集成电路的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇集成电路的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：技工院校 电力拖动 校本课程 开发

目前，我国正在进行产业结构调整和技术升级换代，企业对用工提出了更高的要求。拥有高技能、良好的社交能力的高素质人才，越来越受到企业和社会欢迎。技工院校作为培养高素质技能人才的主体，必须以能力为本位，切实提高学生的综合职业能力。当前，相当多的技工院校在课程设置方面，没有充分体现这一要求，还存在重理论与知识传授、轻实践与综合能力培养的倾向，制约了学生的能力培养与发展。一体化校本课程开发作为技工院校一体化教学改革的重要组成部分，越来越受到业界的重视。笔者就电力拖动控制线路与技能训练一体化校本课程的开发，谈谈自己的看法。

一、开发思路

电力拖动控制线路与技能训练作为专业技能课，在电子电工类各专业，如电子技术、自动化电气安装与维修等专业中，是一门十分重要的课程，具有针对性强、可操作性强的特点，开发该校本课程也是一体化教学改革的需要。

该一体化课程的开发以国家职业标准为依据，以维修电工的综合职业能力为培养目标，以电力拖动的典型工作任务为载体，以学生为中心，并根据典型工作任务和工作过程制定一体化课程体系和内容。要从对工作岗位的分析出发，进行工作任务分析，确定工作领域要求，并转化为电力拖动控制线路与技能训练一体化校本课程的目标，再根据课程目标确定课程结构与内容及其评价方式。因此，课程的开发就要以电力拖动的典型工作任务为载体，对中、高级维修电工的相关工作领域及工作要求进行分析，确定其对知识结构、技能操作水平、工作态度等方面的要求，整合为课程的目标，从而构建课程结构，组织课程内容，确定课程评价体系。

一体化课程的开发是一个系统工程，需要各方面通力支持和协助。学院领导主要在办学方向、政策、课程开发的条件等方面提供保证，专业教师是校本课程开发的参与者、实施者。为保证课程的方向，真正做到“理实融合”“知行合一”，还应该搞好校企合作。如笔者所在学院与上海爱登堡电梯有限公司建立了长期的校企合作关系，并根据其岗位需求，定向培养电梯维修工，取得了良好效果。该校本课程的开发还应建立在教师、学生、图书资料、实验实训设备、校企合作等教学资源的基础之上。

二、开发步骤

1.课程目标

紧紧围绕现代企业对技能人才的岗位要求，结合电力拖动控制线路一体化课程的专业概况、职业能力、培养方案、教学资源和评价体系的规范性要求，制定课程目标。课程目标要在工作岗位分析的基础上，进行转换和整合，使其适应岗位需求，符合学生身心发展的规律，考虑学生职业发展的需求。

据此，电力拖动控制线路与技能训练校本课程的目标可确立为：

（1）知识目标：熟悉常用低压电器的功能、结构及工作原理，了解电气控制线路电路图、接线图、布置图的特点，掌握绘制、识读的原则，了解常用生产机械的主要结构及运动形式，熟悉其工作原理，熟悉变频器基本结构、功能、工作原理以及常用电力电子器件，了解常用电气设备的工作原理及使用方法。

（2）技能目标：能正确使用、识别和检测常用低压电器，会读识和分析电气控制线路、接线图、电路方框图，掌握实现异步电机的启动、正反转、制动和调速控制线路、位置往返控制、顺序控制、多地控制线路的构成工作原理及其安装、调试与维修方法，掌握常用生产机械电气控制线路的分析方法及其安装、调试与维修，熟悉变频器的选用、安装方法及常见故障的排除方法，掌握变频调速系统的调试步骤和方法。

（3）情感态度目标：具有良好的工作方法、作风和职业精神与素养，具有安全生产、产品质量意识、良好的团队精神和与人沟通的协作意识，具有认真、踏实的学风和创新意识。

2.课程内容

内容的确定是校本课程开发中十分重要的环节。既要符合典型工作任务的要求，理论与实践融合，适应学生综合能力提高的需求和职业资格的要求，又要考虑学生原有的知识背景、技能水平、认知特点，以及学校、社会的教学资源，有利于激发学生学习知识、钻研技能的积极性，有利于提高学习效率。

因此，该一体化课程的内容应以符合典型工作任务、行业岗位特征的教学项目的形式出现，并将其拆分为具体的多个任务，进而在任务中揉入知识探究、方法介绍、技能训练、总结评价等环节，使同学在做中学、学中做，达到知行合一、态度养成、综合职业能力提高的良好效果。

该课程拟分安全用电、交流电源、低压电器、电动机，电气控制线路原理、安装、调试与维修方法，以及变频器知识及其日常维护、故障的排除六个项目，内容覆盖电力拖动控制线路与技能训练的理论知识和基本技能。

3.实施要求

电力拖动控制线路与技能训练一体化课程，是把企业岗位的工作过程设计为学生的学习过程，并且在模拟工作情景中实施、展开。因此，与传统学科式教学相比，对教师、教学环境、教学方式、方法、评价方式等方面都提出了较高的要求。

在该一体化课程教学过程中，教师扮演作多种角色，既应该是拥有“双师型”能力的教师，又是生产、学习的组织者与管理者。教学环境既是学生学习的场所，又是学生实践的场所，教室即实训车间，书桌即工作台 ，讲台即演示台，因此相应场所、设备应具备实训车间的功效。教学方法在一体化课程中至关重要，方法得当才能效果良好、事半功倍，包含项目设计、项目实施、项目评价等环节的项目教学法是被实践证明了的切实可行、效果良好的方法。

作为一体化教学的一个重要组成部分，该课程评价体系的确定十分重要。它应该客观地反映知识、技能和情感态度目标与教学方法的创新，既有对学生学习具有甄别、导向、激励的作用，也要有促进其自我学习、增强与人沟通、培养团队精神等的功效。因此，教学中宜采取分组实施的学习方式，项目任务完成后又通过自评、互评、师评，填写考核评价表的方式，作为该一体化教学效果的评价与反馈。

表1 考核评价表

班级 时间 场地

项目：

考核评分 学生自评 学生互评 老师评价

知识、技能 熟悉原理（10）

工艺要求（10）

装接线正确（30）

过程、方法 步骤合理（10）

规范操作（10）

情感态度 职业态度（10）

与人沟通（10）

团队协作（10）

总评分

学生（签名）： 组别 工位号码 老师（签字）：

参考文献：

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关键词：集成电路工艺原理；教学内容；教学方法

作者简介：汤乃云（1976-），女，江苏盐城人，上海电力学院电子科学与技术系，副教授。（上海?200090）

基金项目：本文系上海自然科学基金（B10ZR1412400）、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（10110502200）资助的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0046-01

微电子产业的快速发展急需大量的高质量集成电路人才。优秀的集成电路设计工程师需要具备一定工艺基础，集成电路工艺设计和操作人员更需要熟悉工艺原理及技术，以便获得性能优越、良率高的集成电路芯片。因此“集成电路工艺原理”是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业课程，其主要内容是介绍VLSI制造的主要工艺方法与原理，培养学生掌握半导体关键工艺方法及其原理，熟悉集成电路芯片制作的工艺流程，并具有一定工艺设计及分析、解决工艺问题的能力。课程的实践性、技术性很强，需要大量的实践课程作为补充。但是超大规模集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，运转与维护费用很大，国内仅有几所大学拥有供科研、教学用的集成电路工艺线或工艺试验线，很多高校开设的实验课程仅为最基本的半导体平面工艺实验，仅可以实现氧化、扩散、光刻和淀积等单步工艺，而部分学校仅能开设工艺原理理论课程。所以，如何在理论教学的模式下，理论联系实践、提高教学质量，通过课程建设和教学改革，改善集成电路工艺原理课程的教学效果是必要的。如何利用多种可能的方法开展工艺实验的教学、加强对本专业学生科学实验能力和实际工作能力以及专业素质的培养、提高微电子工艺课程的教学质量，是教师所面临的紧迫问题。

