劉伯恕，劉雪芬

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

0 引言

“電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”這個(gè)課程，以往我們只是讓學(xué)生設(shè)計(jì)電路，軟件仿真，完成報(bào)告，教師根據(jù)報(bào)告給個(gè)分?jǐn)?shù)，一門課程就完成了。這至少帶來兩個(gè)問題，第一，學(xué)生沒有進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性無法得到實(shí)踐驗(yàn)證，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果;第二，學(xué)生沒有實(shí)踐，教師不好評(píng)分。近幾個(gè)學(xué)期以來，我們陸續(xù)對(duì)這個(gè)課程進(jìn)行了教學(xué)改革。

目前我們可以開出十三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選擇，如表1所示。這些實(shí)驗(yàn)全部在實(shí)驗(yàn)室完成，學(xué)生每人一組，實(shí)際焊接和調(diào)試，各人完成一個(gè)印刷電路板。教師根據(jù)電路板的布局、焊點(diǎn)情況、調(diào)試情況、數(shù)據(jù)結(jié)果以及對(duì)故障處理的能力，完成了從理論到實(shí)踐的課程教學(xué)改革。

表1 電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)名稱

我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中觀察到，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目幾乎都有若干項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，比如，“商店迎賓機(jī)器人電路”，要求能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)來訪人數(shù)及當(dāng)前店內(nèi)人數(shù)，并且用數(shù)碼管顯示出來。這里有兩個(gè)任務(wù):統(tǒng)計(jì)和顯示。我們可以先要求學(xué)生完成“統(tǒng)計(jì)”這個(gè)基本要求，然后再完成“顯示”這個(gè)更高一級(jí)的要求。我們對(duì)每一個(gè)可以劃分為功能模塊的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，都采用分層次模塊化的教學(xué)改革，實(shí)踐收到了良好的效果。

分層次模塊化的教學(xué)，要求學(xué)生分級(jí)完成以下內(nèi)容:按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)電路，確定元器件型號(hào)和參數(shù);按圖在實(shí)驗(yàn)板上搭建焊接電路，檢查無誤后通電調(diào)試;檢查電路功能是否符合要求，指示是否正確;對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。當(dāng)前未實(shí)現(xiàn)而后面將要實(shí)現(xiàn)的功能模塊，在印刷板上要預(yù)留適當(dāng)位置放置元件和導(dǎo)線。

我們對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容要求如下:分析分解實(shí)驗(yàn)任務(wù)，選擇技術(shù)方案;確定原理框圖(功能模塊);畫出電路原理圖;對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行綜合分析，包括工作原理和設(shè)計(jì)方法;寫出分級(jí)調(diào)試步驟和調(diào)試結(jié)果，列出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出關(guān)鍵的波形;對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和電路的工作情況進(jìn)行分析，得出結(jié)論;對(duì)實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的故障(如果有)的檢查與排除，寫出收獲和體會(huì)。

以下將通過設(shè)計(jì)制作一個(gè)可容納四組選手參賽的數(shù)字式“競(jìng)賽搶答器”，來詳細(xì)介紹筆者是怎樣進(jìn)行分層次模塊化的實(shí)踐教學(xué)改革的。

1 初級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)—搶答電路

圖1所示為四組智力競(jìng)賽搶答器參考電路，該電路具有第一搶答信號(hào)的鑒別和鎖存功能，是競(jìng)賽搶答器的核心，也是學(xué)生必須完成的電路的初級(jí)功能［1］。其中的主要器件是74LS175型四上升沿 D觸發(fā)器，它的清零端和時(shí)鐘脈沖CP是四個(gè)D觸發(fā)器共用的。當(dāng)任意一位參賽者按下開關(guān)時(shí)，搶答控制器立刻接受該信號(hào)，相應(yīng)的LED被點(diǎn)亮。與此同時(shí)，封鎖其他參賽者的輸入信號(hào)。

第一步學(xué)生檢查74LS175的芯片是否完好無損，功能正確與否。具體做法是，在圖1中，先不要接所有的與非門，74LS175的9腳直接接CP時(shí)鐘，Q1 Q4直接接數(shù)字實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的LED，觀察D1 D4有輸入時(shí)，相應(yīng)的LED會(huì)不會(huì)亮。在保證74LS175芯片能正常工作后，再把圖1中的三個(gè)與非門、LED和電阻全部接上，初級(jí)功能完成。

圖1 智力競(jìng)賽搶答器參考電路

在初級(jí)模塊中，值得注意和思考的如下問題:①同時(shí)按下，也有先后，顯示的是動(dòng)作快的;②每次開始搶答前，主持人要先清零然后復(fù)位，即 被置1，才能開始新一輪搶答;③為提高搶答器的分辨能力，我們采用的CP為1MHz;④LED部分的4個(gè)300電阻可以合并為一。

學(xué)生能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成搶答與鎖存要求，成績(jī)判定上達(dá)到“及格”。

