《數(shù)字電子技術(shù)》說(shuō)課

《數(shù)字電子技術(shù)》說(shuō)課

第五章

觸發(fā)器課程分析1.1本課程的地位《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電類各專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課，是這些專業(yè)本科生必修的主干課程。隨著技術(shù)的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，該課程在整個(gè)電類專業(yè)課程體系中的地位和作用越來(lái)越重要。在當(dāng)今現(xiàn)實(shí)世界中，電子技術(shù)日新月異，突飛猛進(jìn)，這其中一個(gè)最為重要趨勢(shì)就是從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)化，數(shù)字技術(shù)將曾經(jīng)毫不相干的領(lǐng)域融為一體，并且還將繼續(xù)整合整個(gè)工業(yè)體系甚至是整個(gè)社會(huì)。

作為體現(xiàn)數(shù)字化發(fā)展成果和趨勢(shì)的基礎(chǔ)技術(shù)課程，本課程在整個(gè)電類專業(yè)課程體系中的地位和作用是不言而喻的，與傳統(tǒng)的教學(xué)體系不同，以前從未曾有過(guò)的大量學(xué)科紛紛出現(xiàn)在高等教育的課程設(shè)置中。如DSP技術(shù)、SOC設(shè)計(jì)、EDA技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)、數(shù)字通信、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、硬件描述語(yǔ)言、面向用戶的微電子技術(shù)、軟件無(wú)線電、硬件智能演化技術(shù)等等。這其中許多被列為當(dāng)今的核心科技學(xué)科、自主型科學(xué)技術(shù)的重心，引領(lǐng)著未來(lái)電子技術(shù)的發(fā)展方向，也預(yù)示著前景良好的就業(yè)取向。也就是說(shuō)，課程體系中還有大量的極為重要的課程是以此課程為基礎(chǔ)的。1.2本課程教學(xué)存在的問(wèn)題

現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)本身的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用把本課程的地位和重要性推到了前所未有高度的同時(shí)，也對(duì)這一課程的教學(xué)提出了極大的挑戰(zhàn)。盡管近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少高校在本課程教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容與體系、教學(xué)方法與手段上進(jìn)行了一些改革探索，并取得了一些成果，但目前在總體上還存在著不少的問(wèn)題。1）教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容跟不上技術(shù)的發(fā)展教學(xué)理念還停留在對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容與體系的豐富和完善上。傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的落后主要體現(xiàn)在：①過(guò)分強(qiáng)調(diào)手工設(shè)計(jì)方式，并將其作為核心教學(xué)內(nèi)容。如組合、時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)技術(shù)，包括試題庫(kù)、統(tǒng)考或研究生考試的內(nèi)容，都是誕生于上世紀(jì)60年代、成熟于70年代、淘汰于80年代初的數(shù)字電路手工設(shè)計(jì)技術(shù)，這些內(nèi)容被傳承數(shù)十載而自成體系，無(wú)需計(jì)算機(jī)，十分容易構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)試題庫(kù)，便利于書面考試與評(píng)分。然而這一切恰恰埋沒了這門作為當(dāng)今科技領(lǐng)域最富變化，最具活力，最貼近實(shí)踐，最需創(chuàng)新能力的學(xué)科的突出特質(zhì)。②局限于低速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)數(shù)字技術(shù)忽視時(shí)序特性分析，其本質(zhì)就是一種低速系統(tǒng)理念。諸如介紹用上拉電阻提高TTL輸出電平的方法、加驅(qū)動(dòng)器件提高扇出能力的方法、詳細(xì)討論555、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)電路等現(xiàn)代數(shù)字電路中不可能存在的模數(shù)混合電路等等。從現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的角度看，這些方法與技術(shù)有的是錯(cuò)誤的，有的內(nèi)容則沒有任何實(shí)用意義。③局限于中小規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如過(guò)于強(qiáng)調(diào)化簡(jiǎn)，現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)中已沒有化簡(jiǎn)這個(gè)概念，所對(duì)應(yīng)的概念是優(yōu)化，即數(shù)字設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)提高系統(tǒng)性能而不是邏輯結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。正是基于這樣的教學(xué)理念，傳統(tǒng)的教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容處理上將中小規(guī)模、低速系統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)內(nèi)容作為教學(xué)的重中之重，在篇幅上（前6章）約占2/3，在教學(xué)時(shí)間上更是占到了3/4。2）教學(xué)目標(biāo)和評(píng)價(jià)體系落后

