高中通用技术选修《电子控制技术：数字电路》教学建议教案设计.doc

数字电路一、内容结构图 数字信号的特性及优点 数字信号 数字信号中的1和0 数字电路三极管与、或、非门基本逻辑门与非、或非门数字集成电路类型数字集成电路数字集成电路应用二、知识点列表学习结果（知识点）指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）表现水平数字信号的特性及优点数字信号和模拟信号的区别？了解数字信号的特性举例说明数字信号相对模拟信号的优点数字信号中“1”和“0”知道数字信号中“1”和“0”的意义了解数字电路是能方便处理“1”和“0”两种状态信号的电路三极管了解三极管的开关特性了解三极管的开关特性是逻辑门电路的基础与门、或门、非门列举与、或、非逻辑关系在日常生活中的表现事例熟悉与门、或门、非门的电路符号熟悉与门、或门、非门输出信号与输入信号之间的逻辑关系表达式会填与门、或门、非门的真值表、会画波形图与非门、或非们知道与非门、或非门的电路符号知道与非门、或非门输出信号与输入信号之间的逻辑关系表达式会填与非门、或非门的真值表、会画波形图数字集成电路类型知道数字集成电路有TTL和CMOS两种类型了解TTL型和CMOS型集成电路构成识别TTL和CMOS数字集成电路比较TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面的差别了解使用TTL型和CMOS型集成电路的注意事项数字集成电路应用能用数字集成电路安装简单的实用电路装置能够对数字电路进行简单的组合设计和制作，并进行试验三、重难点分析（一）重点分析1、 基本逻辑门电路的逻辑关系、真值表和波形图门电路是构成数字集成电路的基本单元，若将非常复杂的数字电路进行细分解，可以知道都是由与门、或门、非门这三种基本门电路构成的。门电路的输出数据由输入数据决定，其逻辑关系函数表达式表达了门电路的输出与输入之间的关系，是分析和设计数字电路的基础。真值表以表格形式反映了输入信号所有变化可能性对应输出信号的关系，是逻辑关系函数表达式的表格化形式，真值表是理解数字电路工作状态的重要依据。波形图反映了门电路的输入、输出信号电平随时间变化的情况，也是由逻辑关系函数表达式决定的。逻辑关系函数表达式、真值表和波形图以三种不同形式来表达数字电路的工作状态，其本质都是一样的。2、 TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面的差别数字集成电路有TTL与CMOS两种类型，例如集成与、或、非门也有TTL与CMOS两种类型，TTL主要由NPN型晶体管构成，CMOS主要由场效应管构成，由于使用器件不同，决定了这两种集成电路的结构和电气性能有很大不同，使用时，理解它们的特性非常重要。由于TTL型和CMOS型集成电路的最大额定电源电压、逻辑电平、延迟时间等参数都有较大的差别，所以TTL型和CMOS型集成电路不能混合使用。比较项目TTL门电路CMOS门电路逻辑0电平（输出时）0.30.4V00.4V逻辑0电平（输入时）0.30.8V01.5V逻辑1电平（输出时）2.43.6V3.5Vd（电源电压）逻辑1电平（输入时）23.6V3.5Vd（电源电压）逻辑摆幅小大输入阻抗低（约几K）高（108以上）工作电压5V318V平均传输延迟时间快（约十几ns）慢(约几十ns)功耗大（约十几mW）低（约几个uW）阈值电压约1.5V约2.5V（电源电压为5V时）扇出系数8约50集成度低高抗辐射能力弱强虽然TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面有较大差别，但相同功能电路的逻辑关系是相同的，不影响对电路的逻辑分析。3、 用数字集成电路安装简单的实用电路用数字集成电路构成简单实用电路，是数字集成电路应用和构成较复杂组合数字电路的基础。学生通过电路安装，可以认识和熟悉电子元器件，初步掌握焊接、安装技巧，体验成功的快乐，培养对电子技术的兴趣。在教学时可选用与、或、非、与非、或非等集成门构成多谐振荡电路，利用多谐振荡器搭接电子门铃、报警器等简单、有趣电路，有兴趣的学生除了学会安装多谐振荡器外，还可了解多谐振荡器频率的计算方法，以便调节频率、改变音调。（二）难点分析1、 什么是数字信号？模拟信号是直接反映外界物理信息变化规律的电信号，日常生活中有大量的事例，学生好理解；而数字信号是对模拟信号的人为加工和处理，它以另外一种形式（0和1的编码）间接地反映外界物理信息的变化规律，虽然日常生活中有大量数字技术应用的事例，但很少能直观、准确地解释什么是数字信号，学生往往难以理解；所以准确理解数字信号是教学中的一个难点。