数字电子钟课程设计

【精品】数字电子钟课程设计关键词：项目式教学法；自主学习；创新型逻辑思维Abstract：Accordingtothecharacteristicofdigitalelectronictechnologyinthispaper，theprojected-basedteachingmethodisappliedintheprocessofteachinginouruniversity，thenitsschemeandimplementisdiscussedinseveralaspectsincludingcreatingsituation，modularmission，teachers'guide，teamwork，expandingmission，etc.Ithasshownthatthemethodisfavorableinimprovingstudents'abilitytosolveproblemsandanalyzeproblemsanddevelopingtheirabilitytolearningindependentlyandinnovativelogicalcogitation.Keywords：projected-basedteachingmethod；learningindependently；innovativelogicalcogitation一、引言“数字电子技术”课程是电气、电子信息类在电子技术方面入门性质的技术基础课，具有自身完整的理论体系和很强的实践性。本课程通过对常用电子器件、数字电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得数字电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，培养学生分析和解决问题的能力。通过本课程的学习，为以后深入学习数字电子技术某些领域中的内容以及为数字电子技术在专业中的应用打好基础。在课程的教学过程中，笔者发现部分学生对知识点的体系结构混淆不清，不能将各个知识点联系起来解一些综合性题目。基于项目活动的研究性学习，项目教学法的突出特点在于：将学习过程的实践和研究活动相融合[1]。项目教学法通过在教学中引入与相应知识点关联的综合案例，使学生在解决问题的过程中领会知识的内涵和应用，实现专业能力与综合能力的有效提升[2]。二、基于项目教学法的课程建设“数字电子技术”课程首先让学生了解了数字电路的基础知识及逻辑代数，接着重点让学生熟悉常用的集成电路及其应用。在掌握基础知识的前提下，在课程的教学过程中采用项目教学法，引导并启发学生采用模块化的设计思路对综合性的数字系统进行设计。项目的选择应遵循的原则：（1）难度适中；（2）与现实生活紧密结合；（3）能够激发学生学习兴趣；（4）与专业相关，对专业知识有更深入的理解。三、项目教学法的实施步骤1.创造情境，激发学生兴趣。在教学中创建良好的教学环境，激发学生的学习兴趣。例如在课程的“组合逻辑电路设计”教学中，询问学生有没有献过血。通过此问题可以激发学生的好奇心，探究献血和所学知识的相关性；接着询问血型匹配知识。通过此问题调动大家探讨的积极性；最后提出能否利用所学知识设计一个血型匹配判断电路。通过前期的情境培养，使学生对“组合逻辑电路设计”知识产生浓厚的兴趣。2.围绕主题，逐步深入。学习了典型的时序集成电路后，为了进一步加深学生对集成电路的理解和应用，继而引导学生作进一步讨论：能否用现有知识设计数字电子钟？数字电子钟的设计包含哪些模块？学生对数字电子钟比较熟悉，能够确定数字电子钟需要实现哪些功能。学生通过研究和讨论，设计出数字电子钟的总体结构图，如图1所示。数字电子钟的模块包括：秒脉冲信号产生、计数、译码、校时和显示等基本模块，利用Multisim仿真软件实现各电路模块的独立调试和仿真，再进行系统的级联调试。在此过程中，教师应引导学生思考数字电子钟的关键问题：秒脉冲信号如何产生？时计数电路，即二十四进制计数电路如何设计与实现？分、秒计数电路，即六十进制计数电路如何设计与实现？时（分、秒）译码电路如何设计与实现？时（分、秒）显示电路如何设计与实现？怎样实现对时、分的校准？3.模块化设计，团队合作。基本设计思路确定以后，进入项目的实施阶段。在对学生进行分组时，应从多个方面考虑团队成员的组合，如知识结构、特长、性格等。确定了小组成员后，明确每位同学职责。项目负责人将项目任务模块化，负责项目的整体组织和协调，确保项目有条不紊地开展；成员两人一组完成子模块的设计与调试；最后以小组为单位，梳理项目，由项目负责人组织编写和完善所有项目文档和报告。