數(shù)字電路制作與調試項目化教程（活頁式）教案 42 水位顯示控制電路的制作與調試

《數(shù)字電路制作與調試》教案課程名稱數(shù)字電子技術課程代碼M01F28D10總學時64任課教師

南京信息職業(yè)技術學院單元教案授課日期授課地點根據(jù)實際情況填寫，有幾個填寫幾個。授課班級班級人數(shù)教學單元教學單元、教學目標、教學方式、評價方式與課程大綱的相應內容保持一致。項目2水位顯示控制電路的制作與調試教學時數(shù)按單元的教學時數(shù)填寫。12教學目標教學目標應是此單元的教學目標結合實際授課內容的具體化，其描述參見文中舉例。AOB2：熟練邏輯代數(shù)的基本公式和基本定理；掌握邏輯函數(shù)的公式法以及卡諾圖化簡；AOB3：學會組合邏輯電路的設計方法，能夠進行簡單的組合邏輯電路的設計；掌握組合邏輯電路的分析與測試方法；AOB5：能熟練使用Multisim仿真軟件對所設計的電路進行調試和仿真；利用數(shù)電實驗箱搭建硬件電路。BOB4：電子設計小項目制作培養(yǎng)學生嚴謹、踏實、精益求精的大國工匠精神、專業(yè)榮譽感和職業(yè)使命感。BOB4：通過課程思政的微課視頻：“硬核，中國芯！”，培養(yǎng)學生嚴謹、踏實、精益求精的大國工匠精神。教學方式一體化教學評價方式課堂表現(xiàn)（30%）作業(yè)完成（30%）項目完成（40%）教學資源教學資源包含理論上使用的紙質或網絡教學資源，實踐課使用的設備、工具和耗材等資源。任課教師需保證所有資源可用。1.《數(shù)字電子技術》，楊志忠編著；2.數(shù)字電路實驗箱25套，Multisima9.0仿真軟件；3.網絡學習資源：職教云，釘釘在線測試：第二單元單元測試

微視頻：視頻2組合邏輯電路邏輯功能仿真、視頻4邏輯函數(shù)化簡、視頻5與非門邏輯功能驗證等等：/design/process/edit.html?courseOpenId=9boyamcro69oaawrvqbbkw行業(yè)網站推薦：/單元教學設計第一次課（4學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內容教學內容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內容要點即可。任務2.1邏輯函數(shù)的化簡與測試2.1.1邏輯代數(shù)的基本公式在邏輯代數(shù)中不僅有與、或、非三種基本邏輯運算，還包含一系列公式、定理和規(guī)則，通過它們對輸出邏輯函數(shù)表達式的處理，可以完成邏輯電路的化簡、變換、分析和設計。邏輯代數(shù)的基本公式如表2.1所示，表中一些公式與普通代數(shù)中的公式形式相同，但是也有一些公式是邏輯代數(shù)中所特有的。以表2.1中的基本公式為基礎，可以推出一些常用公式，如表2.3所示。直接運用這些公式，可以給邏輯函數(shù)的化簡帶來很大方便。2.1.2邏輯代數(shù)的基本定理邏輯代數(shù)有三個基本定理：代入定理、反演定理和對偶定理，它們和基本定律一起構成了完整的邏輯代數(shù)系統(tǒng)，可以用來對邏輯函數(shù)進行描述、推導和變換，可以擴大公式的應用范圍，還可以減少一些公式的證明。1.代入定理代入定理的基本內容是：任何一個含有變量A的等式，如果將所有出現(xiàn)A的位置都用同一個邏輯函數(shù)G來替換，則等式仍然成立。2.反演定理反演定理的基本內容是：若已知邏輯函數(shù)Y的邏輯式，則只要將Y式中所有的“?”