2、数字电路简单的组合设计和制作试验学生通过数字电路简单的组合设计，要学会优化设计方案，选择、识别电子元器件，焊接、安装电路、学会写试验报告，初步体验电子技术试验的一般过程。数字电路的组合设计要建立在简单数字集成电路安装的基础之上，是对简单数字集成电路的组合应用。四、教学建议1、正确理解数字信号教师在讲解数字信号时，建议按以下内容顺序讲解数字信号的来龙去脉，使学生能较全面的了解数字信号、较准确地理解数字信号的特性：（1）模拟信号：自然界中声、光、热、力等物理信息经相应的传感器转换成电信号，这样的电信号就是模拟信号，它在数值和时间上是连续变化的，其变化规律反映了相应物理信息的强度和变化规律。（2）模拟信号的主要缺点： 噪声容易叠加在模拟信号上，引起信号失真； 不便计算机处理。（3）十进制数与成二进制数之间的转换：如：9 （1001）2 ，7（0111）2 ，5（0101）2 ，3（0011）2 等等。掌握十进制数和二进制数的特性，可以帮助学生理解数字信号。（4）模拟信号转化为数字信号的过程（示意）如下： 例如声音信号经声敏传感器（话筒）转换成电压Ua信号波形如图9.3（a）所示： 根据采样定理，由采样电路对模拟信号进行采样，输出采样电压信号波形如图9.3（b）所示，采样信号是离散的模拟信号，只要采样频率足够高，采样信号能正确无误地表示模拟信号； A/D转换器将采样后的模拟信号经量化、编码后转换成数字信号，如图9.3（c）所示，如2V电压的编码是0010, 7V电压的编码是0111, 9V电压的编码是1001。 图9.3 对模拟信号采样、编码示意图（5）数字信号的特点：数字信号是用0和1对采样后的离散的模拟信号进行编码、仅是由0与1两种数据组成的信号，相对模拟信号有显著的优点： 数字信号容易克服失真问题：在传输、放大处理过程中失真的数字信号，经限幅、整形处理后，即可复原； 数字信号抗噪声干扰能力强：可采用多种算法对数字信号进行检错纠错； 数字信号便于计算机和大规模数字集成电路存储、处理。 经数字电路处理后的数字信号，根据需要，可用D/A转换器转换成模拟信号。2、 数字电路试验电源的制作：一般数字集成电路使用电源电压为5V ，使用1.5V电池叠加很不方便；建议用7805集成稳压器自己安装简单的5V电源供试验室使用。5伏电源电路如图9.4所示。集成稳压器7805为三端器件，脚为输入端，脚为接地端，脚为+5V稳压输出端；它具有1.5A的输出能力，内部有限流保护、过热保护和过压保护，采用低噪声、温度漂移小的基准稳压电源，工作稳定可靠。3 C20.1uFIC7805C1 2200uF+5v_12 图9.4 5V电源电路变压器可选用8W以上电源变压器，使用前要测一下线圈的直流电阻，线圈电阻大的为初级线圈接220V交流电源。桥式整流器可选用全桥整流块，整流块的、脚接变压器次级线圈，脚接地，脚接三端稳压器的输入端，滤波电容C1选用大容量电解电容，C2为小容量电解电容以消除可能产生的高频自激振荡。3、 数字集成门电路试验通过判断逻辑门的试验，可以加深学生对真值表和逻辑函数关系表达的感性认识。例1：试验判断逻辑门一、教师先将学生分组（46个为一组），分发给各组一套电子零配件如：2支电铬铁、焊锡丝、2个蜂巢板、尖嘴钳、镊子、小刀、数字集成电路74LS08和74LS32芯片、4个按钮、4个10K电阻、200和100电阻、2个发光二极管、2个14脚集成电路插座、5V电源一个、多用电表一块等等。老师在黑板上画出两个电路图，如图9.5和图9.6所示； 图 9.5 与门试验电路 图 9.6 或门试验电路1、教师让学生对照电路图，认识元器件，注意集成电路的型号和引脚的排列顺序，电阻的阻值和发光二极管的极性、电源的正极和地。2、老师讲解焊接的注意事项，如元件管脚去氧化处理镀锡，为避免焊接时损坏芯片，对于集成电路最好加上插座，先将插座焊接在蜂巢板上，使用时再插上芯片等；3、【老师】：同学们，这节课的目的是通过试验判断门电路的逻辑关系，给大家的7408和7432是两种不同功能的数字集成门电路，老师先不告诉你们它们是什么门电路，只告诉大家，脚和脚是门电路的两个输入端、脚是输出端接发光二极管V。