电子技术基础（第5版）（微课版）教案 项目5　逻辑门与组合逻辑电路

课时教学计划教师姓名时数4日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础任务5.1（学习情境）任务5.1认识各种基本逻辑门（理论讲授+多媒体演示+课堂互动）主要教学内容基本逻辑门，复合逻辑门，集成TTL和CMOS逻辑门教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标具有测试各种逻辑门的能力。了解逻辑门的电路组成与开关特性，掌握复合逻辑门的逻辑功能，熟悉TTL和CMOS集成逻辑门的结构特点、使用注意事项，能正确识别芯片引脚。培养严谨、细致的工作态度和工作作风，强化刻苦钻研和责任担当的工作意识。教学重点基本逻辑门的逻辑功能及复合门的构成，TTL与非门OC门三态门的工作原理、输出特性及应用。教学难点TTL与非门的内部结构分析，OC门线与功能的实现条件及三态门的总线应用逻辑。教学准备项目五PPT，集成芯片手册；电路实验板，实验所需芯片、数码管等；提前让学生查阅TTL与CMOS电路的电压标准。教学组织形式多媒体课件（包含理论知识与动画演示），理论讲授时可穿插问题提问，激发课堂氛围，提高学生的学习兴趣。作业P125页的思考与问题备注教学过程设计项目导入（15分钟）1.情境引入：展示数字电子钟的显示面板、洗衣机的控制按键面板，提问“数字钟如何将二进制代码转换为十进制数字显示？洗衣机按键信号如何被电路识别？”，引出“逻辑门是组合电路的基础，组合电路是数字系统的核心”。2.知识衔接：回顾逻辑代数中“0/1代表逻辑状态”，说明“逻辑门通过半导体开关实现0/1的逻辑运算，组合电路由逻辑门构成，无记忆功能，输出仅由当前输入决定”；3.课程预告：明确本项目将围绕“基本逻辑门→集成逻辑门→组合电路分析与设计→常用集成组合器件”展开，梳理学习脉络。（二）任务5.1认识各种基本逻辑门（90分钟）5.1.1基本逻辑门（20分钟）1..三极管的开关特性：正向导通：正向电压＞死区电压（硅管0.7V）时，导通电阻小，视为“闭合开关”；反向截止：反向电压时，截止电阻大，视为“断开开关”；实验演示：搭建二极管开关电路（输入0V/5V），用万用表测量输出电压，验证“输入5V（反向）→输出5V（断开），输入0V（正向）→输出0.7V（导通）”；2.三极管的开关特性截止区（IB≈0）：IC≈0，集电极-发射极间电阻大，视为“断开开关”；饱和区（IB足够大）：UCE≈0.3V，电阻小，视为“闭合开关”；对比模拟电路：强调“数字电路中三极管仅工作在截止/饱和区，模拟电路工作在放大区”；3.MOS管开关特性载止区（UGS＜开启电压UT）：无导电沟道，视为“断开开关”；可变电阻区（UGS＞UT）：导通电阻小，视为“闭合开关”；特点：输入电阻极高，功耗小，适用于大规模集成电路。4.分立元件门电路（1）二极管与门：电路结构：2~3个二极管并联，串联限流电阻R和电源VCC；逻辑功能分析（理想二极管）：输入至少1个为0V（低电平）：对应二极管导通，输出≈0V（低电平），实现“有0出0”；输入全为5V（高电平）：所有二极管截止，输出≈VCC（5V，高电平），实现“全1出1”；真值表与表达式：列出2输入与门真值表，推导表达式F=A·B，展示电路符号（&）。（2）二极管或门电路结构：2~3个二极管串联，并联限流电阻R和负电源-VCC；逻辑功能分析（理想二极管）：输入至少1个为5V（高电平）：实现“有1出1”；输入全为0V（低电平）：所有二极管截止，输出≈-VCC（低电平），实现“全0出0”；真值表与表达式：列出2输入或门真值表，推导表达式F=A+B，展示电路符号（≥1）。（3）三极管非门电路结构：NPN三极管，基极接偏置电阻RB1、RB2和输入A，集电极接RC和VCC，发射极接地；逻辑功能分析：输入5V（高电平）：IB足够大，三极管饱和，输出≈0.3V（低电平），实现“1出0”；输入0V（低电平）：IB≈0，三极管截止，输出≈VCC（5V，高电平），实现“0出1”；真值表与表达式：列出非门真值表，推导表达式F=A非，展示电路符号（1）；实验验证：学生分组搭建与、或、非门电路，用逻辑电平开关输入信号，LED灯显示输出，记录真值表，验证逻辑功能。5.1.2复合逻辑门（35分钟）1.与非门构成：与门+非门，展示电路结构（二极管与门输出接三极管非门）；逻辑功能：“有0出1，全1出0”，推导表达式\(F=\overline{A\cdotB}\)，展示符号（&带小圈）；工程应用：TTL与非门74LS00（四2输入与非门），演示芯片引脚识别（1A、1B为输入，1Y为输出）；2.或非门构成：或门+非门，表达式F=A或B非，功能“有1出0，全0出1”；3.