基于LabVIEW的数字电路实验课程的教学改革研究

陶苗苗　王爱红　邹亚琪

摘 要：文章基于LabVIEW软件，对数字电路实验课程的教学改革进行了探究，以期开展全新的教学模式，加强学生的创新意识和创新能力，提高实验课的教学质量。

关键词：虚拟仪器;LabVIEW;数字电路实验

中图分类号：G642;TN79-4 文献标识码：A 收稿日期：2020-06-22 文章编号：1674-120X（2020）35-0121-02

一、引言

数字电路实验是电学相关专业学生的一门专业实验课，具有很強的实践性，实验内容包括门电路逻辑功能测试、芯片的应用、电路设计等。学生通过实验操作掌握常用仪器仪表的使用方法;常用数字电路的基本原理;电路实验的基本方法和基本技能;常用仪器的使用和电路分析测试方法等。这些基本实验技能的训练，可提高学生的动手能力，加深其对电子线路理论的理解，进一步巩固所学的理论知识，并调动学习积极性，增强后续课程学习的信心与动力。

实验课要求学生课前认真预习，了解本次实验的目的和使用的仪器器材、了解实验步骤及实验注意事项等，但是大部分学生并没有很好的预习方法，只是简单地看一遍书。由于不了解实验仪器，预习效果不佳，严重影响了课上操作。虚拟仪器是一种基于计算机的测试技术，是仪器技术和计算机技术深层次结合的产物，是计算机测试领域的一项重要技术，可充分发挥计算机的作用，建立计算机网络，组建复杂的测试系统，利用计算机的软硬件资源进行复杂的分析。它的特点是性能高、扩展性强、开发时间短、有良好的人机界面。本文将虚拟仪器技术设计实验中用到的仪器、电路和元器件等，运用在数字电路实验教学中，开展了一种全新的教学模式，充分发挥学生的学习积极性、主动性、创造性，以达到更好的教学效果。

二、LabVIEW软件

LabVIEW软件是美国国家仪器公司的软件产品，是目前实现虚拟仪器软件设计最流行的工具之一，是在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常规的传统仪器面板。LabVIEW软件是一种图形化的编程语言，作为虚拟仪器的开发平台，在国内外有着非常广泛的应用。

LabVIEW使用图标来创建应用程序，与其他的设计语言相比，LabVIEW具有两个特点，一是直观，易学易用。自然、简洁的程序方式大大降低了学习难度。二是模块化。主要体现在两个方面：第一，LabVIEW中使用的节点和函数是可以直接使用的小模块;第二，由LabVIEW编写的程序，也就是虚拟仪器模块，除了能够作为独立程序运行，还能用作另一个虚拟仪器模块的子模块。

利用LabVIEW设计的虚拟仪器可以与其开发环境分隔开，且最终用户看到的是操作面板。LabVIEW为虚拟仪器设计人员提供了一个方便、快捷、舒适的设计环境，设计师可以很容易地建立测试系统和自己的仪表板，而不需要编辑任何复杂的计算机程序代码。

LabVIEW软件创建虚拟仪器有三个步骤：程序前面板、程序框图、图标连接端口。程序前面板就是虚拟仪器面板，在前面板窗口的控件选板中选择所需的输入控件和显示控件。可在前面板放置一些完成仪器操作的按键、旋钮、输入框、显示器等控件，用来模拟真实仪器的前面板。只有前面板是不够的，想要程序得以运行，就必须有相对应的程序框图，在这里通过连线、连节点将前面板放置的控件相连接。最后是图标连接端口，需要从控件列表挑选创建图表，再通过前面板将图标与器件之间的节点相连接，连接完成后才是一个完整的程序框图。

三、LabVIEW设计虚拟仪器

数字电路实验常用的仪器有数电实验箱、示波器、信号发生器等。利用LabVIEW软件可设计出和实物仪器相似的虚拟仪器，这些虚拟仪器不但有实物仪器的功能，还能进一步扩展其他功能。

（一）数电实验箱

数电实验箱是集电源、输入信号、输出显示等很多功能于一体的仪器，实验主要是在实验箱上进行操作。LabVIEW软件设计的数电实验箱，和实物实验箱一样，包含仪器开关、电源、数码管、逻辑电平输出显示指示灯、短路报警和报警指示灯、逻辑笔、继电器、可调连续脉冲、单脉冲输出、不同频率的时钟信号源、不同阻值的可调电阻、数字逻辑电平开关输入指示灯、不同引脚数量的集成底座，以及专门用于外接电容、电阻、二极管和其他元器件等。