換為“+”，“+”換為“?”，常量“0”換成“1”，“1”換成“0”，所有原變量（不帶非號）變成反變量，所有反變量換成原變量，得到的新函數(shù)即為原函數(shù)Y的反函數(shù)（補函數(shù)）Y?。注意：①變換中必須保持先與后或的順序；②不是單個變量上的“非號”要保留不變。3.對偶定理對偶定理的基本內容是：在一個邏輯式Y中，若將其中所有的“+”變成“?”，“?”變成“+”，“1”變成“0”，“0”變成“1”，所得邏輯式稱為原邏輯式的對偶式，稱之為Y^'。需要注意，求Y的對偶式和求Y的反演式不同，在求Y的對偶式中，式中原變量和反變量不需要互換。2.1.3邏輯函數(shù)的公式法化簡根據(jù)邏輯問題歸納出來的邏輯函數(shù)式往往不是最簡邏輯函數(shù)式。對邏輯函數(shù)進行化簡和變換，可以得到最簡的邏輯函數(shù)式和所需要的形式，一般來說，邏輯函數(shù)式越簡單，相應的邏輯電路使用的元器件和連線就越少，可設計出最簡潔的邏輯電路。這對于節(jié)省元器件、降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性、提高產品的市場競爭力都是非常重要的。所謂最簡是指：表達式中乘積項最少，即相應電路中的“與”門個數(shù)和“或”門輸入端數(shù)最少，每個乘積項所含的變量最少，這意味著每個與門輸入端最少。邏輯函數(shù)的化簡通常有公式法和卡諾圖法兩種。邏輯函數(shù)式的幾種常見形式和變換由于受到器件供貨的限制，在用電子器件組成實際的邏輯電路時，應該根據(jù)器件的資源情況決定采用哪一種類型的器件，并將邏輯函數(shù)式變換成相應的形式。為了實現(xiàn)邏輯函數(shù)式的邏輯關系，要采用相應的具體電路，有時需要對邏輯函數(shù)式進行變換。邏輯函數(shù)的變化是指保持邏輯函數(shù)真值表不變的條件下，邏輯函數(shù)形式上的變換，以順應實際設計的需要。常見的邏輯函數(shù)式主要有下列五種形式。以Y=ABY=A=(A===利用邏輯代數(shù)的基本定律，可以實現(xiàn)上述五種邏輯函數(shù)式之間的變換。轉換方法舉例：公式法化簡邏輯函數(shù)的公式法化簡是運用邏輯代數(shù)公式，消去多余的“與”項及“與”項中多余的因子。公式法化簡一般有并項法、吸收法、消項法和配方法4種方法。（1）并項法利用A+A【例2-6】試用并項法化簡邏輯函數(shù)Y=A（2）吸收法利用A+AB=A，消去AB項目（吸收掉）。A和B可以是任意復雜的邏輯函數(shù)式?！纠?-7】試用吸收法化簡邏輯函數(shù)Y=AB+ABC+ABCD。（3）消項法利用AB+AC+BC=AB+AC，AB+A【例2-8】利用消項法化簡邏輯函數(shù)Y=ABC+A（4）消因子法利用QUOTEA+AB=A+BA+AB=A+B，消去多余因子A。A和B【例2-9】化簡邏輯函數(shù)Y=AB+AB（6）配項法利用A+A=1可以在某個與項上乘以A+【例2-10】利用配項法化簡邏輯函數(shù)Y=AB2.1.4邏輯函數(shù)的卡諾圖法化簡邏輯函數(shù)的兩種標準形式一種輸入輸出的邏輯關系可以有多種等效的表達式表示，但可以化為標準形式。邏輯函數(shù)的標準表達式包括最小項表達式（標準與或式）和最大項表達式（標準或與式）。（1）最小項定義：在n變量的邏輯函數(shù)中，設有n個變量A1QUOTEA1~AnQUOTEAn，而mi是由所有這n個變量組成的乘積項（與項）。