本課程傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)于重視原理性討論而不注重實(shí)際技術(shù)，在理論教學(xué)內(nèi)容上自我封閉，不考慮生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用。而與之相配套的實(shí)踐課大多停留在原理性的驗(yàn)證上，很少或根本沒有創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系也僅僅限于理論上的閉卷考試，實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核要求也很低。對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面的考核嚴(yán)重不足。3）課程設(shè)置的時(shí)段過(guò)于靠后傳統(tǒng)上此課程絕大多數(shù)被放在本科第5、第6學(xué)期，這在30年前是合理的。我校目前安排在第4學(xué)期，但這還不夠，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作起步晚，剩余在校時(shí)間少，難于應(yīng)付大量基于此技術(shù)的后續(xù)課程，更不可能有足夠的時(shí)間通過(guò)有效的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐來(lái)消化它們，而這些后續(xù)課程又多數(shù)與未來(lái)的就業(yè)或可能的深造關(guān)系密切。因此，本課程設(shè)置前提到第3學(xué)期，甚至是第二學(xué)期是必要的，這在國(guó)外十分普遍。這種提前對(duì)于應(yīng)用型本科院校尤為重要。2.1本課程常用的教材傳統(tǒng)的經(jīng)典教材主要有兩部：1）閻石主編《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）》.北京：高等教育出版社，2006.5。為普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，按照教育部2004年修訂的“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求”修訂而成的。作者閻石：1937年生，清華大學(xué)教授、全國(guó)高等學(xué)校電子技術(shù)研究會(huì)理事長(zhǎng)。

2教材分析2）康華光主編電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2008.1。該教材為普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。作者康華光：華中科技大學(xué)教授。1925年8月出生。曾任國(guó)家教育部《原國(guó)家教委》高校工科電工課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任兼電子技術(shù)課程教學(xué)指導(dǎo)小組組長(zhǎng)。2.2本課程兩部經(jīng)典教材的特點(diǎn)分析閻石版特點(diǎn)：主要是增加了硬件描述語(yǔ)言和EDA軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)。為了便于讀者今后閱讀外文教材和使用外文版的EDA軟件，書中采用了目前國(guó)際上流行的圖形邏輯符號(hào)。

康華光版特點(diǎn)：1.加強(qiáng)了數(shù)字邏輯的概念與設(shè)計(jì)；2.以CMOS器件為主兼顧其他類型的器件；3.引入了Verilog硬件描述語(yǔ)言和QUARTUSⅡ集成開發(fā)軟件，利用PLD和EDA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字邏輯電路；4.采用新的思路和技術(shù)構(gòu)建模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器,作為模擬電路和數(shù)字電路的接口。兩部教材的體系結(jié)構(gòu)相似，就本身的系統(tǒng)性而言都很好，但都與現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的理念還有一定差距。作為考研參考都很好，但作為應(yīng)用型本科教材不是很適合。相比較而言，康版由于出版較晚，跟隨數(shù)字電子技術(shù)進(jìn)步更緊密一些。兩部教材均將觸發(fā)器安排在第五章，內(nèi)容大同小異。關(guān)鍵在于教學(xué)者的取舍。2.3其他教材：楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2004.余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第四版）.北京：高等教育出版社,2006.……

