼后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如圖9.3（c）所示，如2V電壓的編碼是0010, 7V電壓的編碼是0111, 9V電壓的編碼是1001。 圖9.3 對模擬信號采樣、編碼示意圖（5）數(shù)字信號的特點(diǎn)：數(shù)字信號是用0和1對采樣后的離散的模擬信號進(jìn)行編碼、僅是由0與1兩種數(shù)據(jù)組成的信號，相對模擬信號有顯著的優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字信號容易克服失真問題：在傳輸、放大處理過程中失真的數(shù)字信號，經(jīng)限幅、整形處理后，即可復(fù)原； 數(shù)字信號抗噪聲干擾能力強(qiáng)：可采用多種算法對數(shù)字信號進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)； 數(shù)字信號便于計(jì)算機(jī)和大規(guī)模數(shù)字集成電路存儲、處理。 經(jīng)數(shù)字電路處理后的數(shù)字信號，根據(jù)需要，可用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號。2、 數(shù)字電路試驗(yàn)電源的制作：一般數(shù)字集成電路使用電源電壓為5V ，使用1.5V電池疊加很不方便；建議用7805集成穩(wěn)壓器自己安裝簡單的5V電源供試驗(yàn)室使用。5伏電源電路如圖9.4所示。集成穩(wěn)壓器7805為三端器件，腳為輸入端，腳為接地端，腳為+5V穩(wěn)壓輸出端；它具有1.5A的輸出能力，內(nèi)部有限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)，采用低噪聲、溫度漂移小的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，工作穩(wěn)定可靠。3 C20.1uFIC7805C1 2200uF+5v_12 圖9.4 5V電源電路變壓器可選用8W以上電源變壓器，使用前要測一下線圈的直流電阻，線圈電阻大的為初級線圈接220V交流電源。橋式整流器可選用全橋整流塊，整流塊的、腳接變壓器次級線圈，腳接地，腳接三端穩(wěn)壓器的輸入端，濾波電容C1選用大容量電解電容，C2為小容量電解電容以消除可能產(chǎn)生的高頻自激振蕩。3、 數(shù)字集成門電路試驗(yàn)通過判斷邏輯門的試驗(yàn)，可以加深學(xué)生對真值表和邏輯函數(shù)關(guān)系表達(dá)的感性認(rèn)識。例1：試驗(yàn)判斷邏輯門一、教師先將學(xué)生分組（46個(gè)為一組），分發(fā)給各組一套電子零配件如：2支電鉻鐵、焊錫絲、2個(gè)蜂巢板、尖嘴鉗、鑷子、小刀、數(shù)字集成電路74LS08和74LS32芯片、4個(gè)按鈕、4個(gè)10K電阻、200和100電阻、2個(gè)發(fā)光二極管、2個(gè)14腳集成電路插座、5V電源一個(gè)、多用電表一塊等等。老師在黑板上畫出兩個(gè)電路圖，如圖9.5和圖9.6所示； 圖 9.5 與門試驗(yàn)電路 圖 9.6 或門試驗(yàn)電路1、教師讓學(xué)生對照電路圖，認(rèn)識元器件，注意集成電路的型號和引腳的排列順序，電阻的阻值和發(fā)光二極管的極性、電源的正極和地。2、老師講解焊接的注意事項(xiàng)，如元件管腳去氧化處理鍍錫，為避免焊接時(shí)損壞芯片，對于集成電路最好加上插座，先將插座焊接在蜂巢板上，使用時(shí)再插上芯片等；3、【老師】：同學(xué)們，這節(jié)課的目的是通過試驗(yàn)判斷門電路的邏輯關(guān)系，給大家的7408和7432是兩種不同功能的數(shù)字集成門電路，老師先不告訴你們它們是什么門電路，只告訴大家，腳和腳是門電路的兩個(gè)輸入端、腳是輸出端接發(fā)光二極管V。請同學(xué)們先畫出兩個(gè)電路發(fā)光二極管亮滅與按鈕A、B通斷的表格，并約定按鈕斷開為1,閉合為0，發(fā)光二極管V亮為1、不亮為0；如表9.1和表9.2所示，即為真值表：輸入輸出V電壓輸入輸出V電壓A1B1V1A2B2V20000010110101111表 9.1 與門試驗(yàn)真值表 表 9.2 或門試驗(yàn)真值表二、學(xué)生自主探究：1、以小組為單位，利用分發(fā)的零配件，分別按圖9.5和圖9.6焊接電路；2、焊接完畢后，進(jìn)行試驗(yàn)：按表格要求觀察A、B通斷的四種不同組合的二極管V亮滅情況，同時(shí)測量芯片第腳的電壓值，并將試驗(yàn)結(jié)果填入表格中；3、根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論（1） 觀察分析真值表，導(dǎo)出邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式；（2） 判斷數(shù)字集成電路的功能；（3） 根據(jù)V的電壓值，判斷數(shù)字集成電路的類型（是TTL還是CMOS）。三、老師進(jìn)行總結(jié)：（1） 74LS08是四2輸入與門芯片（內(nèi)部集成了四個(gè)與門，每個(gè)與門有2個(gè)輸入端），74LS32是四2輸入或門；（2） TTL集成電路特性：0邏輯時(shí)的電平約為0.1V，1邏輯時(shí)的電平約為3.6V（如果是CMOS集成電路，0邏輯時(shí)的電平約為0V，1邏輯時(shí)的電平接近電源電壓約為5V）。