張 瑾

（大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

培養(yǎng)工程實(shí)踐能力目標(biāo)下的計(jì)數(shù)器教學(xué)

張 瑾

（大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

培養(yǎng)工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力，是我國現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。本文以計(jì)數(shù)器教學(xué)為例，介紹了計(jì)數(shù)器及計(jì)數(shù)的思想、方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用背景，給出以計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用為主線進(jìn)行理論教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)做法，總結(jié)了這種做法給學(xué)生所能帶來的知識(shí)上的綜合與能力上的提升，從而闡明了培養(yǎng)工程實(shí)踐能力目標(biāo)下的教學(xué)，不應(yīng)僅僅著眼于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，更要重視理論教學(xué)內(nèi)容的工程性、綜合性的挖掘。

工程實(shí)踐能力；工程應(yīng)用；計(jì)數(shù)器

0 引言

工程實(shí)踐能力簡而言之是指能夠理論聯(lián)系實(shí)際，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造等工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的能力，其中綜合運(yùn)用知識(shí)能力、工程設(shè)計(jì)能力、分析解決實(shí)際問題能力是衡量工程實(shí)踐能力的重要指標(biāo)。當(dāng)前的現(xiàn)狀是，學(xué)生擅長于分立的知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與掌握，當(dāng)遇到綜合問題時(shí)，缺乏聯(lián)想所學(xué)、將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為知識(shí)問題進(jìn)而綜合地加以解決的能力，與工程實(shí)踐能力的指標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。

近年來，國內(nèi)關(guān)于大學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)借鑒了國外的經(jīng)驗(yàn)，即：不僅僅局限于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而將視野拓寬到教育教學(xué)理念引導(dǎo)、人才培養(yǎng)方案的制訂、教育教學(xué)內(nèi)容的確定等方面。

著眼于培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的技術(shù)類課程的教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容的確定和處理上，應(yīng)該注重提供技術(shù)的工程背景及其綜合應(yīng)用的廣闊視野，善于將分立的知識(shí)模塊“集成”起來，使學(xué)生形成綜合運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際問題的能力和方法。一個(gè)很好的解決辦法就是挖掘課程內(nèi)容，選取具有實(shí)用性、綜合性、典型性、覆蓋性和挑戰(zhàn)性的應(yīng)用項(xiàng)目作為教學(xué)任務(wù)[1]，這樣的項(xiàng)目往往承載了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)手段，所以更有利于學(xué)生將知識(shí)片段連接起來，提高綜合分析、解決問題能力。

符合這項(xiàng)特征的教學(xué)內(nèi)容很多，計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)就是一個(gè)典型的例子。計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用非常廣泛，而且具有較強(qiáng)的綜合性，與之相關(guān)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往集中體現(xiàn)了電子技術(shù)中眾多理論和方法。

1 計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用背景

計(jì)數(shù)思想和方法的應(yīng)用遍及電子測(cè)量、通信、控制等領(lǐng)域。

1.1 計(jì)數(shù)器在通信中的應(yīng)用

序列信號(hào)是一組特定的串行數(shù)字信號(hào)，在通信、雷達(dá)、診斷、檢測(cè)等數(shù)字技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用[2]。構(gòu)成序列信號(hào)發(fā)生器的方法有很多，最簡單可行的方法是用計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。

廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、家電領(lǐng)域的紅外遙控技術(shù)，在紅外解碼時(shí)也用到計(jì)數(shù)的手段。以紅外遙控發(fā)射專用芯片PT2248為例，其發(fā)送器編碼規(guī)則是：如果用a表示時(shí)間單位，則1個(gè)a的低電平和3個(gè)a的高電平表示編碼“0”；3個(gè)a的低電平與1個(gè)a的高電平表示編碼“1”。

根據(jù)編碼協(xié)議，在進(jìn)行接收時(shí)，解碼的思路是設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來計(jì)數(shù)低電平期間系統(tǒng)脈沖的個(gè)數(shù)，當(dāng)它大于一定值，則判斷接收的編碼是“1”，否則是“0”，從而實(shí)現(xiàn)解碼。

1.2 計(jì)數(shù)器在控制方面的應(yīng)用

數(shù)字系統(tǒng)有時(shí)需要按照事先規(guī)定的順序進(jìn)行一系列的操作，這就要求系統(tǒng)的控制部分能給出一組在時(shí)間上有一定順序的脈沖信號(hào)，再用這組脈沖形成所需要的各種控制信號(hào)[3]。采用計(jì)數(shù)器與譯碼器結(jié)合將輸出一組滿足要求的節(jié)拍脈沖，計(jì)數(shù)器的輸出作為譯碼器的地址端，地址數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的作用下依次變化，使得譯碼器依次由不同的輸出端輸出高電平（或低電平），生成按節(jié)拍變化的脈沖。

請(qǐng)注意，國務(wù)院的國資委只管第一類，即狹義的央企。換句話說，如果某駐京辦下屬的賓館要裁員，職工找到國務(wù)院國資委，對(duì)不起，這里幫不上你。