一、循序渐进，有增有减，科学安排教学内容

1.选择优秀教材

集成电路的复杂性一直以指数增长的速度不断增加，同时国内的集成电路工艺技术与发达国家和地区差距较大，故首先考虑选用引进的优秀国外教材。本课程首选教材是国外电子与通信教材系列中美国James D.Plummer著的《硅超大规模集成电路工艺技术—理论、实践与模型》中文翻译本。这本教材的内容丰富、全面介绍了集成电路制造过程中的各工艺步骤；同时技术先进，该书包含了集成电路工艺中一些前沿技术，如用于亚0.125μm工艺的最新技术、浅槽隔离以及双大马士革等工艺。另外，该书与其他硅集成电路工艺技术的教科书相比，具有显著的两个优点：其一是在书中第一章就介绍了一个完整的工艺过程。在教学过程中，一开始就对整个芯片的全部制造过程进行全面的介绍，有且与学生正确建立有关后续章节中将要讨论的各个不同的特定工艺步骤之间的相互联系；其二是贯穿全书的从实际工艺中提取的“活性”成分及工艺设计模拟实例。这些模拟实例有助于清楚地显示如氧化层的生长过程、掺杂剂的浓度分布情况或薄膜淀积的厚度等工艺参数随着时间推进的发展变化，有助于学生真正认识和理解各种不同工艺步骤之间极其复杂的相互作用和影响。同时通过对这些模拟工具的学习和使用，有助于理论联系实际，提高实践教学效果。因而本教材是一本全面、先进和可读性强的专业书籍。

2.科学安排教学内容

如前所述，本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理，并具有一定的工艺设计和分析能力。本课程仅32学时，而教材分11章，共602页，所以课堂授课内容需要精心选择。一方面，选择性地使用教材内容。对非关键工艺，如第1章的半导体器件，如PN二极管、双极型晶体管等知识已经在前续基础课程“半导体物理2”和“半导体器件3”中详细介绍，所以在课堂上不进行讲授。另一方面，合理安排教材内容的讲授次序。教材在讲授晶片清洗后即进入光刻内容，考虑工艺流程的顺序进行教学更有利于学生理解，没有按照教条的章节顺序，教学内容改变为按照清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、薄膜淀积、刻蚀、后端工艺、工艺集成等顺序进行。

另一方面，关注集成电路工艺的最新进展，及时将目前先进、主流的工艺技术融入课程教学中，如在课堂教学中介绍INTEL公司即将投产的采用了22nm工艺的代号为“Ivy Bridge”的处理器等。同时，积极邀请企业工程师或专家开展专题报告，将课程教学和行业工艺技术紧密结合，提高学生的积极性及主动性，提高教学效果。

3.引导自主学习

半导体产业正飞速发展，需要随时跟踪集成电路制造工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战，给学生布置若干集成电路工艺发展前沿与技术动态相关的专题，让学生自行查阅、整理资料，每一专题选派同学在课堂上给大家讲解。例如，在第一章讲解集成电路工艺发展历史时，要求同学前往国际半导体产业规划网站，阅读最新年份的国际半导体技术发展路线图，完成如最小特征指标、工作电压等相关技术指数的整理并作图说明发展趋势等。这样一方面激发了学生的求知欲，另一方面培养学生自我学习提高专业知识的能力。

二、丰富教学手段，进行多样化、形象化教学

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关键词：数字频率计 EDA VHDL 波形仿真

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0135-03

1 引言

传统的设计方法是基于中小规模集成电路器件进行设计（如74系列及其改进系列、CC4000系列、74HC系列等都属于通用型数字集成电路），而且是采用自底向上进行设计。现代电子设计技术的核心的发展方向是基于计算机的电子设计自动化技术，即EDA（Electronic Design Automation）技术[1]。EDA技术减轻了设计人员的工作强度，提高了工作效率，缩短了产品的研发周期，是电子设计技术的一个巨大进步。超高速集成电路硬件描述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language， VHDL）语言是EDA设计中一种重要的仿真语言，具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下和基于库的设计的特点，被广泛的应用于CPLD/FPGA的设计中。

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系[2，3]。数字频率计是一种基本的测量频率的电子仪器，广泛应用于航天、电子、测控等领域。采用常规数字电路设计数字频率计，所用的器件较多、连线比较复杂，而且存在延时较大、测量误差较大、可靠性低等缺点。本文研究了基于EDA的数字频率计电路的设计方法，介绍了数字频率计的相应模块，并开展了相应的仿真实验。

2 数字频率计的设计原理

2.1 VHDL语言与软件仿真平台

VHDL出现于1982年，是一种针对于电路设计的高级语言。VHDL语言用于描述硬件电路，已经成了一种通用的硬件设计交换媒介[4]。该语言相比于其他语言具有对硬件的描述能力强、覆盖面广、语言精炼简洁、可读性强等特点，并且，VHDL支持支持模块化设计，缩短了开发的周期。

MAX+PLUSⅡ可编程逻辑开发软件是Altera公司推出的第三代PLD 开发系统，该软件提供了全面的逻辑设计能力，包括电路图、文本和波形的设计输入以及编译、逻辑综合、仿真和定时分析以及器件编程等诸多功能。具有包括开放式的界面、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库在内的突出优点。其系统界面如图1所示。

2.2 设计基本原理

数字频率计的基本设计原理是选取一个频率稳定度较高的频率源作为基准频率，对比测量其他信号的频率，计算每秒内待测信号的脉冲个数。我们从MAX+PLUSⅡ实验台输入两个不同的时钟频率，其中一个作为基准频率（这里选取的是1HZ的CLK信号），另一个作为待测频率，经过相应的分频或倍频后，通过频率计计算出待测频率的频率值。由于本次设计的数字频率计采用1HZ的时钟频率作为基准频率，因此，我们需要计算1秒钟时基内待测信号整形后脉冲的个数，相应的计算结果即为当前频率值，并用十进制数码管显示最终结果[5，6]。

本频率计是8位十进制数字频率计，由四个模块构成：控制模块，有时钟使能的十进制计数器模块，锁存器模块和译码显示模块。数字频率计系统组成方框图如图2所示。

在上图中出现了三个重要的控制信号，分别是计数控制信号、锁存信号和清零信号。其中，计数控制信号是长度为1秒的高电平脉冲周期信号，可以对频率计的每一个计数器的使能端进行同步控制。实验中，当计数控制信号为高电平时开始计数；低电平时停止计数，并保持所计的数；锁存信号的上升沿到来时，将计数器在前一秒钟的计数值锁存在锁存器中，并控制显示模块显示当前数；锁存计数值后，由清零信号清除计数模块中的值。