若mi中包含的每一個變量都以Ai或Ai的形式出現(xiàn)一次且僅一次，則稱mi是n變量的最小項（minterm）。注：n個變量構成的最小項有2n個，通常用mi表示第i個最小項，變量按A1～An排列，以原變量出現(xiàn)時對應的值為“1”，以反變量出現(xiàn)時對應的值取“0”，按二進制排列時，其十進制數(shù)即為i。表2.4、表2.5、表2.6分別為二變量、三變量和四變量的最小項。最小項的基本性質：①對任意最小項，只有一組變量取值使它的值為1，而其余各種變量取值均使其值為0。②不同的最小項，使其值為1的那組變量取值也不同。③對于變量的任一組取值，任意兩個最小項的乘積為0。④對于變量的任一組取值，全體最小項的和為1?！纠?-14】將邏輯函數(shù)F(（2）最大項在n變量邏輯函數(shù)中，若一個或項包含了全部的n個變量，每個變量均以它的原變量或反變量的形式在或項中出現(xiàn)，且僅出現(xiàn)一次，則稱該或項為最大項（maxterm）。通常，用Mi表示最大項，下標i為最大項編號，以三變量為例，如表2.7所示。最大項的性質：①每個最大項只對應于1組輸入變量使最大項的值為0。②任意兩個最大項之和為1。③全部最大項之積恒為0?！纠?-15】寫出邏輯函數(shù)FA,B,C卡諾圖法化簡用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)，又稱為圖形化簡法。圖形化簡法有比較明確的步驟可以遵循，判斷結果是否最簡也比較簡單。（1）卡諾圖的組成 將n變量的2n個最小項用2n個小方格表示，并且使相鄰最小項在幾何位置上也相鄰且循環(huán)相鄰，這樣排列得到的方格圖稱為n個變量的最小項卡諾圖，簡稱變量卡諾圖?？ㄖZ圖實質上是真值表或最小項表達式的圖形表示。由于這種方法由美國工程師卡諾(Karnaugh)首先提出的，所以叫卡諾圖。圖2.1給出了常用的二～四變量的卡諾圖，卡諾圖有如下特點。①n個變量邏輯函數(shù)的卡諾圖在結果上是由2n個②各個小方塊是按照邏輯上的“循環(huán)相鄰性”排列的。（a）（b）（c）圖2.1常用的二～四變量的卡諾圖（2）用卡諾圖表示邏輯函數(shù)任何一個邏輯函數(shù)都能表示為若干個最小項之和的形式，所以可用卡諾圖來表示任何一個邏輯函數(shù)?！纠?-16】試畫出函數(shù)Y(解：1）畫出四變量卡諾圖；2）填圖，如圖2.2所示。邏輯式中的最小項m0、m1、m12、m13、m15對應的方格填1，其余不填。圖2.2Y邏輯函數(shù)的卡諾圖（3）用卡諾圖化簡邏輯函數(shù) 用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)的基本依據(jù)是具有邏輯相鄰的最小項可以合并，并消去不同的因子。由于在卡諾圖中，幾何位置相鄰的最小項在邏輯上也是相鄰的，因而能從卡諾圖上非常直觀地找到那些具有相鄰性的最小項，并將它們合并，從而達到化簡的目的?？ㄖZ圖化簡法步驟：①畫出函數(shù)卡諾圖；②對填1的相鄰最小項方格畫包圍圈；③將各圈分別化簡；④將各圈化簡結果邏輯加。【例2-19】用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)F(解：1）畫出變量卡諾圖；2）填卡諾圖，畫包圍圈，如圖2.5所示；3）將各圖分別化簡；圈4個可消去2個變量，化簡為2個相同變量相與。圈2個可消去1個變量，化簡為3個相同變量相與。圖2.5F邏輯函數(shù)的卡諾圖3）將各圖化簡結果邏輯加，可得最簡與或式。