虛擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

王園園

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

虛擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

王園園

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

為了解決傳統(tǒng)硬件類數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)儀器功能單一、電路連接過程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)場地固定等問題，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以8-3線編碼器和RS觸發(fā)器為例詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及思路。該系統(tǒng)使用方便靈活、性能穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)誤差小。

數(shù)字電路；虛擬儀器；LabVIEW

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程是高等院校理工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，在近代，有很多實(shí)驗(yàn)儀器可以用來做數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如HYDZ-501B型數(shù)字電子電路實(shí)驗(yàn)裝置、NICE-H萬能實(shí)驗(yàn)器等[1]。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，如Altium公司在20世紀(jì)80年代末推出的EDA軟件PROTEL[2]，Interactive Image Technologies(Electronics Workbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具M(jìn)ultisim等[3-4]，適用于初級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。但硬件類實(shí)驗(yàn)儀器功能是固定的，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要重新購入設(shè)備，且儀器數(shù)量很難滿足學(xué)生的需求，仿真軟件適合設(shè)計(jì)工作，并不適用于數(shù)字電路初期實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)[4-5]。而虛擬儀器技術(shù)為解決這些問題提供了可能性，本文以LabVIEW為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)儀器的束縛，在學(xué)生透徹地了解儀器的功能和芯片的功能的同時(shí)，將課本上的抽象理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。

1 設(shè)計(jì)平臺(tái)及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬儀器這一概念是由美國NI(National Instruments)公司提出來的，這一概念的提出引起了儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入了儀器技術(shù)領(lǐng)域，從而開辟了虛擬儀器新時(shí)代[6]。LabVIEW是虛擬儀器設(shè)計(jì)的工程平臺(tái)之一。本文選擇LabVIEW作為軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的原因有：LabVIEW使用圖形話語言G語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，G語言與流程圖在某種程度上相似，縮短軟件設(shè)計(jì)周期，且程序直觀易懂[7]；LabVIEW提供了布爾量以及大量的集成模塊；LabVIEW有設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等傳統(tǒng)的調(diào)試工具，以及利用動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及子程序的結(jié)果，這些都便于程序的調(diào)試及觀察數(shù)據(jù)流，在實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過調(diào)試功能觀察程序的實(shí)現(xiàn)方法，有利于課堂知識(shí)的鞏固；LabVIEW中子程序除可以作為子程序被調(diào)用外，還可以獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)因此設(shè)計(jì)的電子器件既可以進(jìn)行基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

常用的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)分為2類：一類是組合邏輯電路如加法器、編碼器、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器等；一類是時(shí)序電路實(shí)驗(yàn)如觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器等實(shí)驗(yàn)[8]。本次平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)半加器、8線3線編碼器、BCD-七段碼顯示譯碼器，四選一數(shù)據(jù)選擇器，時(shí)鐘脈沖，全加器，同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，JK觸發(fā)器，RS觸發(fā)器，T觸發(fā)器等內(nèi)容。本系統(tǒng)主要進(jìn)行了基本邏輯電路設(shè)計(jì)，適用于初學(xué)者。

2 組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以8線-3線編碼器為例進(jìn)行組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)分析。編碼的定義就是對(duì)不同的事物使用不同的二進(jìn)制代碼進(jìn)行區(qū)分，而在數(shù)字電路中的編碼器其邏輯功能就是把每一個(gè)輸入的高低電平信號(hào)編成不同的二進(jìn)制代碼。常用的編碼器有普通編碼器與優(yōu)先編碼器，8線-3線編碼器有8個(gè)輸入信號(hào)，但合法的輸入信號(hào)就只有8組，對(duì)應(yīng)的輸出以3個(gè)電平信號(hào)表示。其真值表如表1所示[8]。

表1 8線-3線編碼器真值表

按照表1所示的真值表，寫出其邏輯表達(dá)式，化簡后表達(dá)式：

根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫流程框圖，具體操作步驟如下：

新建“8線-3線編碼器.vi”,在前面板上選取布爾型控件，含有I0-I7共8個(gè)輸入變量，Y0-Y2三個(gè)輸出變量；在程序框圖中添加一些復(fù)合運(yùn)算函數(shù)，即83編碼器中需要的運(yùn)算函數(shù)式邏輯或函數(shù)；再按照(1)式的關(guān)系進(jìn)行連線，需確保其邏輯功能正確，就能得出相應(yīng)的邏輯關(guān)系VI，再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試修改，就能得到最終程序前面板及相應(yīng)的說明。如圖1所示。