3 模块实现

根据上述描述，数字频率计包含了控制模块，计数器模块，锁存器模块和译码显示共四个模块。下面我们将分别介绍这四个模块，并且给出其中最核心模块控制模块的设计程序。

3.1 控制模块

控制模块是本频率计设计的核心模块，既要求对频率计的每一个计数器的使能端进行同步控制，又要求能产生锁存信号将计数值记录到锁存器中。由此，利用VHDL语言设计该控制模块如下，仿真波形如图3所示。

3.2 其他模块

计数模块是对被测频率信号进行频率计数测量的模块，由8个一位十进制计数器级联组成，当时钟使能输入端为高电平时，进行计数，反之，锁定计数值。

我们可以先通过VHDL语言编写1个一位十进制计数器，再将其原件化后搭建成八位十进制计数模块。锁存模块由锁存器构成，当锁存信号的上升沿到达后信号被锁存到寄存器的内部，并由锁存器的输出端输出。译码显示模块对四位BCD码进行锁存，并转化为相应的三组七段码，用于驱动数码管，译成能在数码管上显示的相对应的数值。

根据本节所描述的各模块的基本原理，我们分别用VHDL语言进行编程实现，下一节将给出数字频率计的仿真结果。

4 仿真结果

在MAX+plus II的原理图编辑窗口的空白处双击，将弹出“Symbol”窗口，点击左侧的元件库栏中的Project项，选择刚才第3部分中生成的各个功能模块，再点击下方的OK，即可将此元件调入原理图编辑窗口中，并根据各模块功能和频率计的功能进行连接并生成顶层电路文件，如图4所示。

数字频率计的最终仿真波形如图5所示。实验验证了上述设计的正确性。

5 结语

本文基于EDA技术设计了数字频率计，描述了各模块的基本原理，用VHDL语言编程实现，并在MAX+PLUSⅡ软件上进行设计仿真，给出了最终的仿真实验结果。需要指出的是，用户可以在基本电路模块的基础上，修改VHDL源程序达到增加新功能的目标，例如由目前的8位增加到16位，改变基础频率的输入等，而不必更改硬件电路。

参考文献

[1]李晓辉.数字电路与逻辑设计[M].国防工业出版社，2012年.

[2]郭小东.基于VHDL语言的数字频率计电路的设计[J].信息与电脑（理论版），2009，7：064.

[3]潘明.基于复杂可编程逻辑器件的数字频率计设计[J].广西科学院学报，2002，18（4）：244-251.

[4]齐京礼，宋毅芳，陈建泗.VHDL语言在FPGA中的应用[J].微计算机信息，2006，22（12）： 149-151.

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1CDIO工程教育理念

 

CDIO工程教育模式，是由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所大学共同创立的工程教育改革模式。是近年来国际工程教育改革的最新成果，CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)、运作(Operate)4个英文单词的缩写，以产品从研发到运行的生命周期为载体让学生以主动的、实践的、与课程之间有机联系的方式学习掌握知识&-4。迄今已有几十所世界著名大学加入了CDIO国际组织，这些学校采用CDIO工程教育理念和教学大纲开展教学实践，取得了良好的效果。

 

2存在的问题与课程建设思想

 

微电子技术研究的中心问题是集成电路的设计与制造,将数以亿计的晶体管集成在一个芯片上。微电子技术是信息技术的基础和支柱，是21世纪发展最活跃和技术增长最快的高新科技，其产业已超过汽车工业，成为全球第一大产业。微电子工艺课程主要介绍微电子器件和集成电路制造的工艺流程，平面工艺中各种工艺技术的基本原理、方法和主要特点。其课程建设思想是使学生对半导体器件和半导体集成电路制造工艺及原理有一个较为完整和系统的概念，掌握当前微电子芯片制作的工艺流程、主要设备、检测方法及其发展趋势^7]。

 

但目前该课程教学中存在较多问题，教学效果不佳，主要有如下几点：(1)教材陈旧，没有较适合的双语教材，难以适应跨国际的微电子制造工艺新技术的快速发展;(2)教学内容信息量大，在教学时间短、内容多的情况下，教师难以合理安排教学进度;(3)在课程设置上重理论轻实践，技术性和实践性的内容较少，与迅速发展的工业实际脱节;(4)教学方法单一,理论联系实际不紧密，不利于学生课堂积极性的提高与创造性的发挥“5)实践教学环境较差，由于微电子工艺设备十分昂贵，有待加强高校精密贵重仪器设备和优质实验教学资源共享平台和运行机制的建设;(6)教评形式单一，忽略了实践教学与考核，致使大多数学生只是死记硬背书本知识的学习方式来应付考试。

 

3微电子工艺的课程建设

 

3.1教材选取及教学内容改革

 

本课程教材选用经历了《芯片制造一半导体工艺制程实用教程》、《现代集成电路制造工艺原理》到目前的首选教材：国外电子与通信教材系列中，美国MichaelQiurk和JulianSerda著《半导体制造技术》韩郑生的中文翻译本。该书不仅详细介绍芯片制造中的每一关键工艺，而且介绍了支持这些工艺的设备以及每一道工艺的质量检测和故障排除;并吸收了当今最新技术资料，如用于亚0.25pm工艺的最新技术:化学机械抛光、浅槽隔离以及双大马士革等工艺;内容丰富、全面、深入浅出、直观形象、思考习题量大，并附有大量的结构示意图、设备图和SEM图片，学生很容易理解，最主要的相对前两本教材,它更加突出实际工艺，弱化了较抽象的原理。

 

教学内容上采取调整部分章节，突出教学重点，并适当增减部分教学内容。本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理，并具有一定的工艺设计和分析能力,课程仅32学时，而教材分20章,600页，所以教师需要精选课堂授课内容。从衬底制备、薄膜淀积、掺杂技术到图形加工光刻技术以及布线与组装,所涉及的概念比较多，要突出重点：薄膜淀积(氧化、蒸发、溅射、MOCVD和外延等)，光刻与刻蚀技术、掺杂技术，需章节调整系统整合;对非关键工艺的5~8章(介绍半导体制造中的化学药品、污染及缺陷等内容)只作为学生课后自学阅读。第2章的半导体材料特性已在“固体物理”课程中详细介绍，第3章的器件技术已在‘‘半导体物理“晶体管原理”课程中介绍，第20章装配与封装会在“集成电路封装与测试”课程中介绍，故无需重复讲解。将第9章集成电路制造工艺概况放在后面串通整过工艺讲解，即通过联系单项工艺流程,具体分析讲解典型的CMOS芯片制造工艺流程,如由n-MOS和p-MOS两个晶体管构成的CMOS反相器，这样能够加深对离子注入、化学气相淀积、光刻关键技术、集成电路的隔离技术以及VLSI的接触与互连技术等内容的理解。

 

另一方面，指导学生查阅相关资料，对教材内容作必要的补充，微电子工艺技术的发展迅速，因此需要随时跟踪微电子工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战。特征尺寸为45nm的集成电路已批量生产，高K介质/金属栅层叠结构、应变硅技术已采用。而现有的集成电路工艺教材很少能涉及到这些新技术，为了防止知识陈旧，应多关注集成电路工艺的最新进展，尤其是已经投入批量生产的工艺技术，及时将目前主流的工艺技术融入课程教学中。

 

3.2教学方法的改革

 

(1)开发多媒体工艺教学软件，利用多媒体技术，将动画、声音、图形、图像、文字、视频等进行合理的处理，利用大量二维和三维的多媒体图片、视频来展示和讲解复杂的工艺构造过程。开发图文声像并茂的微电子工艺多媒体计算机辅助教学软件，给学生以直观、清楚的认识，有助于提高教学质量。

