張 瑾

（大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622）

培養(yǎng)工程實踐能力目標下的計數(shù)器教學

張 瑾

（大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622）

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

工程實踐能力；工程應(yīng)用；計數(shù)器

0 引言

工程實踐能力簡而言之是指能夠理論聯(lián)系實際，將所學知識應(yīng)用于設(shè)計、制造等工程實踐環(huán)節(jié)的能力，其中綜合運用知識能力、工程設(shè)計能力、分析解決實際問題能力是衡量工程實踐能力的重要指標。當前的現(xiàn)狀是，學生擅長于分立的知識點的學習與掌握，當遇到綜合問題時，缺乏聯(lián)想所學、將實際問題轉(zhuǎn)化為知識問題進而綜合地加以解決的能力，與工程實踐能力的指標相距甚遠。

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

著眼于培養(yǎng)工程實踐能力的技術(shù)類課程的教學，在教學內(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，善于將分立的知識模塊“集成”起來，使學生形成綜合運用所學解決實際問題的能力和方法。一個很好的解決辦法就是挖掘課程內(nèi)容，選取具有實用性、綜合性、典型性、覆蓋性和挑戰(zhàn)性的應(yīng)用項目作為教學任務(wù)[1]，這樣的項目往往承載了多個知識點和技術(shù)手段，所以更有利于學生將知識片段連接起來，提高綜合分析、解決問題能力。

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

1 計數(shù)器的工程應(yīng)用背景

計數(shù)思想和方法的應(yīng)用遍及電子測量、通信、控制等領(lǐng)域。

1.1 計數(shù)器在通信中的應(yīng)用

序列信號是一組特定的串行數(shù)字信號，在通信、雷達、診斷、檢測等數(shù)字技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用[2]。構(gòu)成序列信號發(fā)生器的方法有很多，最簡單可行的方法是用計數(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)，在紅外解碼時也用到計數(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表示時間單位，則1個a的低電平和3個a的高電平表示編碼“0”；3個a的低電平與1個a的高電平表示編碼“1”。

根據(jù)編碼協(xié)議，在進行接收時，解碼的思路是設(shè)計一個計數(shù)器，用來計數(shù)低電平期間系統(tǒng)脈沖的個數(shù)，當它大于一定值，則判斷接收的編碼是“1”，否則是“0”，從而實現(xiàn)解碼。

1.2 計數(shù)器在控制方面的應(yīng)用

數(shù)字系統(tǒng)有時需要按照事先規(guī)定的順序進行一系列的操作，這就要求系統(tǒng)的控制部分能給出一組在時間上有一定順序的脈沖信號，再用這組脈沖形成所需要的各種控制信號[3]。采用計數(shù)器與譯碼器結(jié)合將輸出一組滿足要求的節(jié)拍脈沖，計數(shù)器的輸出作為譯碼器的地址端，地址數(shù)據(jù)在時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，對不起，這里幫不上你。

實現(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序要求，以數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例，其寫“0”時序為前60 μS為低電平，后10 μS為高電平；寫“1”時序為前60 μS高電平后10 μS低電平[4]，因而時序的控制考慮采用模70計數(shù)器，通過在高電平（或低電平）中脈沖的計數(shù)值與標準值的比較結(jié)果來判定是哪一種時序。

1.3 計數(shù)器在電子測量方面的應(yīng)用

計數(shù)器在電子測量方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在信號發(fā)生、測頻、測周期、分頻、定時等，通過記數(shù)標準時間內(nèi)被測信號的脈沖數(shù)目或利用計數(shù)的進位輸出來實現(xiàn)，例如頻率計、定時器，其主要功能部件都是計數(shù)器。

在課堂教學中，計數(shù)器的工程應(yīng)用盡量選取電子系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用最多、在多門課程中經(jīng)常涉及的環(huán)節(jié)以及能將多個知識點貫穿起來的項目。

2 計數(shù)器的教學思路

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

2.1 計數(shù)器的基本原理教學

首先選取四位二進制計數(shù)器集成計數(shù)器件74161，重點闡述功能原理、芯片各引腳的功能、工作時序，講清進位輸出端、清零端和置數(shù)端的概念和使用方法，達到能夠設(shè)計任意進制計數(shù)器的程度。

