結合虛擬儀器技術的數(shù)電課程教學研究

張倩 呂宵宵 張志萍 張海燕

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2021.11.030

摘? 要： “數(shù)字電子技術”是計算機、電子類專業(yè)的重要核心專業(yè)課程，針對目前教學方法過于死板枯燥、理論與實驗脫節(jié)的問題，提出利用LabVIEW虛擬儀器技術對課程內(nèi)容進行設計，實現(xiàn)動態(tài)教學演示的教學方法。以編碼器和觸發(fā)器分別作為組合邏輯電路和時序邏輯電路的代表，在教學中演示不同輸入?yún)?shù)下的結果呈現(xiàn)，增加課堂的互動性和趣味性，提高知識輸出的有效性，在改善課程教學質(zhì)量的同時構建實驗和理論之間的橋梁，為后續(xù)實驗奠定基礎。

關鍵詞： 數(shù)字電子技術; 虛擬儀器; LabVIEW; 教學研究

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）11-107-04

Research on the course teaching of “Digital Electronic Technology”

by using virtual instrument

Zhang Qian， Lv Xiaoxiao， Zhang Zhiping， Zhang Haiyan

（Guangling College， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009， China）

Abstract： "Digital Electronic Technology" is an important core course for computer and electronic specialties. But the existing teaching methods are too rigid and boring， and the theory is separated from the experiment. In order to solve these problems， this paper uses LabVIEW virtual instrument technology to design the course content to realize the dynamic teaching demonstration. Encoder and trigger are used as the representatives of combinational logic circuit and sequential logic circuit respectively to demonstrate the presentation of different results under different input parameters in the teaching， so as to improve students' participation in the classroom， enhance students' understanding of knowledge points. At the same time， through this way， the bridge between experiment and theory is constructed for the follow-up experiments.

Key words： "Digital Electronic Technology"; virtual instrument; LabVIEW; teaching research

0 引言

“數(shù)字電子技術”是計算機、電子信息工程、通信工程等計算機類、電子類專業(yè)的核心基礎課。課程包含門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與整形電路等[1]。通過該課程的學習，讓學生掌握數(shù)字電子技術的主要理論，能夠靈活地運用數(shù)字電路分析和設計的基本方法做數(shù)字系統(tǒng)的設計。該課程不僅要為后續(xù)的專業(yè)課程學習打好理論基礎[2]，也要為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的新工科建設奠定理論基礎[3-4]。但在實際教學過程中，由于授課方式過于傳統(tǒng)，學生的主體性地位不明確，課堂互動方式有限，教學效果差強人意。因此，本文在總結教學現(xiàn)狀的基礎上，提出在課堂中引入LabVIEW虛擬儀器技術對課程內(nèi)容進行設計的教學方法，實現(xiàn)動態(tài)教學演示，從而提升學生的學習興趣，改善教學效果。

1 傳統(tǒng)數(shù)字電子技術課程教學現(xiàn)狀和問題

1.1 理論實驗脫節(jié)

“數(shù)字電子技術”課程具有知識點多、內(nèi)容抽象、理論邏輯性強、知識系統(tǒng)性強等特征。授課時一般先講基礎知識，再講原理，最后講應用，而由于課程特點，原理占比較大，應用占比往往較小。雖然針對課程有相應的實驗環(huán)節(jié)，但理論和實驗往往脫節(jié)，導致學生在后續(xù)的實驗課程中仍不能將理論有效聯(lián)系到實驗中，難以提高知識的遷移和應用能力。

1.2 教學方法單一

傳統(tǒng)課堂主要采用PPT輔助板書的填鴨式灌輸法，學生的參與度和主動思考不夠，導致課上效率不高[5]。課程的PPT主要傾向于知識內(nèi)容的展示，對電子器件、電路邏輯演示不夠充分，缺乏動態(tài)展現(xiàn)。比如對于不同輸入情況下編碼器的輸出，其結果僅以表格呈現(xiàn)，較為死板，不夠靈活生動，無法激發(fā)學生的聽課興趣，授課效果一般。

1.3 知識點結合性不強

課堂上一般以知識點和知識內(nèi)容傳授為主，點、線、面結合不強，知識點與知識點之間的對比學習受限于授課手段，表現(xiàn)手法單一。例如對于普通編碼器和優(yōu)先編碼器，在講解時會提到二者的差異，但對于學生來講，只有理論對比，沒有直觀感受，導致接受程度較差。