 

(2)微电子工艺综合共享实验平台建设，集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，运转与维护费用很大，国内仅部分高校拥有集成电路工艺试验线或部分实验分析设备。按照有偿服务或互惠互利原则共享设备仪器资源，创建各院校之间和与企业之间的“微电子工艺综合共享实验平台”可极大的提高集成电路工艺及其实验课程教学效果，即解决了一些院校资金短缺问题，同时也部分补偿了大型设备的日常使用和维护费用问题。其综合共享实验平台包括金属有机化合物MOCVD沉积技术、分子束外延、RF射频磁控溅射、XPS、XRD及AFM分析测试、光刻、离子注入等涉及投资巨大的仪器设备实验项目。

 

(3)拓展实践能力的校企合作，让学生带着理论知识走进企业的真实工程环境，探索利用企业先进的工艺线资源进行工艺实验教学与参观实习6-9]。参观实习能够使学生对集成电路的生产场地,超净环境要求具有深刻的感性认识，对单晶硅制造流程、芯片制造工艺过程以及芯片的测试和封装的了解也更加系统和全面。同时利用假期安排学生去企业实习，让学生参与企业的部分生产环节，亲身感受实际工艺生产过程，增加学生对企业的了解，也利于企业选拔优秀学生。

 

(4)工艺视频与工艺实验辅助教学，由于微电子工艺内容与生产密切结合，不能单靠抽象的书本知识教学，对于学生无法了解到的一些工艺实验与设备，可通过录像教学来补充。本学院购置了清华大学微电子所的集成电路工艺设备录像与多媒体教学系统，结合国外英文原版的工艺流程视频,通过工艺视频把实际工艺流程、设备和设备操作等形象地展示在课堂。多媒体教学系统提供了氧化、扩散和离子注入三项工艺设备操作模拟，可使学生身临其境地对所学的基本工艺进行简单的模拟。同时结合课堂教学开设半导体平面工艺实验，主要包括以：氧化、光刻、扩散、蒸铝、反刻、划片、装架、烧结、封装。实验以教师讲解与学生动手相结合，既培养了学生的实际动手能力，又使学生掌握了科学分析问题的方法，激发了学生的学习兴趣,加深学生对课堂理论知识的理解。

 

3.3多元化的考核评价体系

 

对学生的考核是对其具体学习成果的度量，也是检验教学改革成效的重要手段，为了更科学合理的考核学生，我们建立了多元化的更加注重过程参与的考试评价体系，降低了期末考试在总成绩中所占比例，最大限度避免学生靠死记硬背来应付考试和学生创新思维被抑制、高分低能现象产生。这种多元化、过程性的成绩评定方法，强调知识的积累与构建过程，消除了学生重理论轻实践,考前死记硬背应付考试的弊病。总评成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分构成。但加大平时成绩的权重,平时成绩即包括了作业与考勤，还包括综合性实验成绩、设计仿真、国外工艺视频翻译、专题小论文和专题PPT论坛团队成绩等。同时在期末考题中增加openanswerquestion型、工艺过程设计型题目110-11。

 

4结语

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关键词：数字集成电路；应用；前景

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4476-02

集成电路从60年代开始发展至今，其规模大致上遵照摩尔定律发展[1]，即芯片上的晶体管数目每隔18个月就翻一番或每三年翻两番。目前单个的芯片上已能够制作上百万个晶体管的一个完整数字系统或数/模混合的电子系统。集成电路的特征尺寸已发展至纳米水平。伴随着数字集成电路技术的越来越成熟，它于人们的生产以及生活中的应用也越来越广泛，对数字集成电路在生活应用中的进一步探究也就越来越有必要。该文将从数字集成电路的基本结构和分类这些方面对其原理进行比较详细的介绍，然后重点讨论和探究它的实际应用，最后将结合数字集成电路在生活当中的实际应用设计出一个利用数字集成电路原理制成的流水灯。

1 数字集成电路的基本原理

数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统[2]。

数字集成电路基本电路符号如图1所示，它有输入、输出、电源和接地四个端口。数字集成电路具有静态特性以及开关特性，表示静态特性的参数有输入电压、输出电压、输入电流和输出电流等。

图1 数字集成电路基本电路符号

集成电路正常工作的时候，输入电压有高电平输入电压和低电平输入电压，使用最小值表示，表示能判断高电平的最低输入电压，因此，在高电平给定时，需高于的电压，用最大值表示，表示能判断低电平时的最大输入电压，因此，在低电平输入电压给定时，需低于的电压。

输入电流有高电平输入电流和低电平输入电流，都是表示集成电路输入端加上电压时，流经输入端的电流。其中表示输入端加上最大输入电压时的电流，表示输入端加上规定高电平输入电压时的电流，表示输入端加上规定低电平输入电压时的电流。CMOS输入电流几乎等于0，因此，只用表示。集成电路的输入电流随类型不同而不同。

2 数字集成电路应用

2.1 多路自动巡检控制器

在一些电子仪表较密集的工业控制和自动检测系统中，经常会使用多台同种检测控制仪表，对不同的处所和位置进行检测和控制。为了达到对这些仪表的集中监测的目的，通常会采用一台多路自动巡检控制器。它能对被控通道自动巡检，并将被控通道用数字显示器显示出来。它既可以作为自动巡检，又可以转换为手动巡检，使用起来相当的方便。

电路组成，它主要由脉冲发生器、计数器、通道转换器和通道显示器等组成。

2.2 绕线机电子计数器

普通的绕线机一般采用机械传动的指针式计算器来进行计数，由于存在传动齿轮的磨损和固有机械间隙，有时很难做得到准确计数。接下来要介绍的电子计数式绕线机，则采用了接触式的光电传感器来触发电子计数器进行计数，所以准确度比较高。此外，由于使用了具有加减功能的电子计数器，所以在绕线过程中出现纠错重绕的时侯，计数器仍然能够对实际绕组数进行加减，它的计数精确度高，使用方便。

在绕线轴加装的圆盘上有一个长孔，该孔与光电传感器对应，当绕线机旋转时，每转一周，光电传感器就被触发一次。先被触发的传感器进行加减识别功能，后被触发的传感器则输出计数脉冲。

2.3 数字集成电路在军事方面的应用

自从20世纪60年代第一块集成电路问世以来，以集成电路为核心的微电子技术发展迅速，并促进了通信技术、计算机技术和其他电子信息技术的快速发展，对人类社会的经济繁荣、社会进步、国防建设及日常生活都产生巨大影响[3]。

战术通信指在作战地域内指挥一个战役或战斗所使用的通信，主要是无线通信。目前，新军革以信息化为核心的，作为各作战分队的连接纽带，战术通信的关键性作用日渐彰显。和其他的电子设备相同，微电子器件也大量应用在战术通信装备中，微电子技术在战术通信的发展过程中发挥着至关重要的推动作用[4]。在战术通信装备里，嵌入式微处理器、数字信号处理器和可编程逻辑器件是一种重要的数字集成电路。嵌入式微处理器用来完成整机的主控和运行各种应用软件，数字信号处理器用来完成运算流程复杂的基带数字信号处理，可编程逻辑器件用来完成对运算能力要求较高的中频数字信号处理。

