基于LabVIEW的數字電路實驗課程的教學改革研究

陶苗苗　王愛紅　鄒亞琪

摘 要：文章基于LabVIEW軟件，對數字電路實驗課程的教學改革進行了探究，以期開展全新的教學模式，加強學生的創新意識和創新能力，提高實驗課的教學質量。

關鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;數字電路實驗

中圖分類號：G642;TN79-4 文獻標識碼：A 收稿日期：2020-06-22 文章編號：1674-120X（2020）35-0121-02

一、引言

數字電路實驗是電學相關專業學生的一門專業實驗課，具有很強的實踐性，實驗內容包括門電路邏輯功能測試、芯片的應用、電路設計等。學生通過實驗操作掌握常用儀器儀表的使用方法;常用數字電路的基本原理;電路實驗的基本方法和基本技能;常用儀器的使用和電路分析測試方法等。這些基本實驗技能的訓練，可提高學生的動手能力，加深其對電子線路理論的理解，進一步鞏固所學的理論知識，并調動學習積極性，增強后續課程學習的信心與動力。

實驗課要求學生課前認真預習，了解本次實驗的目的和使用的儀器器材、了解實驗步驟及實驗注意事項等，但是大部分學生并沒有很好的預習方法，只是簡單地看一遍書。由于不了解實驗儀器，預習效果不佳，嚴重影響了課上操作。虛擬儀器是一種基于計算機的測試技術，是儀器技術和計算機技術深層次結合的產物，是計算機測試領域的一項重要技術，可充分發揮計算機的作用，建立計算機網絡，組建復雜的測試系統，利用計算機的軟硬件資源進行復雜的分析。它的特點是性能高、擴展性強、開發時間短、有良好的人機界面。本文將虛擬儀器技術設計實驗中用到的儀器、電路和元器件等，運用在數字電路實驗教學中，開展了一種全新的教學模式，充分發揮學生的學習積極性、主動性、創造性，以達到更好的教學效果。

二、LabVIEW軟件

LabVIEW軟件是美國國家儀器公司的軟件產品，是目前實現虛擬儀器軟件設計最流行的工具之一，是在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規的傳統儀器面板。LabVIEW軟件是一種圖形化的編程語言，作為虛擬儀器的開發平臺，在國內外有著非常廣泛的應用。

LabVIEW使用圖標來創建應用程序，與其他的設計語言相比，LabVIEW具有兩個特點，一是直觀，易學易用。自然、簡潔的程序方式大大降低了學習難度。二是模塊化。主要體現在兩個方面：第一，LabVIEW中使用的節點和函數是可以直接使用的小模塊;第二，由LabVIEW編寫的程序，也就是虛擬儀器模塊，除了能夠作為獨立程序運行，還能用作另一個虛擬儀器模塊的子模塊。

利用LabVIEW設計的虛擬儀器可以與其開發環境分隔開，且最終用戶看到的是操作面板。LabVIEW為虛擬儀器設計人員提供了一個方便、快捷、舒適的設計環境，設計師可以很容易地建立測試系統和自己的儀表板，而不需要編輯任何復雜的計算機程序代碼。

LabVIEW軟件創建虛擬儀器有三個步驟：程序前面板、程序框圖、圖標連接端口。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，用來模擬真實儀器的前面板。只有前面板是不夠的，想要程序得以運行，就必須有相對應的程序框圖，在這里通過連線、連節點將前面板放置的控件相連接。最后是圖標連接端口，需要從控件列表挑選創建圖表，再通過前面板將圖標與器件之間的節點相連接，連接完成后才是一個完整的程序框圖。

三、LabVIEW設計虛擬儀器

數字電路實驗常用的儀器有數電實驗箱、示波器、信號發生器等。利用LabVIEW軟件可設計出和實物儀器相似的虛擬儀器，這些虛擬儀器不但有實物儀器的功能，還能進一步擴展其他功能。

（一）數電實驗箱

數電實驗箱是集電源、輸入信號、輸出顯示等很多功能于一體的儀器，實驗主要是在實驗箱上進行操作。LabVIEW軟件設計的數電實驗箱，和實物實驗箱一樣，包含儀器開關、電源、數碼管、邏輯電平輸出顯示指示燈、短路報警和報警指示燈、邏輯筆、繼電器、可調連續脈沖、單脈沖輸出、不同頻率的時鐘信號源、不同阻值的可調電阻、數字邏輯電平開關輸入指示燈、不同引腳數量的集成底座，以及專門用于外接電容、電阻、二極管和其他元器件等。

