基于Proteus的集成電路應(yīng)用課程教學(xué)案例設(shè)計(jì)

周曉玨

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011）

1 “集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問題

“集成電路應(yīng)用”課程是五年制高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的一門必修專業(yè)核心課程。根據(jù)最新的高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，“集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生了解常用數(shù)字集成電路、運(yùn)算放大集成電路、LED顯示控制集成電路等的基本性能，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析集成電路的原理，提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)簡單電路的能力。

“集成電路應(yīng)用”課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法是借助PPT等多媒體，向?qū)W生講解集成電路的特性、引腳功能、典型電路原理等，大部分學(xué)生感覺課堂教學(xué)枯燥無趣，教師講授的知識(shí)抽象，學(xué)生難以理解。學(xué)生在學(xué)習(xí)“集成電路應(yīng)用”課程后，只對集成電路的基本特性、引腳功能等有初步認(rèn)識(shí)，沒有分析和設(shè)計(jì)電路的能力，難以達(dá)到課程教學(xué)的基本目標(biāo)。因此，有必要改進(jìn)“集成電路應(yīng)用”課程的教學(xué)方法，以提高教學(xué)效果。

2 Proteus軟件用于“集成電路課程”教學(xué)的特點(diǎn)

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，具有對模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)和外圍電路系統(tǒng)、LCD系統(tǒng)等進(jìn)行仿真的功能。

2.1 仿真功能強(qiáng)大

Proteus軟件元器件庫包含了74系列、CD4000系列、LM系列等常用集成電路，同時(shí)還有電壓表、電流表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等各種虛擬儀器，功能強(qiáng)大，可以仿真分析各種模擬和數(shù)字集成電路。在“集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，可借助Proteus軟件，繪制電路，變換電路形式，改變電路參數(shù)，用虛擬儀器測量相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，能增強(qiáng)學(xué)生對知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[1]。

2.2 降低實(shí)訓(xùn)硬件設(shè)施成本

在“集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，利用Pr oteus軟件平臺(tái)，可以繪制電路的仿真電路，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路問題和解決電路問題，避免了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的元器件、測量儀器、電源等硬件設(shè)施容易發(fā)生故障的現(xiàn)象，能夠降低配置實(shí)訓(xùn)硬件的成本。

2.3 促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

Proteus軟件不僅可以用于課堂教學(xué)，也可以用于學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí)。電路分析和設(shè)計(jì)要花費(fèi)學(xué)生大量的時(shí)間，學(xué)生不可能在課堂時(shí)間內(nèi)完成電路分析和設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生可借助Proteus軟件在課外完成課內(nèi)不能完成的任務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。在課外自主學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生利用Proteus軟件，學(xué)生不必?fù)?dān)心元器件、電源、測量儀表等是否會(huì)出現(xiàn)故障和安全問題。

總之，Proteus軟件應(yīng)用于“集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)，能夠使學(xué)生在“做中學(xué)”和“學(xué)中做”，有助于提高“集成電路應(yīng)用”課程的教學(xué)效果。

3 Proteus教學(xué)應(yīng)用案例分析

本文通過運(yùn)用Proteus軟件，以LM3914點(diǎn)/線圖形LED顯示驅(qū)動(dòng)器教學(xué)為例，分析Proteus軟件運(yùn)用于“集成電路應(yīng)用”課程教學(xué)的方法。LM3914是一個(gè)10位發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，它能將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)10位發(fā)光二極管進(jìn)行點(diǎn)顯示或柱顯示[2]。

3.1 芯片引腳識(shí)別

學(xué)生在Proteus軟件的元件庫找到LM3914，如圖1所示。學(xué)生觀察元件，并識(shí)別其引腳。該芯片電路的1腳和10—18腳接LED陰極，2腳為接地端，3腳為正電源端，4腳和6腳之間連接10個(gè)精密分壓電阻，7腳和8腳之間有一個(gè)1.25V的參考電壓源，9腳為點(diǎn)／柱模式選擇，5腳為信號(hào)輸入端。

3.2 LM3914的亮點(diǎn)模式與光柱模式

LM3914驅(qū)動(dòng)方式有光柱模式和亮點(diǎn)模式兩種。其中亮點(diǎn)模式就像指針指示信號(hào)一樣，每次只有一個(gè)LED燈被點(diǎn)亮，被點(diǎn)亮的LED燈位置隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化。光柱模式是指每次有多個(gè)LED燈同時(shí)顯示，LED燈顯示的個(gè)數(shù)與輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。LM3914的9腳可設(shè)置為驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)9腳連接正電源時(shí)，LM3914為光柱顯示模式；當(dāng)9腳懸空或接地時(shí)，LM3914為亮點(diǎn)顯示模式。在教學(xué)過程中，利用Proteus軟件給學(xué)生展示預(yù)先設(shè)計(jì)的LM3914典型應(yīng)用電路，如圖2所示。通過改變圖2中9腳的連接方式，讓學(xué)生觀察到在不同驅(qū)動(dòng)模式下LM3914 LED燈點(diǎn)亮效果的差異。