2 中級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)—數(shù)碼顯示電路

初級(jí)要求達(dá)到后，加上能顯示出搶答者組別的數(shù)碼顯示電路。數(shù)顯功能，屬于電路的中級(jí)功能。其中必須包含編碼、譯碼和顯示這三個(gè)組成部分。其編碼如表2所示。

表2 編碼表

用帶有約束項(xiàng)的卡諾圖化簡(jiǎn)，可得 A、B、C、D的表達(dá)式:

74LS175的輸出端有Q的原變量和反變量?jī)蓚€(gè)輸出，合理選擇其一，可以得到最簡(jiǎn)單的編碼電路如圖2所示。

圖2 編碼電路

譯碼和顯示可以選擇74LS48這種輸出高電平有效的譯碼器，以及共陰極的數(shù)碼管(2)，至此數(shù)顯功能就實(shí)現(xiàn)了。在中級(jí)模塊中，值得注意和思考的問題有:①編碼電路如何實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單;②譯碼器的型號(hào)應(yīng)該與數(shù)碼管匹配，如果選擇輸出低電平有效的譯碼器，如74LS47，則數(shù)碼管要選共陽的;③74LS48的特殊功能腳3、4、5應(yīng)該接高電平。

在完成初級(jí)要求的基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)組別顯示，學(xué)生成績(jī)就可以判定為“中”。

3 高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)—音響提示電路

除了搶答和組別數(shù)顯之外，一旦有參賽者按下按鈕時(shí)，有揚(yáng)聲器聲音響起提醒主持人。

圖3 聲響電路一

圖4聲響電路二

圖3和圖4都是可以實(shí)現(xiàn)的聲響電路，圖中555定時(shí)器的4腳信號(hào)都來自圖1中G1門的輸出端。聲響電路還可以有其他許多形式，但它們?cè)硎窍嗨频摹Ｔ诟呒?jí)模塊中，有以下問題值得注意和思考:①問學(xué)生，揚(yáng)聲器支路為什么要串聯(lián)電阻或電容;②555定時(shí)器除了用4腳控制其工作狀態(tài)以外，還有哪些管腳可以用來控制;③揚(yáng)聲器的發(fā)聲原理是什么;④如何辨別三極管的三只管腳。

如果學(xué)生完成了初級(jí)、中級(jí)要求后，又能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)音響功能，成績(jī)可評(píng)為“良好”。

4 更高級(jí)的倒計(jì)時(shí)顯示電路實(shí)現(xiàn)

倒計(jì)時(shí)電路的作用是對(duì)搶答者搶答問題的時(shí)間進(jìn)行控制(假設(shè)10秒之內(nèi)必須有人搶答，若無人搶答，該題作廢)。如果規(guī)定的時(shí)間小于或等于10秒，那么顯示裝置應(yīng)該是一個(gè)1位數(shù)字的計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)(計(jì)數(shù)芯片74LS192)。因?yàn)橐蟮褂?jì)時(shí)，當(dāng)主持人給出“請(qǐng)搶答”指令后，計(jì)數(shù)器從“9”開始倒計(jì)數(shù)，若有人搶答則停止計(jì)數(shù)并顯示當(dāng)前數(shù)值，否則計(jì)數(shù)到“0”為止(減法計(jì)數(shù))不再計(jì)數(shù);CP信號(hào)為秒脈沖(1Hz)，部分電路如圖5。74LS192的輸出四個(gè)管腳接譯碼顯示電路，不再贅述。

圖5 倒計(jì)時(shí)顯示部分電路

在這一級(jí)模塊中，可以思考以下問題:①74LS 192的13腳，在圖中完成了哪兩個(gè)功能;②74LS 192的時(shí)鐘輸入端加了兩把鎖，哪兩把，各有何用處;③若倒計(jì)時(shí)的時(shí)間不是10秒，是10秒以內(nèi)的其他時(shí)間，電路如何修改;超過10秒，電路又如何修改。

把圖1到圖5有機(jī)結(jié)合，就可以構(gòu)成一個(gè)功能較全面的整機(jī)電路，如圖6所示。學(xué)生如果能夠?qū)崿F(xiàn)各級(jí)所有的功能，成績(jī)可以評(píng)定為“優(yōu)秀”。

圖6 競(jìng)賽搶答器另一種整機(jī)電路

5 結(jié)論

我們對(duì)學(xué)生的要求是:按模塊一步步地實(shí)現(xiàn)，從初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)到更高級(jí)，上一個(gè)模塊做好了再做下一個(gè)模塊。搶答器電路的分層次設(shè)計(jì)、分層次焊接、分層次實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生由易到難，循序漸近，概念清楚，思路清晰，容易掌握、容易實(shí)現(xiàn)、容易查錯(cuò)糾錯(cuò)。教會(huì)了學(xué)生由單元電路到小電路再到系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)、焊接與糾錯(cuò)的技能。實(shí)踐證明，這是一個(gè)行之有效的好方法，對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用，動(dòng)手能力的提高，有著明顯的效果。

［1］ 秦曾煌等.電工學(xué)(下冊(cè))電子技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2009

［2］ 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006