用LabVIEW 構(gòu)建數(shù)字電路課程實驗

1、.：.；重慶理工大學(xué)結(jié)課論文基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的研討與實現(xiàn) 學(xué) 院：_電子信息與自動化學(xué)院_專 業(yè)：_信號與信息處置_ 課程稱號:_窗口軟件開發(fā)環(huán)境及技術(shù)_任課教師:_ 全曉莉_姓 名:_李成勇_學(xué) 號:_50100810216_完成時間:_2021年4_月30日_基于LabVIEW的虛擬數(shù)字電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的研討與實現(xiàn)摘要: 本文較為系統(tǒng)地引見了虛擬儀器技術(shù)，主要內(nèi)容包括：虛擬儀器的根本概念、組成及分類，對虛擬儀器技術(shù)未來的開展趨勢進(jìn)展了展望。實驗是教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，為了提高實驗教學(xué)的開放性和靈敏性，順應(yīng)現(xiàn)代實驗教學(xué)的需求，經(jīng)過對實驗教學(xué)現(xiàn)狀的分析，提出了將虛擬

2、儀器技術(shù)運(yùn)用于實驗教學(xué)的思緒，并經(jīng)過實驗教學(xué)改革實際討論了將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于實驗教學(xué)的優(yōu)勢，分析了實驗教學(xué)改革的效果。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用于實驗教學(xué)，不僅拓展了實驗范圍和空間，而且可以發(fā)揚(yáng)學(xué)生的自動性和發(fā)明性，是實驗教學(xué)的一個重要開展方向關(guān)鍵詞: 虛擬儀器技術(shù)，實驗教學(xué)，運(yùn)用，虛擬儀器實驗室Design and implementation of digital circuit experiment courses system based on the virtual instrument technologyAbstract: Experiment is an importan

3、t part of teaching, in order to improve the experimental teaching of openness and flexibility to adapt to the needs of modern experimental teaching, Through the analysis of experimental teaching situation, put forward a virtual instrument technology in experimental teaching ideas, Through the practi

4、ce of teaching reform experiment explored the virtual instrument technology in the teaching of the advantages of experiments analyzed the effect of experimental teaching reform. The analysis revealed the virtual instrument technology in the teaching experiment, not only to expand the experimental sc

5、ope and space, but also to help students develop initiative and creativity, experimental teaching is an important direction of development.key words：Virtual Instrument Technology，Experimental teaching，application，Virtual Instruments Lab引言 隨著科學(xué)技術(shù)的提高，社會對高校學(xué)生提出了越來越高的要求，不僅僅要求學(xué)生有根本的實際知識，而且還要有比較強(qiáng)的實踐動手才干?？?/p>

6、是隨著近幾年來高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)展，在校學(xué)生的人數(shù)也成倍添加。學(xué)生學(xué)習(xí)實際知識并沒有遭到很大的影響，但實踐實驗操作卻不能同時滿足，尤其是理工科學(xué)生，沒有實驗操作，籠統(tǒng)的實際知識很難了解。要是實驗設(shè)備同窗生數(shù)相應(yīng)添加，這就需求增大購買實驗設(shè)備經(jīng)費，但大多數(shù)學(xué)校并不能投入相應(yīng)的資金。虛擬儀器技術(shù)為處理這一矛盾提供了能夠，隨著計算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速開展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了宏大的變化，計算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了一種新概念儀器虛擬儀器。它把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處置才干和儀器硬件的丈量、控制才干集合在一同，大大減少了儀器硬件的本錢和體積，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處置、顯示、傳