在项目的设计过程中，学生参考他人的设计及实现方法时，主要是学习他人的设计方法，如编码、接口和电路的工作原理，而不是原封不动地使用他人的电路。在项目的方案论证过程中，鼓励学生开展讨论。学生可以通过提方案、相互补充和正反对比等多种探讨思路，对所拟定的方案进行仿真或试验验证。教师在这一环节中力求全面把握学生动向，主动获取学生设计过程中的认知错误，加以指导。最后学生可以得出电子钟每一子模块的设计内容。数字电子钟的第一部分是时间基准，即时钟。学生通过查阅资料发现，为了获得可能的最高精度，时钟电路选择比较常见的32.768kHz的晶振，而32768是2的15次方，所以对这种晶振进行15次分频的话，就可以得到准确稳定的1Hz的标准时钟信号。数字电子钟的第二部分是秒计数器。秒计数器的工作原理为：给其装载一个初始值并执行减计数至零。当计数到达零时，产生一个时钟脉冲并将其传递给分计数器。在这里，装载的初始值根据需要设定的时间和时钟基准信号来计算，若时钟基准信号为1Hz，则60s的设定时间所需的初始值为60，若时钟基准信号为2Hz，则60s的设定时间所需的初始值为120。也就是说，装载的初始值等于需要设定的时间乘以时钟基准信号。数字电子钟的第三部分是分计数器，它实现分的计数和显示，且进行小时比较。每当秒计数器减至零时，分计数器加1。电路需包含一个比较电路的8位计数器，以实现分的复位并使小时计数器加1。通过仿真，学生发现，为了保证LED显示的正确性，当复位为零时，设置显示值为59。数字电子钟的第四部分是时计数器，当分计数器计数到60时，小时计数器加1。在计数器的设计过程中，学生最容易忽略计数器的工作特性，在仿真时就会出现问题。例如，在电子钟设计中计数器选用74LS193时，就要考虑其工作特性，在分计数器的值小于而不是等于60的那一个时刻加1。这样做可以避免使用额外的逻辑运算，来使比较器的输出转化为小时计数器的输入时钟脉冲。小时计数器电路中也应该包含一个比较器，用以检测当前值是否为12（电子钟小时显示为12进制），如果是，立即将小时计数器复位[3]。4.总结问题，共同研讨。在项目教学实施的过程中，教师在做到整体掌握、全程引导的同时，还要尊重学生的设计，协助学生解决遇到的难题。如学生在校时电路的设计中遇到了如下问题：校时电路的开关在接通和断开时均存在抖动问题，使电路无法正常工作。这时学生在教师的鼓励、引导下查阅资料，了解到常用的消除抖动的方法：软实现（编程实现）、硬件实现。软实现即处理器查询或者监视开关的状态，当开关在规定时间内没有改变状态时，即认为开关已经不再抖动。常用的硬件去抖动的方法有：（1）使用施密特触发器电路；（2）使用CMOS555定时器；（3）基本RS锁存器电路。利用施密特触发器电路消除抖动时，应确保施密特触发器的门限电压尽可能小，以保证能被电容上的电压触发；当开关存在很多抖动时，最好的方法是采用CMOS555定时器构建单稳态电路来消除抖动。当开关按下时，555定时器可以输出一个稳定的脉冲信号，代替开关来触发实际；利用基本RS锁存器电路，将锁存器的S端接开关输入，R端接应用电路，将开关的状态锁存，当操作完成后取消锁存。学生可以分组，应用不同的方法消除抖动，比较去抖动的效果，确定最佳方案。学生通过查阅资料，不仅解决了设计中遇到的问题，同时也发散了思维，扩展了知识面。5.时序仿真，实现目标。学生通过原理图设计，得到了秒脉冲信号、二十四进制计数器、六十进制计数器，通过仿真可以得到其时序图，引导学生总结利用集成计数器芯片实现其他进制计数器的方法，最后通过级联实现数字钟的设计和仿真。每个小组实现项目设计后，教师应对学生作品进行评价，项目组负责人应向全班汇报并展示本组设计的作品，列举在项目实施过程中遇到的问题及解决方案。6.拓展项目，鼓励创新。在学生实现了项目任务时，教师可以引导学生进行项目的拓展，增强学生的灵活应用能力和创新能力。鼓励学生进行讨论，如现在市场上的电子钟定时有何特点，学生自身对定时功能有何要求等。学生可以通过提方案、互相补充、多方面对比等探讨过程，实现电子钟个性化定时的设计。在这一过程中，学生不仅学会思维探索，而且提高了对知识的理解记忆，为课程学习打下了坚实基础。不要局限于一套设计方案。在系统设计前，将学生分组，要求每组同学采用不同的方法达到设计目的。例如用数字电路设计一个闪烁式LED时序电路，在设计时序发生器时可以采用以下几种方法：（1）555定时器；（2）慢时钟；（3）快时钟，通过计数器来分频。四、结语在“数字电子技术”课程教学改革中，采用项目教学法获得了显著的实际成效。采用基于项目的教学方法，通过创设情境、教师适时引导、学生团队合作及互动交流、项目拓展等，不仅能够全面提高学生分析问题及解决问题的能力，还能够充分调动学生学习的主动性和积极性。教学实践证