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鳳凰高中通用技術(shù)教學(xué)參考書配套教學(xué)軟件_教學(xué)設(shè)計(jì)數(shù)字電路的應(yīng)用教材:(鳳凰國(guó)標(biāo)教材)普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書通用技術(shù)(選修1)文檔內(nèi)容:數(shù)字電路的應(yīng)用章節(jié):第三章電子控制系統(tǒng)的信息處理第四節(jié)數(shù)字電路的應(yīng)用課時(shí)安排:共4課時(shí)(其中試驗(yàn)3課時(shí))作者:莫志仁(浙江杭州第十四中學(xué))一、教學(xué)分析1.教材分析第四節(jié)的安排偏重于實(shí)踐訓(xùn)練。在第三節(jié)中已動(dòng)于練習(xí)過用門電路制作實(shí)用電路,但還不足從實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的角度介紹它們的簡(jiǎn)單應(yīng)用。為此教材中分析了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子.并讓學(xué)生通過實(shí)踐鞏固所學(xué)的知識(shí),這樣做的另一個(gè)目的是讓學(xué)生體會(huì)到控制部分邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)與數(shù)學(xué)模型(此處為邏輯表達(dá)式)之間的關(guān)系,初步領(lǐng)略數(shù)學(xué)在電子沒計(jì)中的重要作用。另外,觸發(fā)器在數(shù)字電路中用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù),它和門電路一樣是數(shù)字電路中必不可少的基本元件,盡管標(biāo)準(zhǔn)中未提及,但教科書中還是簡(jiǎn)單說明了其功能,并用一個(gè)例子來類比,使學(xué)生心中存此印象,為將來學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)做準(zhǔn)備。2.學(xué)情分析最后安排了題目作為學(xué)生的綜合實(shí)踐,它們的邏輯關(guān)系并不復(fù)雜,相信學(xué)生會(huì)感興趣的。但因?yàn)橐龀煽梢允褂玫难b置,在基本邏輯關(guān)系外還要考慮一些實(shí)用的邏輯問題,而解決的方法又是多種多樣的,這就需要教師引導(dǎo)和啟發(fā)。可以這樣說,僅僅從電路的基本邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)電路還只是理論設(shè)計(jì)的階段,只有通過對(duì)電路外圍邏輯關(guān)系完成的設(shè)計(jì)訓(xùn)練,才能真正地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。二、教學(xué)目標(biāo)1.知識(shí)與技能目標(biāo)(1)能夠?qū)?shù)字電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合設(shè)計(jì)和制作,并進(jìn)行試驗(yàn)。(2)了解基本觸發(fā)器在電子控制系統(tǒng)中的作用。2.過程與方法目標(biāo)(1)第四節(jié)中觸發(fā)器的內(nèi)容課標(biāo)沒有要求,但觸發(fā)器是數(shù)字電路中不可缺少的基本元件,教師應(yīng)該講解。(2)本節(jié)有電子設(shè)計(jì)內(nèi)容,要求讓學(xué)生體會(huì)到數(shù)學(xué)模型在邏輯關(guān)系中的作用,可讓學(xué)生制作不同作用的表表決器,分組共同研究設(shè)計(jì)方案,在教師的指導(dǎo)下選購(gòu)器材并制作。3.情感態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo)(1)積極參與數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和制作活動(dòng),體驗(yàn)對(duì)數(shù)字電路技術(shù)的內(nèi)在的科學(xué)性,深入分析探究,感受解決技術(shù)難題和獲得成果所帶來的喜悅。(2)在學(xué)習(xí)中深入了解觸發(fā)器在電子控制系統(tǒng)中的作用,連續(xù)實(shí)際以數(shù)字控制的理念分析問題,研究問題,以科學(xué)的態(tài)度解決問題,在設(shè)計(jì)和制作的過程中深入細(xì)致參與試驗(yàn)活動(dòng),不斷完善研究成果,應(yīng)用于實(shí)際。三、教學(xué)重難點(diǎn)1.重點(diǎn)(1)知道門電路用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯關(guān)系。(2)了解控制系統(tǒng)數(shù)字電路的實(shí)現(xiàn)。2.難點(diǎn)對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合設(shè)計(jì)和制作,并進(jìn)行試驗(yàn)。