请同学们先画出两个电路发光二极管亮灭与按钮A、B通断的表格，并约定按钮断开为1,闭合为0，发光二极管V亮为1、不亮为0；如表9.1和表9.2所示，即为真值表：输入输出V电压输入输出V电压A1B1V1A2B2V20000010110101111表 9.1 与门试验真值表 表 9.2 或门试验真值表二、学生自主探究：1、以小组为单位，利用分发的零配件，分别按图9.5和图9.6焊接电路；2、焊接完毕后，进行试验：按表格要求观察A、B通断的四种不同组合的二极管V亮灭情况，同时测量芯片第脚的电压值，并将试验结果填入表格中；3、根据试验结果，老师引导学生进行小组讨论（1） 观察分析真值表，导出逻辑关系函数表达式；（2） 判断数字集成电路的功能；（3） 根据V的电压值，判断数字集成电路的类型（是TTL还是CMOS）。三、老师进行总结：（1） 74LS08是四2输入与门芯片（内部集成了四个与门，每个与门有2个输入端），74LS32是四2输入或门；（2） TTL集成电路特性：0逻辑时的电平约为0.1V，1逻辑时的电平约为3.6V（如果是CMOS集成电路，0逻辑时的电平约为0V，1逻辑时的电平接近电源电压约为5V）。（3） R3的作用：是发光二极管的限流电阻，因为发光二极管的正向管压降为1.6V2V,最大正向电流小于50mA。如果不加限流电阻，发光二极管会烧毁。四、学生完成试验报告：报告应包括：试验目的、试验器材、试验电路、试验结果、结果分析等五个方面主要内容。4、 用数字集成电路安装简单的实用电路产生脉冲信号是数字集成电路的典型应用之一，脉冲信号既可作为数字系统的时钟脉冲，也可构成有趣的声响电路。在教学时可选用集成门电路构成多谐振荡电路，利用多谐振荡器搭接电子门铃等简单、有趣电路，有兴趣的学生除了学会安装多谐振荡器外，还可了解多谐振荡器频率的计算方法，以便调节频率、改变门铃声音。多谐振荡器是一种自激振荡器，通电后能自动产生连续的矩形波脉冲，由于矩形波中除基波频率外，还含有丰富的高次谐波分量，所以矩形波振荡器又加多谐振荡器。用不同方法构成多谐振荡器，目的是使学生掌握多种设计方案，以便试验、比较、选择。例2 CMOS门电路构成非对称式多谐振荡器试验用多谐振荡器构成天亮叫醒电路如图9.7所示 （1）元器件作用：IC采用CD4011型CMOS四2输入与非门，与非门U1的输出与输入之间接有反馈电阻R1,它工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接接到U2的输入端作为U2的静态偏置电压，就能使U2也工作在电压传输特性的转折区，其输出经电容C1反馈到U1的输入端构成正反馈回路，B是蜂鸣器，RG 选用硫化镉光敏电阻MG4123,其暗电阻5M、亮电阻5K。 （2）工作原理：天黑时，因RG5M，Uk“0”，振荡器不起振，蜂鸣器B不叫；天亮时，因RG5K，Uk“1”，如果有一点小的干扰，就会在U1与U2之间引起自激振荡，使电路在两个暂稳态中转换，于是电路不停地振荡。由理论推导可知，电路的振荡周期为：T1.4R1C1（适用TTL电路）。 （3）试验： 可调节W的电阻值，调节叫醒信号报警时的天亮程度； 可改变R1、C1的值，改变振荡频率，改变蜂鸣器的声音。W82KRG5VUk 图 9.7 非对称式多谐振荡器天亮报警电路例3 CMOS门电路构成对称式多谐振荡器试验 图 9.8 对称式多谐振荡器电路对称式多谐振荡器电路如图9.8所示，它由两个与非门和对RC定时元件组成，其中R1R2R，C1C2C，B是蜂鸣器，S是控制端。当S接5V电源时，振荡器振荡；S接地时，振荡器停振。 接通电源后，与非门U1和U2因输出与输入之间接有反馈电阻R1和R2,工作在电压传输特性的转折区，U1、C1、U2、C2构成正反馈回路，如果有一点小的干扰，就会引起自激振荡，使电路在两个暂稳态中转换，于是电路不停地振荡。由理论推导可知，电路的振荡周期为：T1.4RC（适用TTL电路）。在作试验时，R、C可选用不同的值进行试验，用示波器观察输出波形的变化，听蜂鸣器发出不同的声音。5、数字电路简单的组合设计和制作试验数字电路的组合设计要建立在简单数字集成电路安装的基础之上，是对简单数字集成电路的组合应用。可将两个不同频率的多谐振荡器进行组合，用较高频信号对较低频信号进行调制，合成一个新的信号，并由此制作一个发出变调声音的报警器，这就是常见的数字电路组合设计。例4 可变调的天亮叫醒电路将例2和例3电路进行组合设计，将例2电路U2的输出直接接到例3电路的控制端S，电路如图9.9所示。U1和U2组成第一级振荡器产生较低频率，U3和U4组成第二级振荡器产生较高频率，让U1、U2产生的较低频率振荡控制U3、U4振荡器的工作，这样合成一个新的信号，就是较高频率信号对较低频率信号的调制。工作