LabVIEW软件设计的仪器，还增加了说明，点击一些按键会有相应的说明或者解释，能帮助学生快速了解仪器。比如，下图是数电实验箱中的单脉冲输出，按单脉冲输出按钮，会显示出单脉冲的介绍和仪器上这几个单脉冲按钮的说明。实验箱中每部分都会有相应的说明，能让学生更加直观地了解仪器。

（二）示波器

示波器是一种应用非常广泛的电子测量仪器，是一种以波形的形式显示电压与时间的函数关系或显示两个电压的时间函数的相对波形的电子测量设备。示波器的基本测量单位是时间和电压，通过时间和电压可以间接得到频率、相位差等信息。

示波器主要分模拟示波器和数字示波器两种。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。 而数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。模拟示波器显示的波形是连续的，是信号真实的波形，而且反应速度特别快。比如，在测试某一信号时，模拟示波器能在瞬间显示波形，几乎没有延时。而数字示波器显示的波形是由经过数字电路采样得来的点组成的，是个不连续的波形，采样率越高的示波器，越与真实波形接近，但显示速度没有模拟示波器快。模拟示波器的带宽受示波管的影响，而且只做到200MHz，数字示波器可以经过电路转换，得到更高的带宽。另外，数字示波器还能自动测量多种电压和时间参数。

一般实验室由于经费和空间限制，只有一种示波器。LabVIEW可设计模拟示波器和数字示波器，都与实物仪器有相似的外形和功能。虚拟示波器包含电源开关与指示灯、显示屏、水平扫描速度旋钮和水平位置调节旋钮、垂直衰减旋钮和垂直位置调节旋钮、触发方式选择开关和触发源选择开关等。可根据实验需要选用不同的示波器。

（三）信号发生器

信号发生器是一种可以提供各类波形、频率以及输出电平电信号的设备。它常常被用作信号源或激励源，用于检测各种电信系统或电信设备的幅度、频率、传输和其他参数，以及测量这些部件的特性和参数。

LabVIEW软件设计的信号发生器，除了能产生常规仪器有的正弦波、方波、锯齿波和脉冲波等常见波形，还可以添加其他需要的波形;输出通道也可以设置成多个;另外也可以对信号的频率、幅度、相位、偏置和占空比进行更加详细的设置。虚拟信号发生器包含电源开关、显示屏、界面显示模式（单通道模式、双通道模式和多通道模式）、波形选择按键（可选择正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、任意波形等）、通道切换按键、数字键盘、功能键、左右方向按键和调节旋钮、输出通道和输出开关等。

四、LabVIEW设计电路与元件

数字电路实验中的设计性实验，有些方案和元件是需要反复尝试的，可能出错甚至损坏仪器和元件。LabVIEW设计出实验中常用的电路、元件等，可供学生调试使用，给学生的发挥和创新提供比较广阔的空间。

（一）基本门电路

数字电路中用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。门电路是数字电路的基本单元，门电路几乎可以组成数字电路里面任何一种复杂的功能电路，应用范围很广。门电路的输入端或输出端只有两种状态，即0或者1 。

LabVIEW设计的基本门电路，可实现与、或、非、与非、或非、异或和同或等基本逻辑功能。比如，对与门，输入为00、01、10、11时，输出分别为0、0、0、1。还可根据需要用基本门电路设计出不同的电路。

（二）基本逻辑电路元件

逻辑电路是执行基本逻辑操作的电路，按其工作性质可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路是任何时刻输出信号的逻辑状态仅取决于该时刻输入信号的逻辑状态，而与输入信号和输出信号过去状态无关的逻辑电路。时序逻辑电路是任何时刻的输出状态不仅与该时刻的输入有关，而且还与电路历史状态有关的一种数字逻辑电路。常用组合逻辑元件有编码器、译码器、数据选择器等;常用时序逻辑元件有计数器、触发器和寄存器等。LabVIEW中设计的这些元件与实物功能一致，可反复使用，不存在损坏的情况。

五、结语

本文介绍了LabVIEW软件设计的数字电路实验常用仪器、电路和元件，将其运用到数字电路实验教学中，开展一种全新的实验教学方法，能有效地指导学生的学习，有利于学生课前了解仪器，课上多次尝试，课后及时复习巩固，也方便教师更好地了解学生的掌握情况。

参考文献：

[1]王怀登，陈孝桢.数字电路实验[M].南京：南京大學出版社，2013.

[2]郑莹娜，刘 强，李 扬，等.基于NI-Labview开发平台的虚拟测试系统[J].电子技术应用，1998（12）： 3-5.