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

在計數(shù)器基本原理教學的基礎(chǔ)上展開的計數(shù)器的工程應(yīng)用教學，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)進行，用來將數(shù)字電子技術(shù)中組合邏輯、移位寄存、半導體存儲等技術(shù)以及模擬電子技術(shù)中的二極管、三極管知識綜合應(yīng)用，使學生形成分析、設(shè)計電子系統(tǒng)的綜合能力。這種綜合性的應(yīng)用實例，涉及的知識點較多，通過教學既可起總結(jié)作用，同時也能增強電路的工程應(yīng)用性的效果[5]。為此我們有目的地選取了幾種計數(shù)器的工程應(yīng)用作為分析與設(shè)計的課題。

①序列信號發(fā)生器——體現(xiàn)組合邏輯與時序邏輯的綜合

用計數(shù)器的輸出做數(shù)據(jù)選擇器的地址，將所需產(chǎn)生的序列信號接于數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端。計數(shù)器的規(guī)模依據(jù)序列信號的位數(shù)而定，數(shù)據(jù)選擇器也常常需要進行擴展，這個項目能夠解決的知識點是任意進制計數(shù)器的設(shè)計方法與組合邏輯部件的級聯(lián)擴展。8位序列信號發(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)拍脈沖作為動態(tài)顯示掃描信號，可以驅(qū)動數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，其原理是：根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，當掃描顯示的頻率超過頻率24HZ，就能達到依次點亮單個數(shù)碼管卻能享有它們同時顯示的視覺效果，且不致閃爍抖動。該設(shè)計采用計數(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。每當節(jié)拍脈沖低電平時，與之相連的PNP型三極管導通，使得該位數(shù)碼管得以導通。以共陰極數(shù)碼管為例，節(jié)拍信號控制數(shù)碼管的電路如圖3所示。

③數(shù)字電子鐘的設(shè)計——體現(xiàn)任意進制計數(shù)器設(shè)計方法的綜合運用

該設(shè)計以十進制計數(shù)器74160為核心器件，將兩個模60計數(shù)模塊與一個模24計數(shù)模塊前后級聯(lián)，完成時、分、秒的計時，其中模60計數(shù)與模24計數(shù)分別由兩片74160構(gòu)成。設(shè)計能夠反映學生對計數(shù)器工作時序的理解以及芯片擴展、級聯(lián)設(shè)計的能力。

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

該設(shè)計由計數(shù)器、半導體存儲器、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。計數(shù)器的輸出作為存儲器的地址，而存儲器中所存數(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)計過程中，需要對波形進行量化、編碼，對D/A轉(zhuǎn)換器的電壓梯度△、參考電壓進行規(guī)劃，對D/A的分辨率、速度以及ROM/RAM的容量等參數(shù)進行選擇[6]，設(shè)計者需要深刻了解存儲器的結(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直流電機控制的設(shè)計則考察了學生對分頻、譯碼、選擇輸出、移位寄存、三極管控制等技術(shù)綜合運用的能力。這樣的課題不一而足。

從上述實例中看出計數(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。以計數(shù)器的工程應(yīng)用作為分析與設(shè)計的主線，對于提升學生綜合分析、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)中進行放大電路設(shè)計時，電路元件參數(shù)設(shè)計、輸入輸出電阻、電壓增益、通頻帶的計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)點電壓法等。數(shù)字電子技術(shù)中，應(yīng)用555定時器設(shè)計報警電路、脈沖發(fā)生器時，關(guān)于信號頻率的計算以及電阻、電容元件參數(shù)的設(shè)置離不開電路原理中動態(tài)電路的暫態(tài)分析理論。所以，我們在教學中不應(yīng)將知識點孤立成分立的片段而割裂它們之間的聯(lián)系。充分挖掘教學內(nèi)容，利用綜合性較強的工程應(yīng)用案例，為學生創(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踐能力，達到我們的培養(yǎng)目標。

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

[2]耿偉霞,陳偉,楊健翔.序列信號發(fā)生器的設(shè)計方法及應(yīng)用實例[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.

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

[5]田社平,張峰.電路課程工程實例教學探索與研究[J].南京:電氣電子教學學報,2014,36(5):73-76.

[6]李秀忠.單片機應(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校本科工程人才培養(yǎng)模式改革試點專業(yè)建設(shè)項目（GZ201353）。

張瑾（1968-），女，副教授，研究方向：電子設(shè)計自動化。