课程思政教学案例---曲明哲：数字逻辑电路

本次课程目标：        

理论结合实际，正确理解组合逻辑电路知识内容，能正确分析并实现逻辑电路设计。        

思政育人目标：        

注重理论知识与实际生活的结合，引入规则意识。        

一、实施过程        

（一）组合逻辑电路        

组合电路：任意时刻的输出信号仅决定于该时刻的输入信号,而与电路原始状态无关的数字电路称为组合逻辑电路。        

组合电路特点：        

(1) 电路中不存在输出到输入的反馈通路，因此输出状态不影响输入状态。        

(2) 电路中不包含存储信号的记忆元件，它一般是由各种门电路组合而成。        

（二）组合逻辑电路的分析方法和设计方法        

设计步骤;        

1、进行逻辑抽象。        

提出的设计要求是用文字描述的一个具有一定因果关系的事件，需要通过逻辑抽象的方法，用一个逻辑函数来描述这一因果关系。        

(1) 分析事件的因果关系，确定输入变量、输出变量；引起事件的原因定为输入，把事件的结果作为输出。        

(2) 对输入变量和输出变量进行二进制编码，其编码的规则和含义由设计者根据事件定义。        

(3) 对给定的因果关系列出真值表。真值表是所有描述方法中最直接的描述方式。        

思政融入：注重理论知识与实际生活的结合        

引导学生从理论与实际的结合中理解知识，并运用知识去分析解决实际问题，做到学懂会用，学用结合。习近平主席曾指导大家要具备理论和实际相结合的宽广视角。        

只有把理论学习融入实践，带着感情学，带着责任学，带着问题学，学以致用、用以促学、学用相长，才能推进社会前行。        

真值表如下。由真值表，可分析A、B、C为输入，0表示不同意，1表示同意；Y为输出，0表示表决不通过，1表示表决通过。        

本次课程目标：        

理论结合实际，正确理解移位寄存器工作原理，能正确分析并实现逻辑电路设计。        

思政育人目标：        

重视事物发展规律，夯实理论基础；引导学生了解事物的发展规律，利用规律进行改造和创新。        

一、实施过程        

（一）寄存器        

(1) 用于寄存一组二值代码，N位寄存器由N个触发器组成，可存放一组N位二值代码。        

(2) 只要求其中每个触发器可置1，置0。        

（二）移位寄存器        

移位寄存器是指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移。移位寄存器不但可以用来寄存代码，还可以用来实现数据的串行-并行转换、数值的运算以及数据处理等。         

根据移位方向，分为左移寄存器、右移寄存器和双向移位寄存器。        

根据移位数据的输入-输出方式，可分为串行输入-串行输出、串行输入-并行输出、并行输入-串行输出、并行输入-并行输出。        

利用移位寄存器可接成各种移位寄存器式的计数器，如环形计数器、扭环形计数器等。              

(1) 单向移位寄存器        

电路原理图如下：        

电路工作特点：        

经过4个CLK信号以后，串行输入的4位代码全部移入寄存器中，同时在4个触发器输出端得到并行输出代码。        

用JK触发器构成的移位寄存器如下：        

(2) 双向移位寄存器。        

理解芯片74LS 194A。其实现的功能是左/右移，并行输入，保持，异步置零等功能。        

74LS 194A由4个触发器FF₀、FF₁、FF₂、FF₃和各自的输入控制电路组成，每个触发器的输出端与右边一个触发器的输入端相接，工作状态由控制端S₁和S₀的状态制定。        

内部电路图如下：        

芯片和功能表如下：        

用两片74LS194A接成8位双向移位寄存器如下：        

用双向移位寄存器74LS194组成节日彩灯控制电路如下：        

融入思政：        

重视事物发展规律，夯实理论基础，有效地将理论知识运用于实际生活，同时进行不断地改造与创新。引导学生了解事物的发展规律，利用规律进行改造和创新，一定会事半功倍；提高学习与工作效率，从而提升自主创新能力。        

