基于LabVIEW的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革研究

陶苗苗　王愛(ài)紅　鄒亞琪

摘 要：文章基于LabVIEW軟件，對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探究，以期開(kāi)展全新的教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642;TN79-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2020-06-22 文章編號(hào)：1674-120X（2020）35-0121-02

一、引言

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)是電學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門(mén)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括門(mén)電路邏輯功能測(cè)試、芯片的應(yīng)用、電路設(shè)計(jì)等。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作掌握常用儀器儀表的使用方法;常用數(shù)字電路的基本原理;電路實(shí)驗(yàn)的基本方法和基本技能;常用儀器的使用和電路分析測(cè)試方法等。這些基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，可提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深其對(duì)電子線路理論的理解，進(jìn)一步鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，并調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的信心與動(dòng)力。

實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)生課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，了解本次實(shí)驗(yàn)的目的和使用的儀器器材、了解實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，但是大部分學(xué)生并沒(méi)有很好的預(yù)習(xí)方法，只是簡(jiǎn)單地看一遍書(shū)。由于不了解實(shí)驗(yàn)儀器，預(yù)習(xí)效果不佳，嚴(yán)重影響了課上操作。虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試技術(shù)，是儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，組建復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源進(jìn)行復(fù)雜的分析。它的特點(diǎn)是性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、有良好的人機(jī)界面。本文將虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中用到的儀器、電路和元器件等，運(yùn)用在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)展了一種全新的教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

二、LabVIEW軟件

LabVIEW軟件是美國(guó)國(guó)家儀器公司的軟件產(chǎn)品，是目前實(shí)現(xiàn)虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)最流行的工具之一，是在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來(lái)替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。LabVIEW軟件是一種圖形化的編程語(yǔ)言，作為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)外有著非常廣泛的應(yīng)用。

LabVIEW使用圖標(biāo)來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序，與其他的設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，LabVIEW具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是直觀，易學(xué)易用。自然、簡(jiǎn)潔的程序方式大大降低了學(xué)習(xí)難度。二是模塊化。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，LabVIEW中使用的節(jié)點(diǎn)和函數(shù)是可以直接使用的小模塊;第二，由LabVIEW編寫(xiě)的程序，也就是虛擬儀器模塊，除了能夠作為獨(dú)立程序運(yùn)行，還能用作另一個(gè)虛擬儀器模塊的子模塊。

利用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以與其開(kāi)發(fā)環(huán)境分隔開(kāi)，且最終用戶看到的是操作面板。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)方便、快捷、舒適的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)師可以很容易地建立測(cè)試系統(tǒng)和自己的儀表板，而不需要編輯任何復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序代碼。

LabVIEW軟件創(chuàng)建虛擬儀器有三個(gè)步驟：程序前面板、程序框圖、圖標(biāo)連接端口。程序前面板就是虛擬儀器面板，在前面板窗口的控件選板中選擇所需的輸入控件和顯示控件?？稍谇懊姘宸胖靡恍┩瓿蓛x器操作的按鍵、旋鈕、輸入框、顯示器等控件，用來(lái)模擬真實(shí)儀器的前面板。只有前面板是不夠的，想要程序得以運(yùn)行，就必須有相對(duì)應(yīng)的程序框圖，在這里通過(guò)連線、連節(jié)點(diǎn)將前面板放置的控件相連接。最后是圖標(biāo)連接端口，需要從控件列表挑選創(chuàng)建圖表，再通過(guò)前面板將圖標(biāo)與器件之間的節(jié)點(diǎn)相連接，連接完成后才是一個(gè)完整的程序框圖。

三、LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)常用的儀器有數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱、示波器、信號(hào)發(fā)生器等。利用LabVIEW軟件可設(shè)計(jì)出和實(shí)物儀器相似的虛擬儀器，這些虛擬儀器不但有實(shí)物儀器的功能，還能進(jìn)一步擴(kuò)展其他功能。

（一）數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱

數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱是集電源、輸入信號(hào)、輸出顯示等很多功能于一體的儀器，實(shí)驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行操作。LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱，和實(shí)物實(shí)驗(yàn)箱一樣，包含儀器開(kāi)關(guān)、電源、數(shù)碼管、邏輯電平輸出顯示指示燈、短路報(bào)警和報(bào)警指示燈、邏輯筆、繼電器、可調(diào)連續(xù)脈沖、單脈沖輸出、不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)源、不同阻值的可調(diào)電阻、數(shù)字邏輯電平開(kāi)關(guān)輸入指示燈、不同引腳數(shù)量的集成底座，以及專門(mén)用于外接電容、電阻、二極管和其他元器件等。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的儀器，還增加了說(shuō)明，點(diǎn)擊一些按鍵會(huì)有相應(yīng)的說(shuō)明或者解釋，能幫助學(xué)生快速了解儀器。比如，下圖是數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱中的單脈沖輸出，按單脈沖輸出按鈕，會(huì)顯示出單脈沖的介紹和儀器上這幾個(gè)單脈沖按鈕的說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)箱中每部分都會(huì)有相應(yīng)的說(shuō)明，能讓學(xué)生更加直觀地了解儀器。