2.4 基于数字集成电路的交通灯

随着经济社会的到来，各国的车辆数量也不断上涨，这就势必带给城市交通不少难题，例如：交通堵塞日益严重，交通事故不断增加，交警任务更加繁重等等。为了解决这些的困难，我国以及国外都加快了在交通事业方面的研究步伐，尤其是在控制交通信号灯方面。下面将介绍的就是数字集成电路在交通灯中的使用。

数字集成电路在交通信号灯控制器中的使用原理：

交通灯控制器主要包括显示器、上控制器、计数器、信号发生器、译码电路和置数器，首先上控制器接收特殊状态命令或者接收清零命令，一方面显示在显示器上，一方面发出信号至信号灯译码驱动电路，即南北大道信号或者东西大道信号，一方面发出信号至置数器，接着计数器综合考虑置数器的信号和时钟信号发生器发出的信号，把信号传送给译码器，最后显示在显示器上。

一般十字路口的交通情况和主控制器的设计关系为：

1）当东西大道通行时，绿灯亮，南北大道禁行，红灯亮，时间延迟为40秒：

2）当东西南北大道都禁行时，东西大道黄灯亮，时间延迟为5秒；

3）当东西大道禁行时，红灯亮，南北大道通行，绿灯亮，时间延迟为30秒：

4）当东西南北大道都禁行时，南北大道黄灯亮，时间延迟为5秒。

然后就是回到第一种情况开始循环执行。我们可以把这四种状态分别设为：S=000，S=001，S=010，S=011，另若有特殊情况，如遇到交通事故，警车或者救护车通过，其对应状态设为S=l00，根据以上的状态分析，我们可以用两片74LSl92来实现这样的功能。

3 总结

本文首先对数字集成电路意义和原理进行了介绍，接着重点阐述了许多在我们的工、农业以及生活上基于数字集成电路的一些应用，例如绕线机电子计数器、交通灯等。随着社会的不断进步，科技的不断腾飞，越来越多的先进设备将会运用到我们的生活当中，未来我们将会见到更多数字集成电路产品在我们生活当中的应用，便利我们的生活。数字集成电路虽然只是一个元件，但是将他创造性地应用于产品制作时，它将变成又一件便利我们生活的新产品。因此，想为我们的生活设计一些新颖舒适的产品，那么我们也必须首先懂得它的内在含义和广泛应用。

参考文献：

[1] Moore G E.Cramming more components onto integrated circuits[J]. Electronics，1965，38（8）：114-117.

[2] 王红.集成电路技术发展动态[J].微电子学，2007，37（4）：515-522.

篇6

关键词：量子阱；器件；红外探测器；激光器；

1 引言

量子阱器件，即指采用量子阱材料作为有源区的光电子器件，材料生长一般是采用MOCVD外廷技术。这种器件的特点就在于它的量子阱有源区具有准二维特性和量子尺寸效应。二维电子空穴的态密度是台阶状分布，量子尺寸效应决定了电子空穴不再连续分布而是集中占据着量子化第一子能级，增益谱半宽大为降低、且价带上轻重空穴的简并被解除，价带间的吸收降低。

2 量子阱器件基本原理

2.1 量子阱基本原理[1]

半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构.以GaAs／AlAs半导体超晶格的结构为例:在半绝缘GaAs衬底上沿[001]方向外延生长500nm左右的GaAs薄层，而交替生长厚度为几埃至几百埃的AlAs薄层。这两者共同构成了一个多层薄膜结构。GaAs的晶格常数为0.56351nm，AlAs的晶格常数为0.56622nm。由于AlAs的禁带宽度比GaAs的大，AlAs层中的电子和空穴将进入两边的GaAs层，“落入”GaAs材料的导带底，只要GaAs层不是太薄，电子将被约束在导带底部，且被阱壁不断反射。换句话说，由于GaAs的禁带宽度小于AlAs的禁带宽度，只要GaAs层厚度小到量子尺度，那么就如同一口阱在“吸引”着载流子，无论处在其中的载流子的运动路径怎样，都必须越过一个势垒，由于GaAs层厚度为量子尺度，我们将这种势阱称为量子阱.

当GaAs和AlAs沿Z方向交替生长时，图2描绘了超晶格多层薄膜结构与相应的的周期势场。其中a表示AlAs薄层厚度(势垒宽度)，b表示薄层厚度(势阱宽度)。如果势垒的宽度较大，使得两个相邻势阱中的电子波函数互不重叠，那么就此形成的量子阱将是相互独立的，这就是多量子阱。多量子阱的光学性质与单量子阱的相同，而强度则是单量子阱的线性迭加。另一方面，如果两个相邻的量子阱间距很近，那么其中的电子态将发生耦合，能级将分裂成带，并称之为子能带。而两个相邻的子能带

之间又存在能隙，称为子能隙。通过人为控制这些子能隙的宽度与子能带，使得半导体微结构表现出多种多样的宏观性质。

2.2 量子阱器件

量子阱器件的基本结构是两块N型GaAs附于两端，而中间有一个薄层，这个薄层的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成，。

在未加偏压时，各个区域的势能与中间的GaAs对应的区域形成了一个势阱，故称为量子阱。电子的运动路径是从左边的N型区(发射极)进入右边的N型区(集电极)，中间必须通过AlGaAs层进入量子阱，然后再穿透另一层AlGaAs。

量子阱器件虽然是新近研制成功的器件，但已在很多领域获得了应用，而且随着制作水平的提高，它将获得更加广泛的应用。

3 量子阱器件的应用

3.1 量子阱红外探测器

量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年展起来的高新技术。与其他红外技术相比，QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且，利用MBE和MOCVD等先进工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料，容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此，量子阱光探测器，尤其是红外探测器受到了广泛关注。

QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁，并将从基态激发到第一激发态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程，实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数，使量子阱子带输运的激发态被设计在阱内(束缚态)、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态)，以便满足不同的探测需要，获得最优化的探测灵敏度。因此，量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。另外，由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量，因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。

3.2 量子阱在光通讯方面的应用

光通信是现代通信的主要方式，光通讯的发展需要宽带宽、高速、大容量的光发射机和光接收机，这些仪器不仅要求其体积小，质量高，同时又要求它成本低，能够大规模应用，为了达到这些目的，光子集成电路(PIC’S)和光电子集成电路(OEIC’S)被开发出来。但是，通常光子集成电路和光电子集成电路是采用多次光刻，光栅技术、干湿法腐蚀技术、多次选择外延生长MOCVD或MBE等复杂工艺，从而可能使衔接部位晶体质量欠佳和器件间的耦合效率低下，影响了有源器件性能和可靠性。

近20年来发展了许多选择量子阱无序或称之为量子阱混合(QWI)的新方法，目的在于量子阱一次生长(MOCVD-QW)后，获得在同一外延晶片上横向不同区域具有不同的带隙、光吸收率、光折射率和载流子迁移率，达到横向光子集成和光电子集成的目的，这样就避免了多次生长和反复光刻的复杂工艺。

4 结语

半导体超晶格和量子阱材料是光电材料的最新发展，量子阱器件的优越性使得它活跃在各种生产和生活领域。目前，在光通信、激光器研制、红外探测仪器等方面，量子阱器件都得到了广泛的应用。随之科学技术的不断进步，我们相信，半导体超晶格和量子阱材料必然在更多领域发挥其独特的作用。