LabVIEW軟件設計的儀器，還增加了說明，點擊一些按鍵會有相應的說明或者解釋，能幫助學生快速了解儀器。比如，下圖是數電實驗箱中的單脈沖輸出，按單脈沖輸出按鈕，會顯示出單脈沖的介紹和儀器上這幾個單脈沖按鈕的說明。實驗箱中每部分都會有相應的說明，能讓學生更加直觀地了解儀器。

（二）示波器

示波器是一種應用非常廣泛的電子測量儀器，是一種以波形的形式顯示電壓與時間的函數關系或顯示兩個電壓的時間函數的相對波形的電子測量設備。示波器的基本測量單位是時間和電壓，通過時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，其基礎是電子槍）電子槍向屏幕發射電子，發射的電子經聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就會發出光來。 而數字示波器則是數據采集，A/D轉換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。模擬示波器顯示的波形是連續的，是信號真實的波形，而且反應速度特別快。比如，在測試某一信號時，模擬示波器能在瞬間顯示波形，幾乎沒有延時。而數字示波器顯示的波形是由經過數字電路采樣得來的點組成的，是個不連續的波形，采樣率越高的示波器，越與真實波形接近，但顯示速度沒有模擬示波器快。模擬示波器的帶寬受示波管的影響，而且只做到200MHz，數字示波器可以經過電路轉換，得到更高的帶寬。另外，數字示波器還能自動測量多種電壓和時間參數。

一般實驗室由于經費和空間限制，只有一種示波器。LabVIEW可設計模擬示波器和數字示波器，都與實物儀器有相似的外形和功能。虛擬示波器包含電源開關與指示燈、顯示屏、水平掃描速度旋鈕和水平位置調節旋鈕、垂直衰減旋鈕和垂直位置調節旋鈕、觸發方式選擇開關和觸發源選擇開關等?？筛鶕嶒炐枰x用不同的示波器。

（三）信號發生器

信號發生器是一種可以提供各類波形、頻率以及輸出電平電信號的設備。它常常被用作信號源或激勵源，用于檢測各種電信系統或電信設備的幅度、頻率、傳輸和其他參數，以及測量這些部件的特性和參數。

LabVIEW軟件設計的信號發生器，除了能產生常規儀器有的正弦波、方波、鋸齒波和脈沖波等常見波形，還可以添加其他需要的波形;輸出通道也可以設置成多個;另外也可以對信號的頻率、幅度、相位、偏置和占空比進行更加詳細的設置。虛擬信號發生器包含電源開關、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、數字鍵盤、功能鍵、左右方向按鍵和調節旋鈕、輸出通道和輸出開關等。

四、LabVIEW設計電路與元件

數字電路實驗中的設計性實驗，有些方案和元件是需要反復嘗試的，可能出錯甚至損壞儀器和元件。LabVIEW設計出實驗中常用的電路、元件等，可供學生調試使用，給學生的發揮和創新提供比較廣闊的空間。

（一）基本門電路

數字電路中用以實現基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路稱為門電路。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種。門電路是數字電路的基本單元，門電路幾乎可以組成數字電路里面任何一種復雜的功能電路，應用范圍很廣。門電路的輸入端或輸出端只有兩種狀態，即0或者1 。

LabVIEW設計的基本門電路，可實現與、或、非、與非、或非、異或和同或等基本邏輯功能。比如，對與門，輸入為00、01、10、11時，輸出分別為0、0、0、1。還可根據需要用基本門電路設計出不同的電路。

（二）基本邏輯電路元件

邏輯電路是執行基本邏輯操作的電路，按其工作性質可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路是任何時刻輸出信號的邏輯狀態僅取決于該時刻輸入信號的邏輯狀態，而與輸入信號和輸出信號過去狀態無關的邏輯電路。時序邏輯電路是任何時刻的輸出狀態不僅與該時刻的輸入有關，而且還與電路歷史狀態有關的一種數字邏輯電路。常用組合邏輯元件有編碼器、譯碼器、數據選擇器等;常用時序邏輯元件有計數器、觸發器和寄存器等。LabVIEW中設計的這些元件與實物功能一致，可反復使用，不存在損壞的情況。

五、結語

本文介紹了LabVIEW軟件設計的數字電路實驗常用儀器、電路和元件，將其運用到數字電路實驗教學中，開展一種全新的實驗教學方法，能有效地指導學生的學習，有利于學生課前了解儀器，課上多次嘗試，課后及時復習鞏固，也方便教師更好地了解學生的掌握情況。

參考文獻：

[1]王懷登，陳孝楨.數字電路實驗[M].南京：南京大學出版社，2013.

[2]鄭瑩娜，劉 強，李 揚，等.基于NI-Labview開發平臺的虛擬測試系統[J].電子技術應用，1998（12）： 3-5.