數字鐘電路教學設計

張娜

摘要：在《數字電子技術》教學中，數字鐘電路是時序邏輯電路中說明計數功能的典型電路。通過數字鐘電路原理的學習，能使學生在理解計數原理的同時，學會如何設計任意進制計數電路。一個合理的教學設計，能夠幫助學生更快捷的進入電路分析狀態、同時更主動的索取知識內容。在“學有所成”的過程中，找到自信，找到學習的積極性。

關鍵詞：時序邏輯電路、計數器、數字鐘、異步計數器

一、知識點分析

在數字電子技術課程中，觸發器是時序邏輯電路的基本單元，同樣是計數器的靈魂。尤其是通過改變JK觸發器的輸入端的連接形式得到D計數器，或是T`計數器，是學習多位二進制計數的基礎。了解單個JK觸發器是如何計數的，就能了解多位二進制計數的秘訣，從而理解集成計數器的工作方式、計數連線方式。

二、目標分析

通過教學應該達到幾個基本的教學效果。首先是學生學會如何使用集成計數器;其次學生懂得如何運用集成計數器設計任意進制計數電路;再次學生能熟練的搭接電路，實現電路功能;最后學生在學習過程中找到興趣、提升自信。

三、案例設計

1、復習JK觸發器的基本知識，壓實知識點。

充分觀察JK觸發器的邏輯符號，詳細說明JK觸發器真值表及狀態轉換表，使學生充分明白J和K兩個輸入端的使用方法。強調由JK觸發器構成T`計數器，說明計數器的工作方式。

2、提出疑問-興趣引導

引導學生思考，1個JK觸發器雖然能連接成計數器，但是單個JK觸發器的計數能力有限（只能數0和1），缺乏實用性，我們需要的是更大數值范圍的計數，也就是更多位的計數器，例如0000-1001（0-9）計數。如何實現？

3、引入異步計數器和同步計數器概念

運用PPT課件的演示功能，從異步計數器開始說明如何實現四位二進制計數。通過對典型的異步十進制加法計數器的分析，使學生明確計數原理。同時應當使學生明白同步計數器和異步計數器的區別及各自的優缺點。

4、任務布置

查找資料，指導學生分別查找74LS90和74LS161芯片的管腳圖、邏輯符號、管腳功能、使用方法。學生查找后，教師應帶領學生對查找的資料進行篩選和匯總，選出最清晰明確的核心知識點，引導學生對知識點進行消化理解。其中將74LS90的十進制工作方式列為學習掌握的重點，作為學生后續分析和設計數字鐘電路的知識鋪墊。

5、提出任務

驅動學生做任務，根據任務布置環節中學到的74LS90構成0-9十進制計數，將電路在面包板上完成連線，并連接好譯碼器和顯示器（譯碼和顯示部分的電路由教師直接提供），完成后，觀察顯示器的計數現象。

6、課件演示分析工作過程

利用課件的演示功能將電路信號的傳輸和變化體現出來，其中需要明確各環節功能，盡量言簡意賅，讓學生一步看到核心關鍵內容。

A.74LS90十進制工作形式已經連接好。

B. 時鐘脈沖輸入端送入脈沖信號。

C. 74LS90開始計數，將計數結果從Q3Q2Q1Q0四個輸出端送給譯碼器。

D. 譯碼器接收到計數信息后，將信息傳給共陽數碼管。

7、提出數字鐘計數需求

學生頭腦風暴：秒時鐘的計數范圍是多少。給學生觀察電子手環的時鐘顯示動態畫面，得到00-59的計數范圍之后，學生面臨兩個問題的思考：

A.如何實現0-5的六進制計數？

根據異步計數器的特點，0-5的計數，需要利用數字“6”的編碼0110中的高電平使74LS90的置0端有效，從而使74LS90立即清0，重新從0-5進行計數。

B.如何完成兩位計數器的電路？

將電子手環上的計數狀態展示給學生，觀察電子手環上的秒計數是十位為“0”，個位從0開始計數，直到個位從9歸0，同時十位變為“1”，也就是十位的計數是發生在個位9歸0的同時，也就是說，當個位9歸0時，給十位的計數器74LS90脈沖輸入端一個下降沿脈沖，觸發它計數一次即可。

8、學生設計時鐘秒計時電路圖

繪圖環節要求學生以小組為單位清晰的繪制出秒電路的連線圖，明確標好管腳序號及對應的符號。繪制好以后，對各小組繪制的電路進行對比和分析，找到正確又清晰的電路圖作為后期做電路板的依據。

9、完成電路板的制作與調試

在教學環節第5步學生已經做好的秒的個位電路的基礎上，學生繼續連線，完成完整的秒的計時電路的制作，利用信號發生器、直流穩壓電源觀察成品電路效果。學生難免連錯線，通電后出現各種問題，教師應選取幾個典型的問題做統一的分析，教學學生對電路進行查錯。

10、設計數字鐘小時電路并完成電路的安裝調試

學生頭腦風暴：觀察電子手環的小時電路是如何計數的，確認00-23的二十四進制計數范圍，啟發學生思考，小時的個位和十位的計數是一種組合關系，即當小時的十位計數處于0或者1時，小時的個位正常0-9計數，而當小時的十位數到2時，小時的個位只能數到3，隨即小時的十位和個位同時清0。

學生需要思考兩個問題：

A、小時的個位與十位如何相連？

連接方法與秒的個位與十位的連接方法相同，即利用9歸0時，Q3出現的高電平轉低電平的下降沿作為十位計數器74LS90的脈沖輸入端的觸發脈沖。

B、如何實現當小時電路數到23后，重新從00開始計數？

同樣根據異步計數器的特點，想要實現00-23的計數，就要利用24的編碼特征（0010 0100），利用編碼中的“1”使十位和個位的置0端高電平有效，兩個計數器同時清0。

在整個教學進程中，不要忘記保持住學生的興趣，培養學生自信。注意觀察學生的變化，每一點滴的進步，哪怕是態度上的積極，都要予以充分的表揚和肯定，努力提高學生自尊水平，自尊水平的提高能夠使孩子們更自律，根據每個孩子不同的性格特點和狀態，常用肯定的語言表達方式有助于培養學生學習的主動性。

參考文獻：

1、《數字電子技術（第二版）》中國鐵道出版社，劉海江、吳萬國，2011年8月

2、《電子設計從零開始（第2版）》清華大學出版社，楊欣 / 萊·諾克斯 / 王玉鳳 / 劉湘黔，2010年10月