参考文献

[1]陆卫，李宁，甄红楼等．红外光电子学中的新族—量子阱红外探测器［J］．中国科学，2009，39(3)：336～343．

杜鹏，周立庆．面向工程化应用的量子阱红外探测材料制备研究［J］．激光与红外，2010，40(11)：1215～1219．

毕艳军，郭志友，于敏丽等. P型GaMnAs/AlGaAs量子阱红外探测器研究［J］．激光与红外，2008，38(8)：784～786．

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关键词：数字锁相环；相位同步；温度控制；频率变换

中图分类号：TN752 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)02-046-02

Design of Temperature Frequency Conversion Circuit Based on Digital Phase Locked Loop

XIE Wancheng

(Loudi Vocational and Technical College,Loudi,417000,China )[HJ1*3][HJ]

[HJ*2]Abstract：The CC4046 integrated circuit phase locked loop uses the RC Voltage Controlled Oscillator(VCO),the exterior conjunction RC component of charge and discharge,the electric circuit is simple,the cost is inexpensive,the practical value is big,and widely used in the broadcast television system,several communications system,frequency synthesis system,automatic control and clock synchronization system.It overcomes these shortcoming such as low reliability and bad anti-interference to make use of integrated circuit phase locked loop constitutes to temperature frequency conversion circuit.For the accurate diagraph of temperature and need to carry on a temperature examination a control of the equipments provided a kind of viable electric circuit design a project.

Keywords：digital phase locked Loop；phase modulating synchronization；temperature control；frequency conversion

1 引 言

锁相的概念在20世纪30年代提出后，很快就被广泛地应用在电子和通讯领域中。使用锁相环PLL（Phase Locked Loop）电路的设备包括存储器、微处理器、硬盘驱动装置、射频无线收发器和光纤收发器等。近年来，集成电路的工作频率和片内集成的功能正以等比级数的速度增加，高性能的集成电路也被广泛地应用在高频无线通讯及光纤通讯中，这也意味着在同一个系统晶片内，同步的问题也变得更加复杂了。而数字集成锁相环路更有助于发展高性能和低成本的电子系统，高性能的锁相环频率控制系统在现代工业自动化、国防高精尖科技等领域有着越来越广泛的应用，其设计的合理性直接决定整个系统的精度。锁相环技术应用于应用于温度检测电路中，通过温度度传感器将温度的变化转变为频率的变化，可以用来精确测量温度或用于自动控制电路中调节机器的运转速度。

2 集成锁相环的基本原理

锁相环的主要任务是保证本机的振荡器产生的频率和相位与接收的基准信号频率和相位完全相同，使电路工作频率达到稳定。锁相环的基本组成如图1所示，其主要由相位比较器、低通滤波器、压控振荡器3部分组成。

3 系统结构及电路设计

3.1 集成锁相环的结构

如图2所示为采用了CMOS工艺的数字集成锁相环CC4060的内部结构及引脚图。其中，放大器A1对输入信号υi进行放大和整形。相位比较器（鉴相器）PC1仅由异或门构成，他要求两个相比较的输入信号必须各自是占空比为50%的方波；PC2是由边沿触发器构成的数字相位比较器，仅在2个相位比较的输入信号的上升沿起作用，与输入信号的占空比无关。

3.3 温控变频电路的设计

常见的温度控制系统，是先利用温度传感器将温度的变化转换为电阻中电流的变化，继而引起电压的变化，实现控制功能。虽然其实现容易，但是可靠性低，抗干扰能力差，本文力求解决这一问题。设计思路是将温度变化转换为频率变化加以控制，先借助温度传感器和数字集成锁相环电路把温度的变化转变为振荡器输出信号频率的变化，随着温度的渐渐升高，信号频率也随之慢慢改变，当达到设定温度时，频率也将确定。

将电压信号V变换成频率信号F在信号检测电路、现代通信中应用广泛，用锁相环电路能方便地实现V/F变换。根据压控振荡器的原理，在锁相环的输入端或VCO的电压控制端加一直流电压，则VCO的输出频率会随输入信号的瞬时电压变化而实现V/F变换。反之，也能实现F/V变换。图4就是根据这一原理实现的温度电压频率的信号变换电路。

在图4中，温度传感器AD590将检测温度（－50～125 ℃）变换成直流电流，经电阻分压后得到直流电压送入精密运放OP-07放大后输入到CC4060的第9脚，作为压控振荡器VCO的控制电压，从第4脚输出的频率信号f0与控制电压的大小对应成比例。因此，他也和温度传感器的直流电压VT成比例。R4和RP用于调整运放的输出电压，R5改变运放的增益。调整R1，Ct使VCO的固有频率fυ为10 kHz。逐点测量压控振荡器的电压控制曲线Vd和fυ；测量传感器AD590输出VTв胛露鹊墓叵担坏鹘朔OP-07的放大倍数，即可实现温度到频率信号的变换。

参 考 文 献

［1］蔡明生，黎福海，许文玉．电子设计［M］．北京：高等教育出版社,2004.

［2］沙占友．数字化测量技术与应用［M］．北京:机械工业出版社，2004.

［3］曹辉，胡俊，黄均鼐．数字式温度测量电路的设计及其实现［J］．微电子学报，2001(3).

［4］Razavi B.Monolithic Phase-locked Loops and Clock Recovery.IEEE Press，1996.

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关键词：电子线路；课程内容；学习实践

电子线路课程是铁道信号专业的一门重要专业基础课程。随着电子技术的发展，生产现场的电子设备急剧增加，对电子线路课程的教学内容提出了越来越多的要求，课时和课程内容逐年增多。对专业设备的研发、设计、制造、施工、维护、使用都起着必不可少的作用，新技术、新装备大量投入使用，设备、技术更新换代周期大大缩短，因此在内容和思想方法上，必须经过科学的论证和总结，使之更符合大的认识规律，且能充分体现知识内涵的思想体系和鲜明的导向性。作为一门独立的学科，《电子线路》教学必须适应铁路职业技术教育的特点，形成以电子技术基本理论和基本电路分析方法为主的完整课程体系。

一、电子线路课程的特点及教学方法

电子线路课程是一门应用技术课程，具有较强的理论性和实践性。学生普遍感觉电子线路课程内容多、理论深、分析繁琐、难懂、难记、难掌握。首先，各个电子器件是构成不同电路的核心部件，电路的形式和功能的变化，器件在不同条件下的应用，对于器件的原理、特性必须讲够、讲透。学生是在高中知识和学完《电路基础》课程基础上进行学习的，按照专业教学计划的要求，学生做到基本概念牢固掌握，基本原理、特性透彻理解，为进一步学习电路奠定坚实的基础。作为专业基础课，其学习的质量将直接影响后续专业课的学习心理和学习效果。在教学内容上，除讲清器件的结构、原理、特性和参数外，还要着重强调非线性器件加偏置，以及改变偏置可以控制其工作状态的条件、特点、变量关系特征和模型。传统的单一教学模式，难以适应新的形势要求，必须对电子线路课程的教学内容、教学方法、教学手段加以改革，在教学上还应包括作为典型有源电路的恒流源电路的组成、静态、动态特征和电路模型，因为恒流源主要体现了器件的基本原理和基本特征，反映了有电源电路代替无源元件这一趋势。