實(shí)現(xiàn)控制的另一種形式是核心控制器件與被控器件之間建立通信，即接收或發(fā)出工作指令。工作指令都是“0”、“1”組成的多位數(shù)據(jù)，而讀寫“0”、“1”需要依據(jù)器件的類型有不同的時(shí)序要求，以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例，其寫“0”時(shí)序?yàn)榍?0 μS為低電平，后10 μS為高電平；寫“1”時(shí)序?yàn)榍?0 μS高電平后10 μS低電平[4]，因而時(shí)序的控制考慮采用模70計(jì)數(shù)器，通過在高電平（或低電平）中脈沖的計(jì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較結(jié)果來判定是哪一種時(shí)序。

1.3 計(jì)數(shù)器在電子測(cè)量方面的應(yīng)用

計(jì)數(shù)器在電子測(cè)量方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在信號(hào)發(fā)生、測(cè)頻、測(cè)周期、分頻、定時(shí)等，通過記數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)目或利用計(jì)數(shù)的進(jìn)位輸出來實(shí)現(xiàn)，例如頻率計(jì)、定時(shí)器，其主要功能部件都是計(jì)數(shù)器。

在課堂教學(xué)中，計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用盡量選取電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多、在多門課程中經(jīng)常涉及的環(huán)節(jié)以及能將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)貫穿起來的項(xiàng)目。

2 計(jì)數(shù)器的教學(xué)思路

按我校電工電子技術(shù)類課程對(duì)“計(jì)數(shù)器”的大綱要求，計(jì)數(shù)器的學(xué)時(shí)為4學(xué)時(shí)，另外安排綜合的時(shí)序電路應(yīng)用共2學(xué)時(shí)。為此將計(jì)數(shù)器教學(xué)處理為兩個(gè)層次：一是計(jì)數(shù)器的基本原理以及使用方法介紹，用時(shí)2學(xué)時(shí)，二是計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用，用時(shí)4學(xué)時(shí)。

2.1 計(jì)數(shù)器的基本原理教學(xué)

首先選取四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器集成計(jì)數(shù)器件74161，重點(diǎn)闡述功能原理、芯片各引腳的功能、工作時(shí)序，講清進(jìn)位輸出端、清零端和置數(shù)端的概念和使用方法，達(dá)到能夠設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的程度。

在此基礎(chǔ)上，僅僅把進(jìn)位輸出端CO=1的條件由輸出數(shù)據(jù)Q3Q2Q1Q0=11111改為Q3Q2Q1Q0=1001，就過渡到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160的教學(xué)中。在74160的教學(xué)中，需要重點(diǎn)講述與74161相比，構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的不同規(guī)律和道理，而其它類型的計(jì)數(shù)器如加減可逆計(jì)數(shù)器74190/74191、74290等，由學(xué)生自己類推自學(xué)。

在計(jì)數(shù)器基本原理教學(xué)的基礎(chǔ)上展開的計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用教學(xué)，由于涉及多種電路、多種技術(shù)，所以應(yīng)在數(shù)字電子技術(shù)的最后章節(jié)進(jìn)行，用來將數(shù)字電子技術(shù)中組合邏輯、移位寄存、半導(dǎo)體存儲(chǔ)等技術(shù)以及模擬電子技術(shù)中的二極管、三極管知識(shí)綜合應(yīng)用，使學(xué)生形成分析、設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的綜合能力。這種綜合性的應(yīng)用實(shí)例，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，通過教學(xué)既可起總結(jié)作用，同時(shí)也能增強(qiáng)電路的工程應(yīng)用性的效果[5]。為此我們有目的地選取了幾種計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用作為分析與設(shè)計(jì)的課題。

①序列信號(hào)發(fā)生器——體現(xiàn)組合邏輯與時(shí)序邏輯的綜合

用計(jì)數(shù)器的輸出做數(shù)據(jù)選擇器的地址，將所需產(chǎn)生的序列信號(hào)接于數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端。計(jì)數(shù)器的規(guī)模依據(jù)序列信號(hào)的位數(shù)而定，數(shù)據(jù)選擇器也常常需要進(jìn)行擴(kuò)展，這個(gè)項(xiàng)目能夠解決的知識(shí)點(diǎn)是任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法與組合邏輯部件的級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。8位序列信號(hào)發(fā)生器原理圖如圖1所示。

②節(jié)拍脈沖發(fā)生器——體現(xiàn)數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)的綜合

節(jié)拍脈沖作為動(dòng)態(tài)顯示掃描信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，其原理是：根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)掃描顯示的頻率超過頻率24HZ，就能達(dá)到依次點(diǎn)亮單個(gè)數(shù)碼管卻能享有它們同時(shí)顯示的視覺效果，且不致閃爍抖動(dòng)。該設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)器與譯碼器結(jié)合，譯碼器的輸出即為節(jié)拍脈沖S(0)~S(i)，節(jié)拍脈沖波形如圖2所示。