我校為新升本院校，定位為建設(shè)有特色的地方性應(yīng)用型教學(xué)型本科院校。學(xué)生的整體素質(zhì)一般，就業(yè)主要去向?yàn)榈胤浇?jīng)濟(jì)建設(shè)應(yīng)用型人才。這就決定了在教學(xué)內(nèi)容選取上不求理論上的完善和深度，以夠用、實(shí)用為宜，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性、實(shí)用性，突出學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。但這并不意味著要學(xué)習(xí)落后的或即將淘汰的知識(shí)。3.學(xué)情分析4.教情分析就全國(guó)的情況而言，普遍存在著教師的理論水平高但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題，我校也是如此，而我校作為應(yīng)用型本科，更需要大量既懂理論教學(xué)，又具備豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師。我作為本課程的主講教師，在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面也同樣很缺乏。5.教學(xué)策略5.1教學(xué)目標(biāo)1）熟練掌握SR鎖存器的原理、特性表。2）熟練掌握電平觸發(fā)的觸發(fā)器的電路組成及其特性表。

3）了解脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器的工作原理。4）了解邊沿D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

5）掌握SR觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器的邏輯功能。6）了解觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能、觸發(fā)方式的關(guān)系

5.2教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1）教學(xué)重點(diǎn)：①SR鎖存器的原理、特性②電平觸發(fā)的觸發(fā)器電路組成及工作原理③脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器的觸發(fā)方式④邊沿D觸發(fā)器的觸發(fā)方式

⑤SR、JK、D、T觸發(fā)器的邏輯功能

2）教學(xué)難點(diǎn)：①SR鎖存器的原理、特性②主從觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與工作原理③邊沿D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

5.3教學(xué)思路與教學(xué)方法

觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本組成單元，因此本章是為第六章服務(wù)的，而第六章時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)作為手工設(shè)計(jì)方法已經(jīng)比較落后，學(xué)習(xí)手工設(shè)計(jì)的主要目的不是讓學(xué)生按照這種方法來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，而是為了讓學(xué)生將來(lái)進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)時(shí)更好地理解自動(dòng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程與原理。因此，對(duì)于本章的教學(xué)，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，教學(xué)要求可以有所下降，教學(xué)課時(shí)可適當(dāng)減少，對(duì)于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理可以適當(dāng)簡(jiǎn)略，重點(diǎn)放在觸發(fā)器的邏輯功能上。而騰出的教學(xué)時(shí)數(shù)用于課程設(shè)計(jì)和現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)講授。具體教學(xué)方法上，以講授和討論為主，并配以各種典型觸發(fā)器器件實(shí)物進(jìn)行展示說(shuō)明。6.教學(xué)設(shè)計(jì)6.1課程引入從本課程教學(xué)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)入手分析本章在整個(gè)課程中的地位和作用。第一、二章是本課程的基本概念和知識(shí)，第三章是為第四章服務(wù)的，而第五章是為第六章服務(wù)的。6.2新課教學(xué)5.1概述：觸發(fā)器的概念和特點(diǎn)及其分類5.2SR鎖存器具體分析用兩個(gè)或非門組成的SR鎖存器的結(jié)構(gòu)和工作原理，如表所示的8種工作情況只分析前4種和最后兩種即可，其中最后兩種情況是難點(diǎn)。而其他兩種情況由學(xué)生自行分析，以達(dá)到舉三反一的目的，并節(jié)約教學(xué)時(shí)間。用兩個(gè)與非門組成的SR鎖存器的分析由學(xué)生自行完成。指出上述兩種SR鎖存器的共同點(diǎn)和區(qū)別。0000001110011011010001101100*1110*工作原理分析SR鎖存器時(shí)序圖SRQQ5.3電平觸發(fā)的觸發(fā)器首先明確鎖存器與觸發(fā)器概念的區(qū)別

具體分析CLK=0和CLK=1兩種情況下電路的工作原理。并說(shuō)明電平觸發(fā)的觸發(fā)器的特征。電平觸發(fā)的觸發(fā)器時(shí)序圖電平觸發(fā)的D觸發(fā)器D觸發(fā)器特性表指出該D觸發(fā)器是由電平觸發(fā)的SR觸發(fā)器演變而來(lái)，其特性表如下表所示：0110QQ10110xQn+1

Qn+1CPD5.4脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器1.主從SR觸發(fā)器2.主從JK觸發(fā)器5.5邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器1.邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器DQCQDQCQDCLKQMQQFF1FF2DQCLKQM5.6觸發(fā)器的邏輯功能及其描述方法一、觸發(fā)器按邏輯功能的分類按邏輯