（3） R3的作用：是發(fā)光二極管的限流電阻，因?yàn)榘l(fā)光二極管的正向管壓降為1.6V2V,最大正向電流小于50mA。如果不加限流電阻，發(fā)光二極管會燒毀。四、學(xué)生完成試驗(yàn)報(bào)告：報(bào)告應(yīng)包括：試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)器材、試驗(yàn)電路、試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)果分析等五個(gè)方面主要內(nèi)容。4、 用數(shù)字集成電路安裝簡單的實(shí)用電路產(chǎn)生脈沖信號是數(shù)字集成電路的典型應(yīng)用之一，脈沖信號既可作為數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖，也可構(gòu)成有趣的聲響電路。在教學(xué)時(shí)可選用集成門電路構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩器搭接電子門鈴等簡單、有趣電路，有興趣的學(xué)生除了學(xué)會安裝多諧振蕩器外，還可了解多諧振蕩器頻率的計(jì)算方法，以便調(diào)節(jié)頻率、改變門鈴聲音。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，通電后能自動產(chǎn)生連續(xù)的矩形波脈沖，由于矩形波中除基波頻率外，還含有豐富的高次諧波分量，所以矩形波振蕩器又加多諧振蕩器。用不同方法構(gòu)成多諧振蕩器，目的是使學(xué)生掌握多種設(shè)計(jì)方案，以便試驗(yàn)、比較、選擇。例2 CMOS門電路構(gòu)成非對稱式多諧振蕩器試驗(yàn)用多諧振蕩器構(gòu)成天亮叫醒電路如圖9.7所示 （1）元器件作用：IC采用CD4011型CMOS四2輸入與非門，與非門U1的輸出與輸入之間接有反饋電阻R1,它工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，把它的輸出電壓直接接到U2的輸入端作為U2的靜態(tài)偏置電壓，就能使U2也工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，其輸出經(jīng)電容C1反饋到U1的輸入端構(gòu)成正反饋回路，B是蜂鳴器，RG 選用硫化鎘光敏電阻MG4123,其暗電阻5M、亮電阻5K。 （2）工作原理：天黑時(shí)，因RG5M，Uk“0”，振蕩器不起振，蜂鳴器B不叫；天亮?xí)r，因RG5K，Uk“1”，如果有一點(diǎn)小的干擾，就會在U1與U2之間引起自激振蕩，使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)中轉(zhuǎn)換，于是電路不停地振蕩。由理論推導(dǎo)可知，電路的振蕩周期為：T1.4R1C1（適用TTL電路）。 （3）試驗(yàn)： 可調(diào)節(jié)W的電阻值，調(diào)節(jié)叫醒信號報(bào)警時(shí)的天亮程度； 可改變R1、C1的值，改變振蕩頻率，改變蜂鳴器的聲音。W82KRG5VUk 圖 9.7 非對稱式多諧振蕩器天亮報(bào)警電路例3 CMOS門電路構(gòu)成對稱式多諧振蕩器試驗(yàn) 圖 9.8 對稱式多諧振蕩器電路對稱式多諧振蕩器電路如圖9.8所示，它由兩個(gè)與非門和對RC定時(shí)元件組成，其中R1R2R，C1C2C，B是蜂鳴器，S是控制端。當(dāng)S接5V電源時(shí)，振蕩器振蕩；S接地時(shí)，振蕩器停振。 接通電源后，與非門U1和U2因輸出與輸入之間接有反饋電阻R1和R2,工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，U1、C1、U2、C2構(gòu)成正反饋回路，如果有一點(diǎn)小的干擾，就會引起自激振蕩，使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)中轉(zhuǎn)換，于是電路不停地振蕩。由理論推導(dǎo)可知，電路的振蕩周期為：T1.4RC（適用TTL電路）。在作試驗(yàn)時(shí)，R、C可選用不同的值進(jìn)行試驗(yàn)，用示波器觀察輸出波形的變化，聽蜂鳴器發(fā)出不同的聲音。5、數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計(jì)和制作試驗(yàn)數(shù)字電路的組合設(shè)計(jì)要建立在簡單數(shù)字集成電路安裝的基礎(chǔ)之上，是對簡單數(shù)字集成電路的組合應(yīng)用。可將兩個(gè)不同頻率的多諧振蕩器進(jìn)行組合，用較高頻信號對較低頻信號進(jìn)行調(diào)制，合成一個(gè)新的信號，并由此制作一個(gè)發(fā)出變調(diào)聲音的報(bào)警器，這就是常見的數(shù)字電路組合設(shè)計(jì)。例4 可變調(diào)的天亮叫醒電路將例2和例3電路進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，將例2電路U2的輸出直接接到例3電路的控制端S，電路如圖9.9所示。U1和U2組成第一級振蕩器產(chǎn)生較低頻率，U3和U4組成第二級振蕩器產(chǎn)生較高頻率，讓U1、U2產(chǎn)生的較低頻率振蕩控制U3、U4振蕩器的工作，這樣合成一個(gè)新的信號，就是較高頻率信號對較低頻率信號的調(diào)制。工作