异或门与同或门：异或门：输入不同时输出1，表达式略，符号（=1）；同或门：输入相同时输出1，表达式和略，符号（=1带小圈）；关系：同或门是异或门的非。课堂练习：给出异或门输入A=1、B=0，让学生计算输出F，并用74LS86（四2输入异或门）验证。5.1.3集成逻辑门电路（75分钟）1.TTL集成逻辑门（74LS00）内部结构：输入级（多发射极三极管，实现与逻辑）、中间级（倒相放大，提供足够驱动）、输出级（推拉式电路，降低输出电阻，提高带负载能力）；工作原理：输入至少1个低电平：多发射极三极管导通，中间级截止，输出级VT4导通、VT5截止，输出高电平（≈3.6V）；输入全高电平：多发射极三极管截止，中间级导通，输出级VT5饱和、VT4截止，输出低电平（≈0.3V）；关键参数：扇出系数Nc（驱动同类门的数量，通常≥8）、传输延迟时间tpd（≤10ns）；OC门（集电极开路与非门）特点：输出级三极管集电极悬空，需外接上拉电阻RL才能工作；“线与”功能：多个OC门输出端并联，共用一个上拉电阻，实现与非逻辑；工程应用：驱动高电压负载（如12V继电器），计算上拉电阻RL实验演示：用两个74LS01（OC与非门）实现线与，输入不同信号，测量输出。三态门（TS门）三种状态：高电平、低电平、高阻态（使能端无效时）；使能端：高有效（EN=1时工作）或低有效（EN非使能端等于0时工作）；总线应用：多个三态门输出接同一总线，控制使能端轮流有效，避免信号冲突；实例：用74LS125（四总线缓冲器，三态输出）搭建总线电路，演示“轮流传输信号”。2.CMOS集成逻辑门电路CMOS反相器：结构：PMOS管（源极接VDD）和NMOS管（源极接地）串联，栅极相连为输入，漏极相连为输出；工作原理：输入低电平（0V）：PMOS导通，NMOS截止，输出高电平（≈VDD）；输入高电平（VDD）：NMOS导通，PMOS截止，输出低电平（≈0V）；CMOS逻辑门的特点：静态功耗极低（μW级）、输入电阻极高（10^8Ω以上）、电源电压范围宽（3~18V）、抗干扰能力强；课时教学计划教师姓名时数2日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础任务5.2（学习情境）任务5.2组合逻辑电路的分析和设计（理论讲授+多媒体演示+课堂互动）主要教学内容组合逻辑电路的分析，组合逻辑电路的设计教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标具有对组合逻辑电路进行实验的能力。熟悉组合逻辑电路分析的步骤和方法，掌握组合逻辑电路的分析；了解组合逻辑电路的设计步骤，掌握简单组合逻辑电路的设计。培养严谨、细致的工作态度和工作作风，强化刻苦钻研和责任担当的工作意识。教学重点组合逻辑电路的分析步骤及方法，组合逻辑电路的设计。教学难点组合逻辑电路的设计。教学准备项目五PPT，集成芯片手册；电路实验板，实验所需芯片、数码管等；提前让学生查阅TTL与CMOS电路的电压标准。教学组织形式多媒体课件（包含理论知识与动画演示），理论讲授时可穿插问题提问，激发课堂氛围，提高学生的学习兴趣。作业P129页的思考与问题备注教学过程设计任务5.2组合逻辑电路的分析和设计（90分钟）5.2.1组合逻辑电路的分析（45分钟）分析步骤：写逻辑表达式：从输入到输出，逐级推导每个门的输出表达式；化简表达式：用代数法或卡诺图法化简，得到最简与或式；列真值表：根据最简表达式，列出所有输入组合对应的输出；判逻辑功能：根据真值表总结电路功能。课堂举例环节：以课件实例为主课堂实践：学生分组分析“2输入全加器”电路（含进位输出），写出表达式并验证功能。5.2.2组合逻辑电路的设计（45分钟）设计步骤：1.定变量：确定输入（条件）和输出（结果）变量，定义逻辑状态（1/0的含义）；2.列真值表：根据功能要求，列出所有输入组合对应的输出；3.写表达式：根据真值表，写出最小项之和表达式；4.化简表达式：用卡诺图或代数法化简；5.画电路图：根据最简表达式，选用合适的逻辑门画图。实验设计：学生分组设计“4路抢答器编码电路”（仅1路抢答时输出对应编码），提交设计方案并搭建验证。课时教学计划教师姓名时数2日期班级上课地点课程（学习领域）名称电子技术基础任务5.３（学习情境）任务5.３常用组合逻辑电路器件（理论讲授+多媒体演示+课堂互动）主要教学内容编码器、译码器、数值比较器、数据选择器教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标具有正确使用各种常用组合逻辑电路器件的能力。掌握编码器、译码器、数值比较器和数据选择器的构成原理、用途及使用注意事项。培养严谨、细致的工作态度和工作作风，强化刻苦钻研和责任担当的工作意识。