針對以上問題，如果采用LabVIEW虛擬仿真技術，就能夠?qū)⒅R原理情景化，可視化，一方面豐富學生的課堂體驗，另一方面可以構建課程理論和課程實驗之間的橋梁，讓學生掌握知識的核心關鍵，從而有利于學生課程知識的理解掌握和實際運用。

2 LabVIEW虛擬仿真平臺

LabVIEW是一種基于圖形符號即G語言來編寫程序的軟件平臺。一個LabVIEW程序由一個或多個VI（虛擬儀器）組成。每個VI主要包含三部分：前面板、框圖和圖標。前面板是VI的交互式用戶界面，它模擬了物理儀器的前面板，包括輸入控件、顯示控件、旋鈕、圖形等?？驁D是VI的源代碼，在LabVIEW中，框圖就是實際可執(zhí)行的程序，由低級的VI、內(nèi)置函數(shù)、常量和程序執(zhí)行控制結構等構成，對象之間用連線連接，以定義和顯示他們之間的數(shù)據(jù)流向。圖標作為G語言的基本組成單元，在前面板和框圖中呈現(xiàn)使用[6]。

LabVIEW圖形語言具有簡單易學、成本低、靈活性好的特點[7]，在數(shù)字電子技術課程教學過程中使用虛擬儀器仿真，可以提供知識點動態(tài)化呈現(xiàn)，更好配合課堂氛圍，提升教學效果。以下以編碼器和觸發(fā)器為例介紹LabVIEW在本門課程中的應用。

3 LabVIEW在數(shù)字電子技術課程中的應用

3.1 編碼器的設計

⑴ 二進制普通編碼器的LabVIEW實現(xiàn)

二進制編碼器是一種使用[n]位二進制代碼對[N=2n]個信號進行編碼的電路。以3位二進制編碼器為例，輸入用[I0～I7]表示需要編碼的8個信號，輸出用[Y0、Y1、Y2]表示用來進行編碼的3位二進制代碼。圖1是用LabVIEW設計的3位二進制編碼器的前面板。從圖中可以看到用戶顯示界面包括輸入部分和輸出部分，均采用布爾控件。燈亮表示邏輯1，燈滅表示邏輯0。此時圖中由于尚未給予輸入，輸入端和輸出端布爾顯示控件的燈為全滅狀態(tài)。

對于二進制普通編碼器而言，[I0、I1、…、I7]邏輯互斥，即每一次編碼時，輸入端[I0～I7]僅有一個輸入為1，其余均為0。根據(jù)其邏輯表達式，應用虛擬儀器中的簇、布爾運算符以及邏輯運算設計出程序框圖如圖2所示。

在輸入端令[I7=1]，其余[I0～I6=0]時，根據(jù)二進制編碼器的邏輯運算規(guī)則，結果應為[Y2Y1Y0=111]，在LabVIEW的前面板上運行該框圖程序，驗證輸出結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，輸出[Y2、Y1、Y0]對應的布爾顯示控件燈全亮，表示[Y2、Y1、Y0]均為1，即對于輸入[I7]為true時，編碼為111。通過對不同輸入端賦予true值，即可以呈現(xiàn)輸入端8個數(shù)的編碼。在課堂上可以讓學生隨機進行輸入選擇，動態(tài)演示輸出結果，以便更直觀地理解和驗證編碼器的真值表和編碼規(guī)則。

⑵ 二進制優(yōu)先編碼器的LabVIEW實現(xiàn)

二進制普通編碼器每一次只允許一個輸入信號賦予真值“1”，其余均為“0”，而在優(yōu)先編碼器中則不同，優(yōu)先編碼器允許幾個信號同時輸入，但是只對其中優(yōu)先級別最高的進行編碼，此時，即使低優(yōu)先級的輸入信號也為真，電路也不予理睬。根據(jù)二進制優(yōu)先編碼器編碼的邏輯表達式，使用LabVIEW程序框圖來表示優(yōu)先編碼器功能，如圖4所示。