引入华为公司的愿景和使命，即“把数字世界带入每个人每个家庭，每个组织，构建万物互联的智能世界”。        

在2021中国联通合作伙伴大会上，华为公司轮值董事长胡厚崑现场发表了“联接智能世界，赋能数字经济”的主题演讲。他表示，在当前中国数字经济大提速的背景下，网络联接作为数字基础设施的底座，是数字经济发展与创新的基础。胡厚崑强调，“华为积极思考和行动，希望通过打造更快、更广、更智能、更安全及更绿色的联接，助力实现‘大联接’的业务战略，为数字经济创新持续注入动力”。根据华为全球产业展望报告预测，到2030年，全球联接总量将突破2000亿，从生活场景到生产活动、从地面到空中，联接的对象和场景不断扩展，这将在带宽、时延、空间三个方面带来更高的要求。面对变化，唯有持续不断地在理论、技术和工程方面开展创新，才能打造无处不在、超低时延、超大带宽的立体联接。
       

二、取得成效        

理解并掌握节日彩灯控制电路的设计。通过本设计，学生可以深刻理解移位寄存器的工作原理，掌握时序逻辑电路的设计过程，将理论知识应用于实际问题中，提高了学生分析问题解决问题的能力，有助于学生更深刻的理解电子专业理论课程，了解电子专业的应用领域。        

三、教学反思        

“知识传递在生活”，深度挖掘提炼课程知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，科学合理拓展课程的广度、深度和温度，增加课程的知识性、人文性，提升引领性、时代性和开放性。        

本次课程目标：        

理论结合实际，正确理解计数器工作原理和设计方法，能独立完成任意进制计数器的设计。        

思政育人目标：        

重视个体与整体的关系，掌握数字电路设计的逻辑性。同时培养科学思维，提高创新意识，引导学生建立严谨的科学态度和一丝不苟的钻研精神。        

一、实施过程        

（一）计数器        

(1) 同步计数器：时钟脉冲到达时各个触发器翻转是同时进行的。        

(2) 时钟脉冲到达时，各个触发器翻转有先有后，不是同时进行的。        

（二）任意进制计数器的构成方法        

目前常见的计数器芯片在计数进制上只做成应用较广的几种类型，如十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进制等。在需要其他任意一种进制的计数器时，只能用已有的计数器产品经过外路的不同连接方式得到。        

假定已有的是N进制计数器，需要得到的是M进制计数器。这时有M<N和M>N两种可能的情况。        

(1) M<N的情况        

在N进制计数器的顺序计数过程中，若设法使之跳跃N-M个状态，就可以得到M进制计数器。        

实现跳跃的方法有置零法（或复位法）和置数法（或置位法）。        

置零法适用于有置零输入端的计数器。置零法如下图所示。        

置数法是通过给计数器重复置入某个数值的方法跳跃N-M个状态，从而获得M进制计数器。        

(2) N < M        

①M=N1&times;N2        

先用前面的方法分别接成N1和N2两个计数器。        

N1和N2间的连接有两种方式：        

a.并行进位方式：用同一个CLK，低位片的进位输出作为高位片的计数控制信号。        

b.串行进位方式：低位片的进位输出作为高位片的CLK,两片始终同时处于计数状态。        

②M不可分解        

采用整体置零和整体置数法：        

先用两片接成 M’> M 的计数器，然后再采用置零或置数的方法。        

融入思政：        

重视个体与整体的关系，掌握数字电路设计的逻辑性。同时培养科学思维，提高创新意识，引导学生建立严谨的科学态度和一丝不苟的钻研精神。        

借此为学生介绍钱学森事迹。钱学森是中国空气动力学家、系统科学家，工程控制论创始人之一，中国科学院学部委员、中国工程院院士，两弹一星功勋奖章获得者。他曾学习于美国麻省理工学院，获得了航空工程硕士学位，之后转入加州理工学院航空系学习，师从航天工程学家冯&middot;卡门。他在艰难归国之后，在中国主持完成了“喷气和火箭技术的建立”规划，参与了近程导弹、中近程导弹和中国第一颗人造地球卫星的研制，直接领导了用中近程导弹运载和原子弹“两弹结合”试验，参与制定了中国近程导弹运载原子弹“两弹结合”试验，参与制定了中国第一个星际航空的发展规划，发展建立了工程控制论和系统学等。在钱学森的努力带领下，1964年10月16日中国第一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日中国第一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日中国第一颗人造卫星发射成功。他在应用力学、物理力学、航天与喷气、工程控制论、系统科学，都有重要的研究，并且是中国控制方向的领头人。        