四、教學(xué)策略本節(jié)課以多媒體技術(shù)為輔助教學(xué)手段,通過觀察、基本知識(shí)的傳授、知道門電路用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯關(guān)系。技術(shù)試驗(yàn)、探究、分析、了解控制系統(tǒng)數(shù)字電路的實(shí)現(xiàn)。在教師和互動(dòng)下,對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合設(shè)計(jì)和制作,并進(jìn)行試驗(yàn)。通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)構(gòu)建知識(shí)和技術(shù)能力。五、教學(xué)準(zhǔn)備通用技術(shù)專用教室、多媒體、課件六、課時(shí)安排2課時(shí)七、教學(xué)過程(一)新課導(dǎo)入現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用,促進(jìn)數(shù)字控制技術(shù)創(chuàng)新。高科技數(shù)控系統(tǒng)是集成了機(jī)械電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等多工程技術(shù)學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品。促進(jìn)高端數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新,縮短在數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。數(shù)控自動(dòng)化為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活提供了方便。數(shù)字自動(dòng)售貨機(jī)的的誕生,大大改善了人們的生活方式。因此學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)勢(shì)在必行。由此引入新課。第三章電子控制系統(tǒng)信息的處理第四節(jié)數(shù)字電路的應(yīng)用(二)新課呈現(xiàn)數(shù)字電路的基本單元電路是門電路和觸發(fā)器,觸發(fā)器又是由門電路構(gòu)成的;在數(shù)字電路中,門電路用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯關(guān)系,觸發(fā)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù):任何復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)中的控制部分都可用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。1.用門電路實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系。案例分析:普通電子秤上顯示的價(jià)格的最小單位是“分”。小明想在秤上加一個(gè)四舍五入的電路,能自動(dòng)對(duì)電子秤顯示的“分”值作四舍五入處理,使顯示的最小值為“角”。請(qǐng)你幫他設(shè)計(jì)此電路。設(shè)計(jì)數(shù)字電路的步驟是:(1)對(duì)電路的輸入端、輸出端的名稱及其所代表的邏輯含義加以指定;(2)根據(jù)能使輸出為1的條件,分析其輔出與輸入之間的邏輯關(guān)系;(3)將上述邏輯關(guān)系用邏輯表達(dá)式表示;(4)選擇合適的數(shù)字集成電路和其他有關(guān)器件搭接此電路。按上述步驟,對(duì)該案例設(shè)計(jì)步驟的前兩步分析如下:第一步:由于在電子秤中,每1位十進(jìn)制數(shù)是用4位二進(jìn)制數(shù)表示的,所以電路應(yīng)有4個(gè)輸入C8、C4、C2、C1,它們對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為N。電路應(yīng)有1個(gè)輸出C0,它代表“分”向“角”的進(jìn)位。當(dāng)N≤4時(shí),C0為0;當(dāng)N≥5時(shí),C0為1。第二步:從表中可以看出,能使輸出C0為1的條件有3種情況;(1)只要C8為1,如N=8和N=9時(shí),C0一定為l;(2)若C4和C1同為1,如N=5和N=7時(shí),C0=1;(3)若C4和C2同為1,如N=6和N=7時(shí),C0=1。請(qǐng)按設(shè)計(jì)步驟完成第三、四步設(shè)計(jì)。其中,輸入信號(hào)可照右圖方法用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)獲得;輸出可用發(fā)光二極管作指示,F(xiàn)=1時(shí),發(fā)光二極管發(fā)光。2.觸發(fā)器及其在電子控制系統(tǒng)中的作用。在數(shù)字電路中常常需要將某個(gè)信號(hào)(電平)保持一段時(shí)間。例如本章第二節(jié)三人表決器案例中.若A、B、C是用按鈕開關(guān)產(chǎn)生的,由于按忸按下的時(shí)間通常較短.使得A、B、C輸入的電平保持時(shí)間較短,Ll和L2保持的時(shí)間電就較短.