F教學重點邏輯函數(shù)公式法化簡；邏輯函數(shù)卡諾圖法化簡；用Multism軟件仿真測試邏輯函數(shù)化簡。教學難點邏輯函數(shù)公式法化簡；邏輯函數(shù)卡諾圖法化簡；用Multism軟件仿真測試邏輯函數(shù)化簡。教學流程教學環(huán)節(jié)“教學環(huán)節(jié)”根據(jù)教學課前、課中、課后的具體設計填寫，如預習、引入新課、具體學習任務、課堂小結、作業(yè)等等，表格自行增刪。教師活動教師對學生學習活動的把控及觀察、評價等信息應在此處有體現(xiàn)，也可以在具體活動的前面描寫設計意圖或者在具體活動后面增加設計總結。學生活動學生在這個環(huán)節(jié)中要需要做的事情，包含是否采用分組學習以及如何分組、組內分工等信息。內容回顧1.點評學生職教云平臺微課鞏固與預習的瀏覽量情況；2.回顧上一節(jié)課的內容；3.搶答選取同學講解對預習知識點的理解。1.使用學習通APP，搶答積極參與問答環(huán)節(jié)；2.講解自己對預習知識點的理解。講授1.講授邏輯函數(shù)公式法化簡和邏輯函數(shù)卡諾圖法化簡；2.用Multism軟件仿真測試邏輯函數(shù)化簡。1.學生積極參與學習通APP課堂互動；2.積極回答教師提問；3.認真思考、筆記記錄關鍵內容。分組實操練習安排學生分組完成：1.簡易任務：《用Multism軟件仿真測試邏輯函數(shù)化簡?！?；2.學生操作時注意巡視；對于提前完成的同學，安排一人對一組幫扶任務，確保每組都能及時完成，不打擊任何學生的學習積極性。分組完成：1.軟件仿真；2.操作演示。第二次課（4學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內容教學內容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內容要點即可。任務2.2門電路構成組合邏輯電路的分析與測試2.2.1組合邏輯電路概述根據(jù)電路結構和邏輯功能的不同，可把數(shù)字邏輯電路分為組合邏輯電路（簡稱組合電路）和時序邏輯電路（簡稱時序電路）兩大類。對于一個邏輯電路，其任意時刻的輸出僅取決于該時刻的輸入，而與該電路過去的狀態(tài)無關，這種電路稱之為組合邏輯電路。（1）組合邏輯電路的特點邏輯功能上的特點：組合邏輯電路某一時刻的輸出僅取決于該時刻的輸入，而與輸入信號作用前的電路狀態(tài)無關，即電路沒有記憶作用。電路結構上的特點：由于沒有記憶作用，因此組合邏輯電路主要由各種門電路組成。電路中沒有記憶元件（如觸發(fā)器），不存在任何形式的反饋通路。（2）組合邏輯電路功能的描述方法組合電路的邏輯功能是指輸出量與輸入量之間的函數(shù)關系，常用真值表、邏輯表達式、邏輯電路圖、波形圖、卡諾圖等來描述。2.2.2組合邏輯電路的分析方法組合邏輯電路的分析就是對一個給定的邏輯電路，找出其輸出與輸入之間的邏輯關系，確定它的邏輯功能的過程。其分析步驟如下：根據(jù)邏輯圖寫出輸出端的邏輯表達式；化簡和變換輸出的邏輯表達式，以得到最簡的邏輯表達式；根據(jù)最簡的邏輯表達式列出真值表；根據(jù)真值表分析其邏輯功能?！纠?-26】分析如圖2.16所示組合邏輯電路的功能。任務2.3門電路構成組合邏輯電路的設計與測試2.3.1組合邏輯電路的設計方法所謂組合邏輯電路的設計，就是根據(jù)提出的實際邏輯問題，求出符合要求的最簡邏輯電路。這里所說的“最簡”，是指所用元器件數(shù)量和種類最少，元器件之間的連線也最少。