圖1 編碼器的前面板

程序框圖如圖2所示。

圖2 編碼器的程序電路面板

3 時(shí)序電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)鐘脈沖

時(shí)鐘脈沖，也稱之為時(shí)鐘信號(hào)，為所有邏輯電路中的基本組成單元，所有的時(shí)序邏輯電路有它才能正常運(yùn)行，產(chǎn)生一定的頻率，一定占空比的周期性電位跳變信號(hào)，來同步電路中的其他單元工作時(shí)序。時(shí)鐘脈沖部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為子程序的形式，在后續(xù)觸發(fā)器設(shè)計(jì)中進(jìn)行調(diào)用。程序前后面板如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘信號(hào)前后面板

3.2 RS觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

RS觸發(fā)器的特性方程：

在LabVIEW實(shí)現(xiàn)RS觸發(fā)器的仿真過程，具體步驟如下：

新建“RS觸發(fā)器.vi”,在前面板上添加布爾型輸入控件，分別表示輸入端S,R和時(shí)鐘信號(hào)CP,以及顯示控件，代表輸出；保證時(shí)鐘信號(hào)CP為高電平時(shí)允許觸發(fā)器動(dòng)作，否則保持原態(tài)；在時(shí)鐘信號(hào)CP為真的條件分支內(nèi)，添加邏輯門函數(shù)，與門，或門及非門等。按照邏輯特性連線即可實(shí)現(xiàn)；將上述的VI封裝成子VI；RS的基本邏輯功能已實(shí)現(xiàn)，但要在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)觸發(fā)，添加While循環(huán)，并添加一個(gè)布爾型的移位寄存器來寄存時(shí)鐘脈沖信號(hào)；輸出的時(shí)鐘信號(hào)和觸發(fā)器輸出值連接到數(shù)字波形圖進(jìn)行顯示，就可以觀察到主要信號(hào)的變化過程，如圖4所示。程序框圖如圖5所示。

圖4 RS觸發(fā)器的前面板

圖5 RS觸發(fā)器的程序電路面板

4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括常見電子元器件識(shí)別、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊，使用時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)模塊即可調(diào)用，在電子元器件識(shí)別中介紹了常見電子元件、芯片等，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)調(diào)用相應(yīng)模塊可查看每一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的仿真過程和其程序框圖，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5 結(jié)語

基于LabVIEW開發(fā)的“虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，操作容易、形象生動(dòng)，便于理解掌握，且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可生成應(yīng)用程序，學(xué)生可脫離實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。后期工作可進(jìn)一步完善功能，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多樣化發(fā)展。

[1]徐瓊燕.數(shù)字電路及EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué),2008：4-5.

[2]劉立軍.常用EDA軟件簡介[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2013,16(3)：147-148.

[3]吳曉榮.Multisim在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的研究[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,20(3)：222-227.

[4]姜俊敏.基于LabVIEW和ARM的便攜多功能電子技術(shù)基礎(chǔ)試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(7)：73-76.

[5]唐衛(wèi)斌.用Verilog語言設(shè)計(jì)任意次ASIC分頻器[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào),2013,27(2)：15-18.

[6]左昉.LabVIEW2013中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：20-30.

[7]段國艷.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué),2013：2-6.

[8]康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京：高等教育出版社,2008：40-70.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

Research and Realization of Virtual Digital Circuits Experimental System

WANG Yuan-yuan
（College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo726000, Shaanxi）

In order to solve the problem of the traditional digtial circuit,such as single function of instrument,complex of circuit connection,fixation of theexperimental site and so on,a digital circuit experiment system based on LabVIEW technology is designed,with the 8-3 encoder and RS trigger as example to introduces the design method and ideas of the system.The system is convenient and flexible to sue,stable performance and small experiment error.

digital circuit;virtual instrument;LabVIEW

G642

A

1674-0033（2015）02-0051-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.013

2015-01-06

王園園，女，陜西洛南人，碩士，助教