培养工程实践能力目标下的计数器教学

张 瑾

（大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622）

培养工程实践能力目标下的计数器教学

张 瑾

（大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622）

培养工科学生的工程实践能力，是我国现代化建设的迫切需要，对教学质量的提高、应用型人才的培养至关重要。本文以计数器教学为例，介绍了计数器及计数的思想、方法在工程实践中的应用背景，给出以计数器的工程应用为主线进行理论教学的经验做法，总结了这种做法给学生所能带来的知识上的综合与能力上的提升，从而阐明了培养工程实践能力目标下的教学，不应仅仅着眼于实践教学环节，更要重视理论教学内容的工程性、综合性的挖掘。

工程实践能力；工程应用；计数器

0 引言

工程实践能力简而言之是指能够理论联系实际，将所学知识应用于设计、制造等工程实践环节的能力，其中综合运用知识能力、工程设计能力、分析解决实际问题能力是衡量工程实践能力的重要指标。当前的现状是，学生擅长于分立的知识点的学习与掌握，当遇到综合问题时，缺乏联想所学、将实际问题转化为知识问题进而综合地加以解决的能力，与工程实践能力的指标相距甚远。

近年来，国内关于大学生工程实践能力的培养借鉴了国外的经验，即：不仅仅局限于实践教学环节，而将视野拓宽到教育教学理念引导、人才培养方案的制订、教育教学内容的确定等方面。

着眼于培养工程实践能力的技术类课程的教学，在教学内容的确定和处理上，应该注重提供技术的工程背景及其综合应用的广阔视野，善于将分立的知识模块“集成”起来，使学生形成综合运用所学解决实际问题的能力和方法。一个很好的解决办法就是挖掘课程内容，选取具有实用性、综合性、典型性、覆盖性和挑战性的应用项目作为教学任务[1]，这样的项目往往承载了多个知识点和技术手段，所以更有利于学生将知识片段连接起来，提高综合分析、解决问题能力。

符合这项特征的教学内容很多，计数器的设计就是一个典型的例子。计数器的工程应用非常广泛，而且具有较强的综合性，与之相关的电子系统设计往往集中体现了电子技术中众多理论和方法。

1 计数器的工程应用背景

计数思想和方法的应用遍及电子测量、通信、控制等领域。

1.1 计数器在通信中的应用

序列信号是一组特定的串行数字信号，在通信、雷达、诊断、检测等数字技术中有着广泛的应用[2]。构成序列信号发生器的方法有很多，最简单可行的方法是用计数器和数据选择器构成。

广泛应用于工业控制、航空航天、家电领域的红外遥控技术，在红外解码时也用到计数的手段。以红外遥控发射专用芯片PT2248为例，其发送器编码规则是：如果用a表示时间单位，则1个a的低电平和3个a的高电平表示编码“0”；3个a的低电平与1个a的高电平表示编码“1”。

根据编码协议，在进行接收时，解码的思路是设计一个计数器，用来计数低电平期间系统脉冲的个数，当它大于一定值，则判断接收的编码是“1”，否则是“0”，从而实现解码。

1.2 计数器在控制方面的应用

数字系统有时需要按照事先规定的顺序进行一系列的操作，这就要求系统的控制部分能给出一组在时间上有一定顺序的脉冲信号，再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号[3]。采用计数器与译码器结合将输出一组满足要求的节拍脉冲，计数器的输出作为译码器的地址端，地址数据在时钟的作用下依次变化，使得译码器依次由不同的输出端输出高电平（或低电平），生成按节拍变化的脉冲。

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实现控制的另一种形式是核心控制器件与被控器件之间建立通信，即接收或发出工作指令。工作指令都是“0”、“1”组成的多位数据，而读写“0”、“1”需要依据器件的类型有不同的时序要求，以数字温度传感器DS18B20为例，其写“0”时序为前60 μS为低电平，后10 μS为高电平；写“1”时序为前60 μS高电平后10 μS低电平[4]，因而时序的控制考虑采用模70计数器，通过在高电平（或低电平）中脉冲的计数值与标准值的比较结果来判定是哪一种时序。

1.3 计数器在电子测量方面的应用

计数器在电子测量方面的应用主要体现在信号发生、测频、测周期、分频、定时等，通过记数标准时间内被测信号的脉冲数目或利用计数的进位输出来实现，例如频率计、定时器，其主要功能部件都是计数器。

在课堂教学中，计数器的工程应用尽量选取电子系统设计中应用最多、在多门课程中经常涉及的环节以及能将多个知识点贯穿起来的项目。

2 计数器的教学思路

按我校电工电子技术类课程对“计数器”的大纲要求，计数器的学时为4学时，另外安排综合的时序电路应用共2学时。为此将计数器教学处理为两个层次：一是计数器的基本原理以及使用方法介绍，用时2学时，二是计数器的工程应用，用时4学时。

2.1 计数器的基本原理教学

首先选取四位二进制计数器集成计数器件74161，重点阐述功能原理、芯片各引脚的功能、工作时序，讲清进位输出端、清零端和置数端的概念和使用方法，达到能够设计任意进制计数器的程度。