對比二進制普通編碼器和優(yōu)先編碼器，如果在普通編碼器輸入端同時出現(xiàn)兩個輸入為真，輸出編碼結果將會混亂。而對于優(yōu)先編碼器，根據(jù)其特點，只會對優(yōu)先級最高的輸入信號進行編碼。這里假定[I7～I0]優(yōu)先級依次遞減，[I7]最高，[I0]最低，二者對比的編碼結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，當輸入端[I6=1]，[I3=1]，[I7=I5=I4=I2=I1=I0=0]時，普通編碼器的輸出[Y2Y1Y0=111]，即編碼結果為7，此編碼結果相應的輸入應為[I7=1]，其余為0，因此編碼錯誤。而對于優(yōu)先編碼器，輸入端雖然有兩個輸入信號為真，但[I6]的優(yōu)先級高于[I3]的優(yōu)先級，電路將忽略[I3]的信號，優(yōu)先對[I6]信號進行編碼，輸出編碼結果[Y2Y1Y0=110]，編碼結果正確。通過將普通編碼器和優(yōu)先編碼器對比顯示的方式，讓學生在課堂上更加清晰明了二者的特點以及彼此的差異，從而牢固掌握知識點。

3.2 觸發(fā)器的設計

能夠存儲1位二值信號（0或者1）的基本單元電路稱為觸發(fā)器。在數(shù)字電子技術課程中，組合邏輯電路和時序邏輯電路是課程核心的兩部分內(nèi)容，觸發(fā)器既是構成時序邏輯電路的基本電路，也是聯(lián)系組合邏輯電路和時序邏輯電路之間的橋梁。本文中以[JK]觸發(fā)器為例演示LabVIEW在觸發(fā)器章節(jié)的應用效果。

根據(jù)[JK]觸發(fā)器的特性方程和特性表，在程序框圖中采用簇、條件結構、反饋節(jié)點、創(chuàng)建數(shù)組、布爾至數(shù)值轉換等圖標程序，實現(xiàn)[JK]觸發(fā)器功能，[JK]觸發(fā)器框圖如圖6所示。

程序中最外層條件結構用于判定時鐘是否為有效狀態(tài)，當時鐘C為有效狀態(tài)時，執(zhí)行內(nèi)部第二層條件結構，時鐘C無效時，即條件結構的判斷為“假”時，利用反饋節(jié)點，次態(tài)保持當前狀態(tài)不變。第二層條件結構用于根據(jù)輸入的[J]、[K]值及當前狀態(tài)[Qn]，輸出相應的次態(tài)。結合[JK]觸發(fā)器特性表，共有保持、置0、置1、翻轉四種變化，分別對應[JK=00、01、10、11]四種條件選擇，如圖7所示。

在[JK]觸發(fā)器前面板運行程序，結果如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9中可以看出，在時鐘C有效，即布爾控件輸入燈亮的前提下，當[J=1，K=0]時，輸出布爾顯示控件燈亮，即輸出結果為1;當[J=0，K=1]時，輸出布爾顯示控件燈滅，即輸出結果為0。輸出結果與[JK]觸發(fā)器特性一致。

通過以上運用實例可以看出，在數(shù)字電子技術課程中運用LabVIEW虛擬儀器技術，可以方便有效呈現(xiàn)課程知識點，與教材內(nèi)容相輔相成，便于學生理解。在課堂上，可以讓學生隨機提出輸入，直觀演示結果，不僅可以克服傳統(tǒng)課堂PPT播放過于死板的問題，還可以增強課堂互動氣氛，提高課程趣味性。

4 結束語

綜上所述，在數(shù)字電子技術課堂理論教學過程中，引入LabVIEW虛擬儀器技術，從知識點的實現(xiàn)層面具有可操作性，而且可以改善理論課堂過于枯燥和抽象的問題。將理論知識由想象變?yōu)橹庇^，不僅能夠讓學生充分理解知識點內(nèi)涵，還能啟發(fā)學生的思維，使學生在課堂上更活躍，參與度更高。同時，將實驗思維嵌入理論教學過程中，構建理論與實驗的橋梁，為后續(xù)的實驗實踐課程奠定良好的學習基礎。此外，LabVIEW還自帶有函數(shù)型硬件儀器，包括信號源和示波器等，可以在后續(xù)的教學設計環(huán)節(jié)中進一步引入，從而提高知識點的可視、可讀和動態(tài)變化性，有效提高教師教學質(zhì)量和學生學習效果。

參考文獻（References）：

[1] 余孟嘗.數(shù)字電子技術基礎簡明教程（第三版）[M].高等教育出版社，2006.

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[7] 林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.