7、送等方面的限制，使運(yùn)用者可以方便得對其進(jìn)展維護(hù)、擴(kuò)展、晉級等，這些特點是傳統(tǒng)儀器所不能比較的。 數(shù)字電子技術(shù)曾經(jīng)廣泛地運(yùn)用于電視、雷達(dá)、通訊、電子計算機(jī)、自動控制、航天等各個領(lǐng)域。例如，在通訊系統(tǒng)中，運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)的數(shù)字通訊系統(tǒng)，不僅比模擬通訊系統(tǒng)抗干擾才干強(qiáng)、嚴(yán)密性好，而且還能運(yùn)用電子計算機(jī)進(jìn)展信息處置和控制。數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息類各專業(yè)的主要技術(shù)根底課程之一，其重要性不言而喻。但其又有許多實際電路，僅僅學(xué)實際知識，沒有相應(yīng)的實驗做輔導(dǎo)，對其籠統(tǒng)的知識也不能完全了解，用LabVIEW 構(gòu)建的數(shù)字電子虛擬實驗平臺可以滿足這一要求。一虛擬儀器技術(shù)引見 1.1虛擬儀器的根本概念虛擬儀器(Vi

8、rtualInstruments，簡稱VI)的概念，是美國國家儀器公司于1986年提出的。虛擬儀器技術(shù)最中心的思想，就是利用計算機(jī)的硬軟件資源，使本來需求硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限制地降低系統(tǒng)本錢，加強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈敏性，真正表達(dá)了“軟件就是儀器(The software is The instrument)的口號。虛擬儀器是以通用計算機(jī)為中心的硬件平臺，用戶可根據(jù)本人的需求經(jīng)過編制不同的測試軟件來構(gòu)成各種功能的測試系統(tǒng)，其中許多硬件功能可直接由軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性和多功能性。虛擬儀器運(yùn)用軟件集成了儀器的一切采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃

9、至整個儀器都被計算機(jī)軟件所替代。所以軟件是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，當(dāng)根本硬件確定以后，就可以經(jīng)過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。它突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處置、顯示存儲等方面的限制，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件化，添加了系統(tǒng)的靈敏性。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)不僅可以降低系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)費用，而且可以節(jié)省綜合系統(tǒng)的組建時間。同時，友好的人機(jī)交互界面技術(shù)使人覺得像操控真實的儀器一樣，具有身臨其境的感受，另外，其方便的網(wǎng)絡(luò)功能，可以實現(xiàn)資源共享。1.2 LabVIEW的根本概念LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器NI公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)言語的顯著區(qū)別是：其他計算

10、機(jī)言語都是采用基于文本的言語產(chǎn)生代碼，而LabVIEW運(yùn)用的是圖形化編輯言語G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的方式。與 C 和 BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程義務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù) 顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序子VI的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 LabVIEW是一種用圖標(biāo)替代文本行創(chuàng)建運(yùn)用程序的圖形化編程言語。傳統(tǒng)文本編程言語根據(jù)語句和指令的先后順序決議程序執(zhí)行順序，而LabVIEW 那么采用數(shù)據(jù)流編程方式，

11、程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決議了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器如示波器、萬用表類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW中被稱為前面板。運(yùn)用圖標(biāo)和連線，可以經(jīng)過編程對前面板上的對象進(jìn)展控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。其主要特點有以下幾點：1盡能夠采用了通用的硬件，各種儀器的差別主要是 HYPERLINK baike.baidu/view/37.htm t _blank 軟件；2可充分發(fā)揚(yáng)計算機(jī)的才干，有強(qiáng)

12、大的數(shù)據(jù)處置功能，可以發(fā)明出功能更強(qiáng)的儀器；3用戶可以根據(jù)本人的需求定義和制造各種儀器。二實驗教學(xué)的現(xiàn)狀近年來，隨著教學(xué)改革的不斷深化開展以及計算機(jī)技術(shù)的開展及深化運(yùn)用，教學(xué)條件有了很大的改善，但是由于一些主客觀緣由，實驗教學(xué)依然存在著許多不盡人意的地方，主要表如今以下幾個方面：1實驗教學(xué)位置注重缺乏如今高校普遍存在的問題是重課堂教學(xué)而忽視實驗教學(xué)，學(xué)生大多數(shù)時間都在進(jìn)展實際學(xué)習(xí)。實驗是實際的驗證和進(jìn)一步深化，特別是工科學(xué)生，假設(shè)沒有足夠的實驗就像是紙上談兵，學(xué)生對所學(xué)知識沒有一個感性認(rèn)識，從而不會有發(fā)明的靈感和根底。2實驗設(shè)備不能滿足實驗需求在實驗設(shè)備方面的缺乏主要表如今：一方面，如今實驗室