教学重点编码器、译码器、数值比较器和数据选择器。教学难点常用组合逻辑电路器件的使用及正确选择。教学准备教学资料、教学设备以及预习任务等。教学组织形式多媒体课件（包含理论知识与动画演示），理论讲授时可穿插问题提问，激发课堂氛围，提高学生的学习兴趣。作业P144~146页的部分自测题备注教学过程设计任务5.3常用组合逻辑电路器件（90分钟）5.3.1编码器（25分钟）1.优先编码器：例：74LS48（8线-3线）：功能：8个输入I0~I7（低电平有效），3个输出Y0~Y2（低电平有效），I7优先级最高，I0最低；真值表：输入I7=0时，无论其他输入，输出Y2Y1Y0=000（对应7的反码）；应用：4路抢答器编码，I3~I0接抢答按钮，输出接译码器；实验：用74LS148实现“最高优先级抢答”，按下不同按钮，观察输出编码；2.二-十进制编码器：将0~9十进制数编码为8421BCD码，简要介绍74LS147（10线-4线优先编码器）。5.3.2译码器（30分钟）1.变量译码器功能：3个输入A2~A0，8个输出Y0~Y7（低电平有效），3个使能端G1（高有效）、另外两个（低有效）；真值表：使能有效时，输出仅对应输入编码的Y_i为0，其余为1；功能扩展：两片74LS138构成4线-16线译码器（高位输入接使能端）；2.显示译码器问题引入：展示数字电子钟面板，提问“电子钟内部的BCD码（如0101对应数字5），如何变成我们看到的数码管数字？”，引出“显示译码器是连接二进制代码与视觉显示的核心器件”；功能定位：明确显示译码器的作用——将BCD码（或二进制码）“翻译”成七段LED数码管的驱动信号（a~g段的通断信号）。实例：LED数码管结构与接法：展示共阴极数码管结构示意图：7个LED段（a~g）的阴极连在一起，阳极分别引出，阳极接高电平时对应段点亮：对比共阳极数码管：阴极分别引出，阳极连在一起，阴极接低电平时对应段点亮；工程提醒：每个LED段需串联100~1kΩ限流电阻，避免过流烧毁（以1kΩ为例，5V电源下电流≈4mA，符合LED额定电流）；显示原理：以数字“5”为例，说明需点亮a、f、g、c、d段（共阴数码管对应这些段的阳极接高电平）。展示CC4511引脚图，标注关键引脚：知识梳理：显示译码器作用：BCD码→七段驱动信号；CC4511关键：高电平输出（匹配共阴数码管），控制端LT（测试）、BI（消隐）、LE（锁定）；限流电阻：必须串联，避免LED烧毁。快速问答：问题1：共阴极数码管要显示“3”，哪些段需要点亮？（a、b、g、c、d）问题2：CC4511的LE接高电平时，输入BCD码变化，输出会变吗？（不会，锁定当前显示）课后任务：思考“如何用CC4511驱动共阳极数码管”（提示：加非门或选用低电平输出的显示译码器如74LS47）。5.3.3数值比较器（5分钟）问题引入：展示电子秤称重界面（显示“当前重量＞最大量程”报警），提问“电子秤如何判断两个数字（当前重量、最大量程）的大小？”，引出“数值比较器是实现数字大小判断的核心单元”。功能定义：明确数值比较器的作用——对两个二进制数（或BCD码）A、B进行比较，输出“A＜B”“A＝B”“A＞B”三种结果。一位数值比较器逻辑关系推导：设两个1位二进制数A、B，输出端：A小于B时Y=1；A大于B时为Y=1；A等于B时Y等于1；电路实现：展示1位比较器电路图（用同或门实现A=时Y=1，与非门实现A<B时Y=1和A>B时Y=1），强调“简单逻辑门即可构建基础比较功能”。四位集成比较器74LS85核心逻辑：多位比较遵循“高位优先”原则——先比较最高位，若不等则直接得出结果；若相等，再比较次高位，依次类推；引脚识别（工程重点）：数据输入：A3、A2、A1、A0（第一个4位数）、B3、B2、B1、B0（第二个4位数），A3、B3为最高位；比较结果输出YA《B、YA=B、YA>B、（高电平有效）；。应用场景：举例“4位二进制数重量比较（如0100kgvs0011kg）”，说明74LS85可直接输出“0100＞0011”的结果（YA>B=1）。核心要点：1位比较器：用同或、与非门实现，输出三种关系；集成比较器74LS85：4位比较，高位优先，支持扩展；关键提醒：多位比较时，高位结果决定最终输出，低位仅在高位相等时起作用。5.3.4数据选择器（10分钟）情境类比：展示“单刀四掷开关”，演示“通过开关柄（控制端）选择4路输入中的1路输出”，提问“数字电路中，如何用电子器件实现这种‘选通’功能？”，引出“数据选择器——电子版本的单刀多掷开关”；功能定义：明确数据选择器的核心作用——根据“地址信号”的不同，从多路输入数据中选择1路输出，简称“M选1”（如4选1、8选1）。电路结构：输入：4路数据端（待选择的信号）、2位地址端（控制选择哪路数据）；核心特