這樣表決的結(jié)果便一閃而過,無法觀察清楚,因此,在一個(gè)控制系統(tǒng)中,必須包含能將這些信號(hào)記住的記憶元件?;居|發(fā)器的記憶作用:觸發(fā)器(能夠存儲(chǔ)1位二值信號(hào)的基本單元電路統(tǒng)稱為觸發(fā)器)基本觸發(fā)器邏輯圖基本觸發(fā)器波形數(shù)字電路中能將二進(jìn)制數(shù)據(jù)記憶住的基本單元電路稱為觸發(fā)器.其中最簡(jiǎn)單階—種稱為基本觸發(fā)器,通常由2只或非門(或2只與非門)交又連接構(gòu)成。任何觸發(fā)器都有2個(gè)輸出端Q和Q,正常情況下Q和Q總是反相的,即不是(Q=0,Q=1)就是(Q=1,Q=0),(Q=0,Q=1)稱為O狀態(tài),(Q=1,Q=0)稱為1狀態(tài)?;居|發(fā)器有2個(gè)輸入端S和R。S(set)稱為置位端或置1端.R(reset)稱為復(fù)位端或置0端。若S端加觸發(fā)信號(hào)(高電平),R端不加觸發(fā)信號(hào),即S=1,R=O,基本觸發(fā)器被置于1狀態(tài)。此過程稱為置1;若R端加觸發(fā)信號(hào)(高電平),S端不加觸發(fā)信號(hào).即S=0,R=1,基本觸發(fā)器被置于O狀態(tài).此過程稱為置0。觸發(fā)器的分析方法:介紹前一定要先復(fù)習(xí)或非門的邏輯關(guān)系,即“有高出低”,“全低出高”,然后將觸發(fā)器的兩個(gè)或非門用兩個(gè)式子描述:為分析方便.用X代表QY代表Q.則上面二式變?yōu)椋?.設(shè)輸入是S=1和R=0,對(duì)于④式,根據(jù)“有高出低”的原則,其輸出應(yīng)為Y=1+X=0,將此結(jié)果代入③式,則根據(jù)“全低出高”可得X=0+0=1,所以在此輸入情況下,觸發(fā)器處于1狀態(tài)。2.設(shè)軸人為S=O和R=1,對(duì)于③式,根據(jù)“有高出低”的原則,其插出應(yīng)為x=1+Y=0,將此結(jié)果代入④式,則根據(jù)“全低出高”,可得Y=0+0=1所以在此輸入情況下,觸發(fā)器處于0狀態(tài)。3.設(shè)輸人為S=0和R=0,則無論原來處于X=0,Y=1狀態(tài)還是K=1,Y=0狀態(tài),代入上面二式都會(huì)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不變。對(duì)觸發(fā)器雖然只用翹翹板來類比,但對(duì)波形圖要很好討論,方可使學(xué)生真正理解什么是記憶作用。弄懂觸發(fā)器的記憶作用后,就用觸發(fā)器搭試一個(gè)實(shí)際電路,加深對(duì)觸發(fā)囂記憶作用的理解。無論置1還是置0,當(dāng)觸發(fā)信號(hào)結(jié)束后,即S和R的輸入都是低電平時(shí),基本觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。由此可見,基本觸發(fā)器具有記憶作用(也稱存儲(chǔ)作用),能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息(即能存鍺一個(gè)1或0)。[思考]如圖所示的基本觸發(fā)器在我們觀察的時(shí)刻之前曾在哪一端加過觸發(fā)信號(hào)?基本觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端通常不應(yīng)都加觸發(fā)信號(hào)(高電平),基本觸發(fā)器輸出與輸入之間的關(guān)系如右表所示。小試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康模菏煜せ居|發(fā)器的功能。試驗(yàn)準(zhǔn)備:CT74LS001片,電位器1只,電阻6只,發(fā)光二極管1只。試驗(yàn)過程:按電路圖搭接電路,調(diào)節(jié)Ui使其由0變大,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況,并記錄發(fā)光二極管狀態(tài)變化時(shí)的Ui值。當(dāng)發(fā)光二極管狀態(tài)變化后,再將Ui由大變小,觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況,并記錄發(fā)光二極管狀態(tài)改變時(shí)的Ui值。試驗(yàn)記錄:初始狀態(tài)(Ui=O),發(fā)光二極管狀態(tài)。發(fā)光二極管狀態(tài)改變時(shí)的Ui。發(fā)光二極管狀態(tài)再次改變時(shí)的Ui。試驗(yàn)總結(jié):1.該電路是如何體現(xiàn)基本觸發(fā)器功能的?2.該電路有何用途?[分析結(jié)果]初始Ui約為0V,此時(shí)發(fā)光二極管亮。Ui由小到大時(shí).狀態(tài)改變時(shí)的Ui約為3.2V,燈滅,以后一直保持滅,直至Ui=6V。Ui由大到小時(shí),狀態(tài)改變時(shí)的Ui約為1.6V,燈亮,直至Ui回到Ui=0V。1.Ui<1.6V時(shí),觸發(fā)器置1,Ui>3.2V時(shí),觸發(fā)器置0。2.當(dāng)1.6V<Ui,<3.2V,觸發(fā)器處于保持(記憶)狀態(tài)。經(jīng)過改造可用于有上、下限控制要求的水位、溫度等控制電路中,如水位低于某值進(jìn)水,水位高于某值停止進(jìn)水等。閱讀用兩個(gè)與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器。