钱学森还给中国留下一项黑科技，就是他生前研究的超级风洞技术，还形成了一套空气动力学风洞设计的理论，风洞的种类有很多，按照实验段气流速度来划分，能分为低速、高速和高超音速风洞。而风洞实验是飞行器研制工作中一个不可或缺的组成部分，这也为我国后来的科学家提供了理论基础。我国已经成功制造出歼-10、歼-20等武器，这些都离不开风洞的支持。钱学森站在了世界科学的最前沿，指引着中国科研工作者的前行道路。        

“科技兴则民族兴，科技强则国家强”。习近平总书记指出：“长期以来，一代又一代科学家怀着深厚的爱国主义情怀，凭借深厚的学术造诣、宽广的科学视角，为祖国和人民作出了彪炳史册的重大贡献。”        

学生们应该具有炽热的家国情怀和崇高的民族气节，具有个人的爱国之心、报国之志、效国之行和强国之情，将所学的知识融会贯通，全力以赴地为祖国建设贡献力量。        

29秒篮球倒计时设计电路如下：        

(1) 异步置零方法        

(2) 同步置零方法        

二、取得成效        

理解并掌握任意进制倒计时电路的设计。通过本设计，学生可以深刻理解计数器的工作原理，掌握计数器的设计过程，将理论知识与实际问题融合，提高学生分析问题解决问题的能力，有助于学生在后续专业中的学习，并使学生对电子专业产生浓厚的兴趣，促进未来学习与个人发展。        

三、教学反思        

通过该设计的学习，深刻理解数字逻辑电路这门课程在电子信息工程专业中的重要作用，深刻认识到本门课程的重要性。在不同的案例讲解中，让学生真正产生学以致用的成就感，在数字逻辑电路的授课中将更多的融入案例，将理论与生活融为一体。        

本次课程目标：        

理论结合实际，正确理解555定时器工作原理，能独立完成扬声器发音电路的设计。        

思政育人目标：        

加强辩证法的联系观，培养相关性思维；发扬严谨细致、勇于创新的工匠精神；做有理想、有追求的大学生，做有担当、有作为的大学生。        

一、实施过程        

（一）555定时器的电路结构与功能        

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器电路、单稳态电路和多谐振荡电路。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。        

1、双极型555定时器的电路结构        

双极型555定时器的电路结构由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成，如图所示。        

555定时器的功能表及外部引线图如下所示。        

                2、用555定时器接成的施密特触发器        

3、用555定时器接成的施密特触发器        

                4、用555定时器接成的多谐振荡器        

多谐振荡器特点：没有稳定状态，只有两个暂稳态，工作时它不停地在两个暂稳态之间转换。        

融入思政：        

培养相关性思维，发扬严谨细致、勇于创新的工匠精神；做有理想、有追求的大学生，做有担当、有作为的大学生。        

从1972年美国Signetics公司研制诞生到现在，销量过百亿，可以说是历史上最成功的芯片，从民用扩展到火箭、导弹、卫星、航天等高科技领域，用途之广遍及电子应用的各个领域，全世界 各大半导体公司竞相仿制、生产，在40多年的时间里，全球的电子设计者，前赴后继，用555 实现了一个又一个应用电路。        

芯片虽小，却是各行各业实现信息化、智能化的基础，一直是全球高科技国力较量的焦点，是名副其实的大国重器。而中国每年制造数以亿计的电子产品， 可长期以来却被指甲盖大小的芯片“扼住咽喉”。据统计，中国每年进口芯片的费用甚至超过石油。华为事件，凸显了日趋复杂的国际环境下，科技博弈已是明显趋势，虽然我国在信息科技领域奋力追赶，但一些尖端技术仍面临着受制于人的局面，大学生理应用责任和担当书写青春：勤学奋斗、增长才干，努力练好人生和事业的基本功，肩负时代责任，高扬理想风帆。        

（二）救护车扬声器发音电路设计        

1、电路设计        

2、软件仿真        

3、仿真结果及参数        

4、                        

4、                 .        

二、取得成效        

理解并掌握555定时器的工作原理。通过本设计，学生理解利用555定时器搭接施密特触发器、单稳态电路、多谐振荡电路的原理，能够结合理论知识对实际问题进行设计，对专业知识的学习有极大的促进作用。        

三、教学反思        

通过该设计的学习，深刻理解理论与实际结合的重要意义，培养学生的分析能力，增加学生的学习兴趣，加强学生对电子专业应用领域的理解，为学生进一步的专业课学习做好坚实的基础。数字逻辑电路是一门重要的专业核心课程，需要不断地融入案例，让学生充分理解理论知识，将理论与生活融为一体。