（二）示波器

示波器是一種應(yīng)用非常廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，是一種以波形的形式顯示電壓與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系或顯示兩個(gè)電壓的時(shí)間函數(shù)的相對(duì)波形的電子測(cè)量設(shè)備。示波器的基本測(cè)量單位是時(shí)間和電壓，通過(guò)時(shí)間和電壓可以間接得到頻率、相位差等信息。

示波器主要分模擬示波器和數(shù)字示波器兩種。模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來(lái)。 而數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能示波器。模擬示波器顯示的波形是連續(xù)的，是信號(hào)真實(shí)的波形，而且反應(yīng)速度特別快。比如，在測(cè)試某一信號(hào)時(shí)，模擬示波器能在瞬間顯示波形，幾乎沒(méi)有延時(shí)。而數(shù)字示波器顯示的波形是由經(jīng)過(guò)數(shù)字電路采樣得來(lái)的點(diǎn)組成的，是個(gè)不連續(xù)的波形，采樣率越高的示波器，越與真實(shí)波形接近，但顯示速度沒(méi)有模擬示波器快。模擬示波器的帶寬受示波管的影響，而且只做到200MHz，數(shù)字示波器可以經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換，得到更高的帶寬。另外，數(shù)字示波器還能自動(dòng)測(cè)量多種電壓和時(shí)間參數(shù)。

一般實(shí)驗(yàn)室由于經(jīng)費(fèi)和空間限制，只有一種示波器。LabVIEW可設(shè)計(jì)模擬示波器和數(shù)字示波器，都與實(shí)物儀器有相似的外形和功能。虛擬示波器包含電源開(kāi)關(guān)與指示燈、顯示屏、水平掃描速度旋鈕和水平位置調(diào)節(jié)旋鈕、垂直衰減旋鈕和垂直位置調(diào)節(jié)旋鈕、觸發(fā)方式選擇開(kāi)關(guān)和觸發(fā)源選擇開(kāi)關(guān)等?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要選用不同的示波器。

（三）信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器是一種可以提供各類波形、頻率以及輸出電平電信號(hào)的設(shè)備。它常常被用作信號(hào)源或激勵(lì)源，用于檢測(cè)各種電信系統(tǒng)或電信設(shè)備的幅度、頻率、傳輸和其他參數(shù)，以及測(cè)量這些部件的特性和參數(shù)。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器，除了能產(chǎn)生常規(guī)儀器有的正弦波、方波、鋸齒波和脈沖波等常見(jiàn)波形，還可以添加其他需要的波形;輸出通道也可以設(shè)置成多個(gè);另外也可以對(duì)信號(hào)的頻率、幅度、相位、偏置和占空比進(jìn)行更加詳細(xì)的設(shè)置。虛擬信號(hào)發(fā)生器包含電源開(kāi)關(guān)、顯示屏、界面顯示模式（單通道模式、雙通道模式和多通道模式）、波形選擇按鍵（可選擇正弦波、方波、鋸齒波、脈沖波、任意波形等）、通道切換按鍵、數(shù)字鍵盤(pán)、功能鍵、左右方向按鍵和調(diào)節(jié)旋鈕、輸出通道和輸出開(kāi)關(guān)等。

四、LabVIEW設(shè)計(jì)電路與元件

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，有些方案和元件是需要反復(fù)嘗試的，可能出錯(cuò)甚至損壞儀器和元件。LabVIEW設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)中常用的電路、元件等，可供學(xué)生調(diào)試使用，給學(xué)生的發(fā)揮和創(chuàng)新提供比較廣闊的空間。

（一）基本門(mén)電路

數(shù)字電路中用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路稱為門(mén)電路。常用的門(mén)電路在邏輯功能上有與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)、與或非門(mén)、異或門(mén)等幾種。門(mén)電路是數(shù)字電路的基本單元，門(mén)電路幾乎可以組成數(shù)字電路里面任何一種復(fù)雜的功能電路，應(yīng)用范圍很廣。門(mén)電路的輸入端或輸出端只有兩種狀態(tài)，即0或者1 。

LabVIEW設(shè)計(jì)的基本門(mén)電路，可實(shí)現(xiàn)與、或、非、與非、或非、異或和同或等基本邏輯功能。比如，對(duì)與門(mén)，輸入為00、01、10、11時(shí)，輸出分別為0、0、0、1。還可根據(jù)需要用基本門(mén)電路設(shè)計(jì)出不同的電路。

（二）基本邏輯電路元件

邏輯電路是執(zhí)行基本邏輯操作的電路，按其工作性質(zhì)可分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。組合邏輯電路是任何時(shí)刻輸出信號(hào)的邏輯狀態(tài)僅取決于該時(shí)刻輸入信號(hào)的邏輯狀態(tài)，而與輸入信號(hào)和輸出信號(hào)過(guò)去狀態(tài)無(wú)關(guān)的邏輯電路。時(shí)序邏輯電路是任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與電路歷史狀態(tài)有關(guān)的一種數(shù)字邏輯電路。常用組合邏輯元件有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等;常用時(shí)序邏輯元件有計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器和寄存器等。LabVIEW中設(shè)計(jì)的這些元件與實(shí)物功能一致，可反復(fù)使用，不存在損壞的情況。

五、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)常用儀器、電路和元件，將其運(yùn)用到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)展一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能有效地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生課前了解儀器，課上多次嘗試，課后及時(shí)復(fù)習(xí)鞏固，也方便教師更好地了解學(xué)生的掌握情況。

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