二、电子线路课程改革思路

电子线路课程内容是随着电子线路的发展而发展的，电子线路课程的内容随着知识的积累逐年增多，可随着微电子技术和计算机技术的发展，特别是单片机技术和嵌入技术的发展，生产现场的设备向集成化、小型化方向发展。电子线路课程的课时数、教学内容在压缩，课程体系还是对各种电路分门别类、就事论事、面面俱到，增加了教学负担。因此在内容和思想方法上，必须经过科学的论证和总结，使之更符合认识规律，且能充分体现知识内涵的思想体系和鲜明的导向性。关键不在于课程内容的包罗万象，而在于对学生系统的、基本的思维和操作的训练、培养，授之以渔。依据这一原则思想，结合教学特点，对本课程的教改，分器件和电路两个方面谈谈看法。

首先，电子线路课程要学习基本电子器件，在电路部分应改变过去那种过分强调电路功能以至于以此来分门别类划分课程章节的方式，这种体系对于某些高等院校以电路设计作为重要内容的教学或许是合适的。这部分内容要突出各种电子器件不同工作状态的条件、特点、应用这条主线。

而对高等职业技术教育而言，对于电路功能只要通过电路分析能够正确识别和区分就可以了。电子器件是有源、有极、非线性器件，由静态到动态，由分立元件到集成电路，使用中必须加偏置，不同的偏置，在电子器件和偏置电路在直流电源作用下，静态工作点的设置、稳定过程的分析与计算。可以使器件工作于不同的工作状态，其静态分析的原理和方法可归结为具有共性的电路静态分析方法，不同的工作状态具有不同的特性，应用于各种形式的电路。

要使学生熟练地掌握各种工作状态的条件、特点和应用。教学内容上更主要的是电路的原理和基本分析方法，对基本电子器件的结构、原理有所了解，基本电子器件的特性、参数要讲透并且深刻理解，按照循序渐进的原则和人的认识规律，对于电路分析、选择、使用器件以及不同型号器件的替代是必不可少的，反映电路原理和分析方法的内在联系，总结出具有共性的原理和分析方法，也是实际工作中分析和处理电子技术问题所必需的。

其次，电路的动态分析要突出三种组态这条主线。在电路的动态分析中，无论电路形式、如何变化，我们必须抓住三种组态来进行电路分类，三种组态是基于对基本电子电路深入理解和高度概括的总结，作为一种思想体系贯穿全课始终，有着深刻的内涵。这是基于对电子器件原理、特性，用三种组态的思维方式对学生进行思维方式的训练，使学生深刻认识和对电路原理的透彻理解，可以在基本电路、简单问题上，并且进一步在复杂电路中灵活运用，无论分立元件电路，还是集成电路的分析得以简化，避免了每种电路对应一种分析方法的复杂局面，这种方法能适应新知识的发展。

当然，三种组态电路也有局限性，三种组态蕴含于放大电路的两种输入、两种输出的基本概念（同、反相，高、低阻）和变量控制关系的变化形式，电路的动态工作过程和电路分析，由于电路形式、功能的差异，利用负反馈手段可以解决，反复运用三种组态的思维方式和分析方法，在电路分析上可用于估算多极负反馈应用的具体形式，定性描述对电路性能的影响。利用三种组态和反馈的概念加以分析，使学生在简单问题和简单电路上做到深刻理解，可以利用估算法定量进行电路分析，作为电路的性能指标反映电路的特性，无论是分立元件电路还是集成电路的分析都具有实用性，其分析方法不外乎图解法和等效电路法，要使学生熟练掌握反馈组态、极性的判别方法。进而在复杂问题和电路中自如应用，可以避免每种电路对应一种分析方法的复杂局面。

总之，高等职业技术教育培养学生职业技能不仅是专业课的任务，通过《电子线路》课程的教学改革，要从基础课做起，培养学生的创新能力要贯穿整个教学过程，使学生由被动地接受变为主动地学习，培养出高素质、创新型的合格人才，从而真正实现高职教育教学改革的目的，使高职教育得到进一步的提升和发展。

参考文献：

[1]朱相磊.电子线路课教学改革的研究与实践.安徽电子信息职业技术学院学报，2004（4）.

[2]王晓峰，王立梅.电子线路的故障诊断和测试点的选择.电子产品可靠性与环境试验，2001（4）.

[3]陆中石.对高职模拟电子技术课程教学的思考.今日科苑，2009（24）.

[4]刘静波.高频电子线路实践教学的建设和探索.电气电子教学学报，2006（4）.

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[关键词]555定时器；声光报警；发光二极管；凤鸣器

中图分类号： TP368 文献标志码： A 文章编号：

教育部最新颁布的职业学校《电子技术基础与技能教学大纲》中明确规定教材编写应以教学大纲为依据，教材内容应体现以就业为导向，以学生为本的原则，将电子技术的基本原理与生活生产中的实际应用相结合，注重实践技能的培养，注意反映电子技术领域的新知识、新技术、新工艺和新材料。

一、《电子技术》课程特点：

电子技术是一门理论和实践相结合的课程，应用性很强，但理论知识繁杂，概念抽象，造成了教与学双重困难。

二、我校《电子技术》课程教学现状：

我校以前的教学思路是先讲电子技术基础知识，课程结束后集中实训。目前职业学校的学生基础相对较差，学习能力欠缺，无法全面掌握课程的理论基础知识，不能详细地分析各种单元电路的工作原理，结果是大部分学生成了实训的旁观者，而所做实训也是“照葫芦画瓢”机械地完成实训内容，有的甚至实训后还不知道自己在做什么，解决的是什么问题，结果使学生失去了兴趣。

三、合理设置实训教学项目提高学生学习积极性：

我们根据学生年龄特点：形象思维能力强于逻辑思维能力。设计的实训内容考虑到实训现象的直观性：实训过程和结果尽可能通过声、光、电等体现。因为实训过程、结果可以帮助学生对电路原理的理解加深印象。通过声光控制开关实训项目的研发可以使实训内容更贴近生活，通过声光效果增强学生感官认识、提高学习兴趣。

四、采用项目教学法提高教学效果：

通过项目教学方法，将电子技术中模拟电路、数字电路理论知识与具体实训项目相结合。根据项目开发制作相应的教学装置，提高了学生对电子技术理论知识的学习兴趣，调动学生学习的主观能动性，使实践能力得到锻炼和提高，提高教学效果。

五、设置声光报警器实训项目的意义：

随着社会的发展，生活水平的提高，人民的防范意识正在增强，防盗报警器产品正应运而生，正在被很多的家庭所接受，所占的市场份额正在逐年递增，很多企业看到了它的巨大的发展空间都加入到了报警器研究的行列。

555定时器声光报警电路是一种防盗装置，在有情况时它通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫，同时报警的一种装置。

555定时器声光报警电路是利用两个555定时器组成的振荡电路，实现异步工作，使两个振荡器间隙振荡，这样蜂鸣器就会发出间隙的声响，发光二极管闪烁。

555定时器是数字电子技术的重要组成部分。

六、555声光报警器的组成和原理：

（一）555定时器

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名

1、555定时器的结构：

电路结构：555定时器主要由分压器三个5KΩ电阻、RS触发器、两个比较器C1、C2和放电三极管V组成，分压器为两个比较器提供比较偏压，其数值分别为UTH= U =