在此基础上，仅仅把进位输出端CO=1的条件由输出数据Q3Q2Q1Q0=11111改为Q3Q2Q1Q0=1001，就过渡到十进制计数器74160的教学中。在74160的教学中，需要重点讲述与74161相比，构成任意进制计数器的不同规律和道理，而其它类型的计数器如加减可逆计数器74190/74191、74290等，由学生自己类推自学。

在计数器基本原理教学的基础上展开的计数器的工程应用教学，由于涉及多种电路、多种技术，所以应在数字电子技术的最后章节进行，用来将数字电子技术中组合逻辑、移位寄存、半导体存储等技术以及模拟电子技术中的二极管、三极管知识综合应用，使学生形成分析、设计电子系统的综合能力。这种综合性的应用实例，涉及的知识点较多，通过教学既可起总结作用，同时也能增强电路的工程应用性的效果[5]。为此我们有目的地选取了几种计数器的工程应用作为分析与设计的课题。

①序列信号发生器——体现组合逻辑与时序逻辑的综合

用计数器的输出做数据选择器的地址，将所需产生的序列信号接于数据选择器的数据输入端。计数器的规模依据序列信号的位数而定，数据选择器也常常需要进行扩展，这个项目能够解决的知识点是任意进制计数器的设计方法与组合逻辑部件的级联扩展。8位序列信号发生器原理图如图1所示。

②节拍脉冲发生器——体现数字电子技术与模拟电子技术的综合

节拍脉冲作为动态显示扫描信号，可以驱动数码管动态扫描显示，其原理是：根据人眼的视觉暂留效应，当扫描显示的频率超过频率24HZ，就能达到依次点亮单个数码管却能享有它们同时显示的视觉效果，且不致闪烁抖动。该设计采用计数器与译码器结合，译码器的输出即为节拍脉冲S(0)~S(i)，节拍脉冲波形如图2所示。

图1 8位序列信号发生器原理图

图2 节拍脉冲波形

图3 共阴极数码管的控制电路

在数码管动态扫描显示电路中，将节拍脉冲分别接于数码管的控制电路，即由三极管构成的开关电路。每当节拍脉冲低电平时，与之相连的PNP型三极管导通，使得该位数码管得以导通。以共阴极数码管为例，节拍信号控制数码管的电路如图3所示。

③数字电子钟的设计——体现任意进制计数器设计方法的综合运用

该设计以十进制计数器74160为核心器件，将两个模60计数模块与一个模24计数模块前后级联，完成时、分、秒的计时，其中模60计数与模24计数分别由两片74160构成。设计能够反映学生对计数器工作时序的理解以及芯片扩展、级联设计的能力。

④任意周期波形发生器——体现计数、数据存储、数字与模拟转换技术的综合

该设计由计数器、半导体存储器、D/A转换器构成，周期波形发生电路原理图如图4所示。计数器的输出作为存储器的地址，而存储器中所存数据，将作为D/A转换器的数据输入，其输出为模拟电压波形。设计过程中，需要对波形进行量化、编码，对D/A转换器的电压梯度△、参考电压进行规划，对D/A的分辨率、速度以及ROM/RAM的容量等参数进行选择[6]，设计者需要深刻了解存储器的结构原理和模/数、数/模转换的工作方式。

图4 周期波形发生电路原理图

除此之外，数字分接与复接系统、PWM直流电机控制的设计则考察了学生对分频、译码、选择输出、移位寄存、三极管控制等技术综合运用的能力。这样的课题不一而足。

从上述实例中看出计数器的应用系统涉及的电路种类很多，几乎囊括了数字电子技术基础课程中所有的硬件电路，也牵涉了模拟电子技术的重要器件。以计数器的工程应用作为分析与设计的主线，对于提升学生综合分析、综合应用能力将有很大帮助。

3 结论

电工电子技术类课程内容大多在知识上互为基础，在工程应用上相互依存。例如模拟电子技术中进行放大电路设计时，电路元件参数设计、输入输出电阻、电压增益、通频带的计算无处不用到电路理论、分析方法，如戴维南等效定理、叠加定理、节点电压法等。数字电子技术中，应用555定时器设计报警电路、脉冲发生器时，关于信号频率的计算以及电阻、电容元件参数的设置离不开电路原理中动态电路的暂态分析理论。所以，我们在教学中不应将知识点孤立成分立的片段而割裂它们之间的联系。充分挖掘教学内容，利用综合性较强的工程应用案例，为学生创设综合分析、解决问题的情境，一定能够不断提升其工程实践能力，达到我们的培养目标。

[1]李雪梅.“模拟电子技术”课程教学模式的改革[J].南京:电气电子教学学报,2015,37(2):36.

[2]耿伟霞,陈伟,杨健翔.序列信号发生器的设计方法及应用实例[J].上海:电子技术,2013(02):26.

[3]阎石.数字电子技术基础:第五版[M].北京:高等教育出版社,2011:312-314.

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[4]周润景,图雅,张丽敏.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社,2007:372-373.

[5]田社平,张峰.电路课程工程实例教学探索与研究[J].南京:电气电子教学学报,2014,36(5):73-76.

[6]李秀忠.单片机应用技术[M].北京:人民邮电出版社,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年辽宁省普通高等学校本科工程人才培养模式改革试点专业建设项目（GZ201353）。

张瑾（1968-），女，副教授，研究方向：电子设计自动化。