圖1 LM3914元件圖

圖2 LM3914典型應(yīng)用電路

3.3 LM3914的原理分析

LM3914內(nèi)部原理如圖3所示。在LM3914內(nèi)部由輸入緩沖器、分壓器與比較器組成的10級電壓比較器 、顯示類型控制電路、1.25V基準(zhǔn)電源電路等組成。模擬信號(hào)從LM3914的5腳輸入，輸入緩沖器放大后，送入10級電壓比較器的反相輸入端，分別與各電壓比較器的正相輸入端電位比較；分壓器上的基準(zhǔn)電壓在輸入到比較器的正相輸入端時(shí)，每級分壓器上的基準(zhǔn)電壓為0.125V，逐級比較電平分別為 0.125V、0.25V、0.375V、0.5V…1.25V。對于電壓比較器而言，當(dāng)正相輸入端電位大于反相輸入端電位時(shí)，輸出高電平，在輸入信號(hào)小于0.125V時(shí)，10級比較器均輸出高電平；在輸入信號(hào)大于0.125V而小于0.25V時(shí)，電壓比較器1輸出低電平，即1腳輸出低電平；在輸入信號(hào)大于0.25V而小于0.375V時(shí)，電壓比較器2輸出低電平，即18腳輸出低電平……當(dāng)輸入信號(hào)大于1.25V時(shí)，電壓比較器10輸出低電平，即10腳輸出低電平。如果將10個(gè)共陽極的LED燈接到這10個(gè)輸出端，都可以顯示輸入信號(hào)。

圖3 LM3914內(nèi)部原理圖

圖4 電容器充放電演示電路

對于這部分知識(shí)的教學(xué)，教師講解完理論知識(shí)后，布置實(shí)訓(xùn)任務(wù)。學(xué)生利用Proteus軟件繪制如圖2所示的LM3914典型電路；教師設(shè)置不同的輸入電壓，要求學(xué)生仿真，觀察LED燈的顯示結(jié)果，并思考LED燈亮的原因。教師還要求學(xué)生自己設(shè)置不同的輸入信號(hào)電壓值，以得到幾個(gè)LED燈亮或某一個(gè)LED燈亮的結(jié)果。借助Proteus軟件進(jìn)行模擬。學(xué)生在“學(xué)中做”“做中學(xué)”“做中想”，既能理解LM3914的原理，也能體會(huì)電路參數(shù)變化產(chǎn)生的有趣結(jié)果。

3.4 LM3914的應(yīng)用——電容器充放電演示器電路分析

學(xué)生利用Proteus軟件繪制電容器充放電演示器電路，如圖4所示，這是一種LM3914應(yīng)用電路。在用電壓探針觀測LM3914的5腳電位時(shí)，當(dāng)開關(guān)S置于“1”位時(shí)，電流由+6V電源經(jīng)開關(guān)S、電阻Rl向電容器C充電，5腳電位逐漸上升，十個(gè)LED燈被逐個(gè)點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)置于“2”位，LED燈維持當(dāng)前狀態(tài)不變；當(dāng)開關(guān)置于“3”位時(shí)，電流由電容器C經(jīng)電阻R1向地放電，5腳電位逐漸降低，十個(gè)LED燈逐個(gè)熄滅。通過仿真，學(xué)生能夠明白電路電流的方向，發(fā)現(xiàn)5腳電位的變化情況。借助觀測到的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，學(xué)生再對電路進(jìn)行分析，更容易理解電路原理，即當(dāng)開關(guān)S置于“1”位時(shí)，5腳電位逐步上升，10個(gè)電壓比較器依次輸出低電平，10個(gè)LED燈逐一點(diǎn)亮；當(dāng)開關(guān)S置于“3”位時(shí)，5腳電位逐步下降，10個(gè)電壓比較器依次輸出高電平，10個(gè)LED燈逐一熄滅。改變電容器C的電容量和電阻R1的電阻值，10個(gè)LED燈點(diǎn)亮或熄滅的速度不一致，這實(shí)質(zhì)上是改變了電阻電容值，從而改變了電容器的充放電時(shí)間。學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)，能夠清楚地認(rèn)識(shí)電容器放電演示器的電路原理。

4 結(jié)束語

在“集成電路應(yīng)用”教學(xué)過程中，借助Proteus仿真軟件，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”能夠活躍課堂氣氛，豐富教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得了學(xué)習(xí)樂趣和成就感，掌握了知識(shí)和技能。當(dāng)然只借助虛擬軟件對“集成電路應(yīng)用”課程進(jìn)行仿真教學(xué)，還不能完全實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，還必須讓學(xué)生接觸實(shí)際的產(chǎn)品，安排學(xué)生裝配、調(diào)試、維修典型電路產(chǎn)品，使學(xué)生真正掌握集成電路知識(shí)和技術(shù)。

[1]陳應(yīng)華,李玉璋.Proteus仿真軟件在集成電路應(yīng)用課程教學(xué)中的實(shí)踐[J].電子世界,2013（10）：175-176.

[2]陳應(yīng)華.常用集成電路應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2013:121-128.

[3]劉偉.PROTEUS在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2008.

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[5]胡中玉，岳強(qiáng)，任杰，等.基于 Proteus仿真的電工電子課程教學(xué)創(chuàng)新［J］.實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與管理，2016(4):128-130.