13、大多采用是一些傳統(tǒng)的實驗儀器與設(shè)備，這些儀器與設(shè)備功能單一、技術(shù)落后、通用性很差，不能順應(yīng)學(xué)科的開展。另一方面，不斷擴(kuò)展的學(xué)生數(shù)量與現(xiàn)有的實驗設(shè)備數(shù)量之間的矛盾曾經(jīng)非常明顯，許多普通院校都沒有足夠的經(jīng)費購置大量的實驗設(shè)備，如何在不降低教學(xué)質(zhì)量的前提下使學(xué)校以最少的經(jīng)費投資到達(dá)最優(yōu)的教學(xué)效果，保證每個學(xué)生都有時機(jī)很好地完成實驗教學(xué)成了許多高校面臨的重要問題。3實驗環(huán)節(jié)設(shè)計的功能單一、順應(yīng)面窄，不利于發(fā)揚(yáng)學(xué)生的發(fā)明性有許多實驗設(shè)計不很合理，驗證性實驗太多，學(xué)生只能按照實驗指點書上的步驟和內(nèi)容去做，不利于發(fā)揚(yáng)學(xué)生的客觀能動性和發(fā)明性。如何把學(xué)生推到實驗主體的位置上，充分發(fā)掘和發(fā)揚(yáng)學(xué)生的自動性和發(fā)明性

14、，引導(dǎo)他們向本人的未知領(lǐng)域邁進(jìn)，是至關(guān)重要的。另外，有些實驗太專，只能針對某一課程而不能兼顧其他課程到達(dá)綜合訓(xùn)練的效果。4實驗資源不能有效利用，開放程度較差，管理維護(hù)不便傳統(tǒng)的實驗設(shè)備具有固定的硬件構(gòu)成，只能進(jìn)展特定的實驗工程和實驗操作，當(dāng)需求添加新的功能時就需求更新硬件或者購買新的實驗設(shè)備，投資較大，而且系統(tǒng)不便維護(hù)。因此，如何改革實驗教學(xué)，使學(xué)生可以利用最先進(jìn)的技術(shù)去積極自動地學(xué)習(xí)，培育學(xué)生的發(fā)明性思想，提高實驗教學(xué)質(zhì)量是每個高校都面臨的問題，討論新的實驗教學(xué)方法和手段是目前教育方式的必然要求，是“全面推進(jìn)素質(zhì)教育，以培育學(xué)生的創(chuàng)新精神和實際才干為重點的教學(xué)指點思想得以落實的必然途徑。三、

15、用LabVIEW 搭建數(shù)字電路課程教學(xué)實驗系統(tǒng)3.1 數(shù)字電路教學(xué)實驗分類數(shù)字電路中的物理量的變化在時間和數(shù)量上都是離散的。也就是說，它們的變化在時間上是不延續(xù)的，總是發(fā)生在一系列離散的瞬間，這一類物理量也叫數(shù)字量。用數(shù)字量表示的信號就是數(shù)字信號，在數(shù)字電路課程一切的實驗中都運(yùn)用數(shù)字信號來實現(xiàn)其功能，這些信號通常是0、1表示的二進(jìn)制序列。而LabVIEW中的布爾量真好符合這些特點，我們只需把二進(jìn)制序列用布爾量的真假來表示即可，這為我們設(shè)計實驗系統(tǒng)提供了方便。我們可以將數(shù)字電子技術(shù)課程的實驗大致分為兩類：一類是根本邏輯電路實驗，也是我們常用的數(shù)字電路實驗，其中包括組合邏輯電路如編碼器、譯碼器、選