2、原理：2.工作原理

（1） 时， ，uo=0，V饱和导通。

（2） ， 时，C1=0、C2=1， 、Q=0，uo=0，V饱和导通。

（3） ， 时，C1=1、C2=1， 、Q保持不变，uo不变，V状态不变。

（4） ， 时，C1=1、C2=0， 、Q=1，uo=1，V截止。

（二）蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 蜂鸣器的结构原理：

1.压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

2.电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

（三）发光二极管

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

（四）555定时器声光报警电路

1 硬件组成

本电路包括555定时器、蜂鸣器、发光二极管等其它电子原件。

2 电路原理图

3、工作原理：

电路由两个555多谐振荡器组成，第一个振荡器的振荡频率为1～2Hz时，第二个振荡器的振荡频率为1000Hz。将第一个振荡器的输出（3脚）接到第二个振荡器的复位端（4脚）。在输出高电平时，第二个振荡器振荡；输出低电平时，第二个振荡器停振。这样，蜂鸣器将发出间隙声响。

七、调试方法：

用5V电源接上电路板，根据实验所需的要求旋转可调电阻，使得两个可调电阻的阻值达到所需要求，具体来说就是蜂鸣器和发光二极管能够按照所需要求进行工作。

参考文献：

（1）杨志忠《电子技术课程设计》机械工业出版社

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【关键词】边界扫描；电路板；测试；研究

0.前言

测试技术在电路板生产以及维修方面占据了重大的作用，组装电路板的高集成性以及印刷电路板的高密度性使得外接可测试的引脚越来越少，纳米级单元的出现对于传统测试工作带来了极大的不便利。常规的物理测试方法难以对测试芯片进行接触，造成测试过程的误差率提升。最初，人们也通过在电路板上增加测试引脚的方法加强测试点，以加强测试灵敏度。但是，这仅仅是换汤不换药的方法，对提高电路板的可测试性作用不大，对电路板测试技术进行本质上的改革是大势所趋。上个世纪八十年代以后，有识之士通过在芯片中加入测试技术的方法改革了整个工业测试技术。这种方法将测试与设计两者进行高度结合，加强了整个电路板测试的高效率性。

1.边界扫描技术原理分析

边界扫描技术是以芯片的每个信号引脚为基础，通过在每个逻辑电路之间设计连接接口的方试，将测试数据由串行接口进入测试仪器中，同时，插入边界扫描单元实现的一种测试技术。这是一种大规模集成电路进行测试的方法，解决了芯片内部元件互连性较弱的问题，得到了工业界的大国倡导。其中，边界扫描测试算法以及整个扫描技术在我国得到了大幅度的应用。目前，国外的电子设备多以边界扫描进行核心测试，内置入芯片里进行工业设备的集成。但是，这种芯片多由国外进口，价值不菲，研制适合我国使用的芯片是提高整个行业的方法。

边界扫描技术的基本原理以将芯片引脚与内部的逻辑组织之间相连，通过对于移位寄存器的数目增加量形成测试单元。以专用的边界扫描控制引脚作为基础，对芯片进行管理，设定，封锁，以及信息抽取，使芯片，电路板以及系统信息达到完整的框架。以自身携带的自个串行接口（又名测试访问端口TAP）作为基础，连接复杂的集成电路。除了测试访问端口之外，集成电路可使用移位寄存器和状态进行边界扫描功能。在测试数据输入线上将芯片中自带的数据输入到寄存存储器中，以测试时钟进行时间控制，进行PCB输入引线输出。还可以通过不同芯片之间的反馈连接判断判断是否存在着故障。边界扫描技术以内部总线和芯片内的扫描程序共同连接成为整体。

图1 边界扫描技术原理图

2.边界扫描技术测试流程

边界扫描技术可以实现电路板内部引脚之间不同器件的互连，同时实现内部仪器间的测试工作。在电路板的设计之处，引入可测试技术的概念，提高测试功能以及技术的覆盖率，提高测试效率，降低生产成本。在测试的过程中，测试的内测试工作内部指令储存器完成，外测试由不同的信息源进行网络互通，运用输入输出数据的参数比对，检验整个运行过程是否正确执行。

2.1内测试

内测试是运用边界扫描技术进行电路板内部元件的测试，可测试出元件中是否存在故障。边界扫描技术在电路板内部的测试分为三个过程，首先，检查整条链路是否连接通顺，保证基础硬件的完整性。利用JTAG接口的四条连接线，包括测试数据输入（TDI）线进行数据的导入，保证数据的有效输入，方便从线路的源头上检查故障。运用测试数据输出（TDO）进行数据的打印比对，保证整个过程的正确性。以测试时钟（TCK）为内在时间描述机制进行测试过程的时间判断。选择合适测试模式（TMS）符合不同规格的电路板测试。其次，进行各芯片之间的网络连接互连，将数据信息通过芯片内部的网络进行传输。通过故障灯显示仪进行传输过程的全观察，确保芯片之间的连接没有故障。最后，将内置的测试技术对芯片进行测试，利用JTAG Commander辅助工具对内部数据进行连接测试。

2.2外测试

外测试是指对电路板的整个器件之间在进行测试，保证电路版的设备完整性。外测式主要由以下步骤组成，首先，配置板级测试电路，保证整个测试基础的运行，运用扫描链上的IO电路对不同电路板上的物理测试引脚进行数据访问，得到数据信息的正确反馈，保证连接商品的顺畅。其次，进行电路板上不同部件的互连性测试，进行PCB贴片，可以对所有类型的闪存进行内置编程，创建和校验各级类型的数据库，包括器件，模块以及不同的板块等。运行非边界扫描单元进行特征数据的检测，包括DB，IR，BS的互连以及二进制计数的投其所好，模拟故障模式进行全电路板间的扫描，检测不同电路之间是否存在开路，断路的现象。

图2 测试流程

3.边界扫描技术在电路板上的测试案例

现在以PCB基础样板电路板为测试实例，此电路板由微处理器责整体器件之间的互连工作。通过以太网接口实现了与外路设备的连通，此设备上有如下几个器件可以进行测试，都具有相应的接口器插座。根据此声电路板的特点，进行以下流程的测试。

首先，进行基础设备的测试，保证整个连接器件的完整性。对电路的链路进行自测试，保证各器材内部的完整性，排除自带的故障，包括链路的连接以及信号之间的连接。同时，保证所有器材的标识码和用户标识码之间准确无误。自测试结束后，进行BS器件之间的网络连接测试。以自制的测试算法，包括零一算法等对网络进行连接，从网络的接口一端向另一端进行扫描，通过单元进行数据输入，再加另一扫描单元进行数据收集，最后由TDO进行数据输出。以打印测试的数据结果进行信息比对，测试网络通路中是否存在着连接死角，并对故障进行排除。

其次，进行整个电路板的核心测试。在电路板的整个测试进程中，注重测试链路的设计效果。注意JTAG信号的驱动问题。保证不同的信号接口在运行过程保持运转的稳定性，同时，按照已经有的设备标准，在板级进行数据输入输出的过程中，进行上拉电阻的拉高处理。同时，将电路的高压状态调整为低压状态，运用不同的电线分压方法促进电路板内部设备之间的兼容性，如果技术不支持，可用相应的电压转换器完成。

4.结论

随着电子元件的大规模集成化，以及芯片内部封装越来越密的特点，边界扫描技术测试的机制可以解决引脚过密的问题以及加大设备之间的连接度。因此，边界扫描技术在电路权测试中的运用必然成为一种历史潮流。对边界扫描技术进行深层次的研究，不仅可以加强对于电路板上可控点以及测试点的数目增多，同时，也可以减少测试时间，提高资金的利用率，对于工业设备的发展具有极其深远的意义。

【参考文献】

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