組合邏輯電路的設計步驟，如圖2.31所示。根據(jù)實際問題進行邏輯抽象（邏輯假設）；確定輸入變量、輸出變量之間的邏輯關系，列出真值表；根據(jù)真值表，確定邏輯函數(shù)表達式；根據(jù)器件要求，變換邏輯函數(shù)表達式；畫出邏輯電路圖；電路裝接與調試；電路邏輯功能檢測?！纠?-32】圖2.32為控制樓道照明的開關電路。兩個單刀雙擲開關A和B分別安裝在樓上和樓下。上樓之前，在樓下開燈，上樓后關燈；反之，下樓之前，在樓上開燈，下樓后關燈。試畫出控制功能與之相同的邏輯電路。教學重點組合邏輯電路分析與設計；用Multism軟件仿真分析組合邏輯電路。教學難點組合邏輯電路分析與設計；用Multism軟件仿真分析組合邏輯電路。教學流程教學環(huán)節(jié)“教學環(huán)節(jié)”根據(jù)教學課前、課中、課后的具體設計填寫，如預習、引入新課、具體學習任務、課堂小結、作業(yè)等等，表格自行增刪。教師活動教師對學生學習活動的把控及觀察、評價等信息應在此處有體現(xiàn)，也可以在具體活動的前面描寫設計意圖或者在具體活動后面增加設計總結。學生活動學生在這個環(huán)節(jié)中要需要做的事情，包含是否采用分組學習以及如何分組、組內分工等信息。內容回顧1.點評學生職教云平臺微課鞏固與預習的瀏覽量情況；2.回顧上一節(jié)課的內容；3.搶答選取同學講解對預習知識點的理解。1.使用學習通APP，搶答積極參與問答環(huán)節(jié)；2.講解自己對預習知識點的理解。講授1.講授組合邏輯電路分析與設計；2.用Multism軟件仿真分析組合邏輯電路。課程思政：由組合邏輯電路中元器件間的隸屬關系引出“個體與整體的辯證關系。”1.學生積極參與學習通APP課堂互動；2.積極回答教師提問；3.認真思考、筆記記錄關鍵內容。分組實操練習安排學生分組完成：1.簡易任務：《用Multism軟件仿真分析組合邏輯電路》；2.學生操作時注意巡視；對于提前完成的同學，安排一人對一組幫扶任務，確保每組都能及時完成，不打擊任何學生的學習積極性。分組完成：1.軟件仿真；2.操作演示?？偨Y與課后任務1.總結本次課程內容；2.布置作業(yè)：課后書面習題；觀看微視頻2：組合邏輯電路邏輯功能仿真等等視頻。思考教師總結，記錄教師的作業(yè)要求并完成。第三次課（4學時根據(jù)根據(jù)實際教學時數(shù)填寫。教學內容教學內容部分的詳略可以根據(jù)實際情況調整。對于新教師、新課程，要求詳細填寫；其余填寫內容要點即可。項目描述邏輯代數(shù)主要研究邏輯運算的理論、方法及其應用，是分析和設計邏輯電路的數(shù)學基礎，它有一套完整的運算規(guī)則，被廣泛地應用于數(shù)字電路的分析與設計。本項目運用邏輯代數(shù)基礎知識和中、小規(guī)模組合邏輯電路分析與設計的方法，使用基本邏輯門來設計一個水位顯示控制電路。1.實訓目的（1）了解并掌握水位顯示控制電路的工作原理與設計方法。（2）掌握組合邏輯電路的設計方法。（3）會制作與調試水位顯示控制電路，并通過測試論證設計的正確性。（4）訓練正確接線與排除故障的能力。2.實訓要求（1）設計水位顯示控制電路，并畫出仿真電路圖。（2）對不同水位電路進行仿真測試。（3）硬件制作要求：正確選擇元器件，自行搭建和調試電路。（4）撰寫設計報告：寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。3.電路功能及器件要求電路功能實現(xiàn)：采用基本邏輯門“或非門”、“非門”設計一個水位顯