圖1 8位序列信號(hào)發(fā)生器原理圖

圖2 節(jié)拍脈沖波形

圖3 共陰極數(shù)碼管的控制電路

在數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示電路中，將節(jié)拍脈沖分別接于數(shù)碼管的控制電路，即由三極管構(gòu)成的開關(guān)電路。每當(dāng)節(jié)拍脈沖低電平時(shí)，與之相連的PNP型三極管導(dǎo)通，使得該位數(shù)碼管得以導(dǎo)通。以共陰極數(shù)碼管為例，節(jié)拍信號(hào)控制數(shù)碼管的電路如圖3所示。

③數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)——體現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法的綜合運(yùn)用

該設(shè)計(jì)以十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160為核心器件，將兩個(gè)模60計(jì)數(shù)模塊與一個(gè)模24計(jì)數(shù)模塊前后級(jí)聯(lián)，完成時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)，其中模60計(jì)數(shù)與模24計(jì)數(shù)分別由兩片74160構(gòu)成。設(shè)計(jì)能夠反映學(xué)生對(duì)計(jì)數(shù)器工作時(shí)序的理解以及芯片擴(kuò)展、級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)的能力。

④任意周期波形發(fā)生器——體現(xiàn)計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)的綜合

該設(shè)計(jì)由計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，周期波形發(fā)生電路原理圖如圖4所示。計(jì)數(shù)器的輸出作為存儲(chǔ)器的地址，而存儲(chǔ)器中所存數(shù)據(jù)，將作為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入，其輸出為模擬電壓波形。設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)波形進(jìn)行量化、編碼，對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的電壓梯度△、參考電壓進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)D/A的分辨率、速度以及ROM/RAM的容量等參數(shù)進(jìn)行選擇[6]，設(shè)計(jì)者需要深刻了解存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)原理和模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換的工作方式。

圖4 周期波形發(fā)生電路原理圖

除此之外，數(shù)字分接與復(fù)接系統(tǒng)、PWM直流電機(jī)控制的設(shè)計(jì)則考察了學(xué)生對(duì)分頻、譯碼、選擇輸出、移位寄存、三極管控制等技術(shù)綜合運(yùn)用的能力。這樣的課題不一而足。

從上述實(shí)例中看出計(jì)數(shù)器的應(yīng)用系統(tǒng)涉及的電路種類很多，幾乎囊括了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中所有的硬件電路，也牽涉了模擬電子技術(shù)的重要器件。以計(jì)數(shù)器的工程應(yīng)用作為分析與設(shè)計(jì)的主線，對(duì)于提升學(xué)生綜合分析、綜合應(yīng)用能力將有很大幫助。

3 結(jié)論

電工電子技術(shù)類課程內(nèi)容大多在知識(shí)上互為基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用上相互依存。例如模擬電子技術(shù)中進(jìn)行放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)、輸入輸出電阻、電壓增益、通頻帶的計(jì)算無處不用到電路理論、分析方法，如戴維南等效定理、疊加定理、節(jié)點(diǎn)電壓法等。數(shù)字電子技術(shù)中，應(yīng)用555定時(shí)器設(shè)計(jì)報(bào)警電路、脈沖發(fā)生器時(shí)，關(guān)于信號(hào)頻率的計(jì)算以及電阻、電容元件參數(shù)的設(shè)置離不開電路原理中動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)分析理論。所以，我們?cè)诮虒W(xué)中不應(yīng)將知識(shí)點(diǎn)孤立成分立的片段而割裂它們之間的聯(lián)系。充分挖掘教學(xué)內(nèi)容，利用綜合性較強(qiáng)的工程應(yīng)用案例，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)綜合分析、解決問題的情境，一定能夠不斷提升其工程實(shí)踐能力，達(dá)到我們的培養(yǎng)目標(biāo)。

[1]李雪梅.“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)模式的改革[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(2):36.

[2]耿偉霞,陳偉,楊健翔.序列信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用實(shí)例[J].上海:電子技術(shù),2013(02):26.

[3]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,2011:312-314.

[][]

[4]周潤景,圖雅,張麗敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:372-373.

[5]田社平,張峰.電路課程工程實(shí)例教學(xué)探索與研究[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(5):73-76.

[6]李秀忠.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2008:174-175.

Counter Teaching in Engineering PracticeAbility Cultivation

ZHANG Jin
（College of Information Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China）

Developing the engineering ability of engineering students is urgent for the modernization of China to improve the quality of teaching and applied talent cultivation.Taking the teaching of counter as an example,this article introduces the engineering application of counter with related methods to theoretical teaching of engineering application by summing up its benefit on students’knowledge and ability and illustrating that teaching featured engineering ability should not be limited to practice session but also focused on the comprehensiveness of theoretical content.

engineering practice ability;engineering application;counter

G420

：A

：1008-2395(2016)06-0128-03

2016-08-24

2013年遼寧省普通高等學(xué)校本科工程人才培養(yǎng)模式改革試點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（GZ201353）。

張瑾（1968-），女，副教授，研究方向：電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。