用兩個(gè)與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)是低電平,即用0來觸發(fā)。當(dāng)置1端S加觸發(fā)信號(hào),置0端R不加觸發(fā)信號(hào),即S=0,R=1時(shí),基本觸發(fā)器置1;當(dāng)置0端R加觸發(fā)信號(hào),置1端S不如觸發(fā)信號(hào),即R=0,S=1時(shí),基本觸發(fā)器置0;當(dāng)兩輸入瑞皆不如觸發(fā)信號(hào),即S=1,R=1時(shí),基本觸發(fā)器狀態(tài)不變,處于記憶狀態(tài)。用兩個(gè)與非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器的功能表和波形圖都不同于用或非門構(gòu)成的基本觸發(fā)器,但它們?cè)陔娮涌刂葡到y(tǒng)中的作用是一樣的。常用集成觸發(fā)器常用集成觸發(fā)器是由基本觸發(fā)器加控制電路構(gòu)成的,最常用的兩種集成觸發(fā)器是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器。D觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端D和C,D是數(shù)據(jù)輸入端,被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)加在此處;C是時(shí)鐘輸入端,控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作:通常在c端加時(shí)鐘信號(hào)CP(clockpulse)。下圖所示觸發(fā)器邏輯符號(hào)的時(shí)鐘輸入端有一個(gè)“>”符號(hào),表示將數(shù)據(jù)存入觸發(fā)器的操作是在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿(即由0變1的時(shí)刻)發(fā)生的,如圖中的t1時(shí)刻,時(shí)鐘信號(hào)由0變1,此時(shí)加在D端的信號(hào)為l,則觸發(fā)器的狀態(tài)變?yōu)?,數(shù)據(jù)1就被存進(jìn)了觸發(fā)器。在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿(t2時(shí)刻)到達(dá)以前,無論加在D端的信號(hào)有何變化,觸發(fā)器的狀態(tài)都保持不變,體現(xiàn)了觸發(fā)器的記憶功能。在t2時(shí)刻,CP信號(hào)又一次由0變1,此時(shí)加在D端的信號(hào)值為0,因而觸發(fā)器的狀態(tài)變?yōu)?,數(shù)據(jù)0被存進(jìn)了觸發(fā)器。由此可見,D觸發(fā)器的狀態(tài)每個(gè)時(shí)鐘周期變化一次,根據(jù)前一周期(第n周期)結(jié)束時(shí),即時(shí)鐘脈沖上升沿到來前瞬間的D值,確定下一周期(第n+1周期)的狀態(tài)Q。閱讀JK觸發(fā)器的輸入端J和K,其作用類似基本觸發(fā)器的s和R,是確定觸發(fā)器狀態(tài)的依據(jù)。時(shí)鐘信號(hào)輸入端c,因?yàn)樵诖硕水嬃艘粋€(gè)“0”,表明只有在時(shí)鐘脈沖的下降沿(即由1變0的時(shí)刻),觸發(fā)器的狀態(tài)才由J和K確定,而在相鄰兩個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿之間,觸發(fā)器的狀態(tài)都保持不變。JK觸發(fā)器真值表?yè)尨鹌鲬?yīng)用(視頻)搶答器設(shè)計(jì)圖樣和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)圖樣[練習(xí)]在電路試驗(yàn)板上用4個(gè)D觸發(fā)器做成一個(gè)彩燈控制器,加上時(shí)鐘信號(hào)后,4個(gè)發(fā)光二極管便自動(dòng)按一定規(guī)律發(fā)光。所需器件:CCA0421片,發(fā)光二極管4只,按鈕開關(guān)1只,510C電阻4只。時(shí)鐘信號(hào)可山信號(hào)源的方波輸出端提供(頻率約為1Hz)或按上節(jié)練習(xí)中提供的多諧振蕩器電路制作一個(gè)頻率約為1Hz的多諧振蕩器,由多諧振蕩器的輸出信號(hào)提供。[分析]多諧振蕩器可用下面電路代替.其中K是有常開.常閉兩個(gè)觸點(diǎn)的開關(guān),每按一次,從Q端得到一個(gè)正脈沖,將Q端接到LS175的CP輸入端,則每按一次開關(guān),彩燈變化一次。多諧振藹器可用左圖電路代替.其中多諧振藹器可用左圖電路代替.其中K是有常開.常閉兩個(gè)觸點(diǎn)的開關(guān),每按一次.從Q端得到一個(gè)正脈沖,將Q端接到LS175的CP輸入端,則每按一次開關(guān),彩燈變化一次。數(shù)字參考電路圖[課堂小結(jié)]數(shù)字信號(hào)較之模擬信號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn),因而數(shù)字電路得到越來越多的應(yīng)用。與、或、非是三種最基本的邏輯
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