16、擇器等，時序電路實驗如觸發(fā)器、存放器、計數(shù)器等，這些是掌握數(shù)字電子技術(shù)的根底。另一類是綜合設(shè)計實驗如數(shù)字頻率計、數(shù)字時鐘、波形發(fā)生器等，筆者在設(shè)計的過程中主要選擇了六種比較常用的綜合電路，以數(shù)字時鐘電路為例進(jìn)展分析。這些實驗由根本實驗電路組合而成，原理一樣，設(shè)計方法不盡一樣。其它的綜合實驗都可以用LabVIEW實現(xiàn)，主要是掌握根本原理和方法，同樣可以設(shè)計，本系統(tǒng)主要用于初學(xué)數(shù)字電子技術(shù)者掌握根本邏輯電路。我們對一切實驗進(jìn)展分類后，就可以用LabVIEW設(shè)計整個實驗總面板，整個面板的功能要務(wù)虛現(xiàn)這些數(shù)字電子技術(shù)課程實驗，根據(jù)LabVIEW的特點，分前后兩個面板，前面板相當(dāng)于實物儀器中的外部控制面

17、板，后面板是實現(xiàn)前面板功能的程序圖，相當(dāng)于實物儀器中的內(nèi)部電路。如圖3.1.1是筆者搭建的總面板，3.1.2是后面板的程序圖。3.1.1 數(shù)字電路實驗系統(tǒng)總面板 3.1.2 后面板的程序圖 3.2 各個實驗?zāi)K分析本系統(tǒng)由根底實驗?zāi)K和綜合實驗?zāi)K組成，接下來就兩個模塊分別分析一下。、根底實驗?zāi)K我們以譯碼器實驗為例進(jìn)展模塊功能分析，3-8譯碼器電路是最常用的一種小規(guī)模集成電路，它有3個二進(jìn)制輸入端A、B、C和8個譯碼輸出端y0y7。對輸入A、B、C的值進(jìn)展譯碼，就可以確定輸出端y0y7的哪一個輸出端變?yōu)橛行У碗娖?，從而到達(dá)譯碼的目的。筆者用LabVIEW設(shè)計的譯碼器前面板如圖3.2.1，程序

18、面板如圖3.2.2。3.2.1 譯碼器電路前面板3.2.2 譯碼器電路程序面板 本系統(tǒng)中G是選通端低電平，經(jīng)過操作本實驗過程，可以讓學(xué)生清楚的看到譯碼器電路的功能，的目的寫出真值表，到達(dá)學(xué)習(xí)的目的，是籠統(tǒng)問題可以簡單化。 、我們以數(shù)字時鐘實驗為例進(jìn)展模塊功能分析，筆者根據(jù)LabVIEW 中布爾量真假變換，用布爾量組成具有七段數(shù)碼管顯示功能的LED。普通的數(shù)字時鐘具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，小時為24進(jìn)制，分鐘和秒為60進(jìn)制顯示，設(shè)置復(fù)位功能，本系統(tǒng)的復(fù)位時間是【12：00：00】。設(shè)計原理與EDA設(shè)計數(shù)字時鐘原理一樣，都是數(shù)字信號0,1控制完成秒分時的計數(shù)義務(wù)，到相應(yīng)的進(jìn)制進(jìn)位即可，EDA是用

19、VHDL言語編寫，分時分秒各個模塊，比較復(fù)雜，而LabVIEW用圖標(biāo)搭建，模塊單一，功能一樣，更有利于學(xué)生掌握數(shù)字時鐘的根底設(shè)計思緒。如圖5是數(shù)字時鐘顯示面板，圖6是數(shù)字時鐘程序面板。3.2.3 數(shù)字時鐘顯示面板3.2.4 數(shù)字時鐘程序面板整個程序面板只用到LabVIEW中for循環(huán)構(gòu)造和case選擇構(gòu)造，只需搞清楚數(shù)字時鐘的原理，設(shè)計比較簡單，實現(xiàn)的功能與其它言語設(shè)計的功能一樣，而且是界面化的，運(yùn)用者可以很清楚的看到結(jié)果。四 結(jié)論(1)本文是基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)字電路課程的根底實驗和一些綜合設(shè)計實驗，設(shè)計過程較其它一些言語設(shè)計過程簡單、方便,

20、而且具有性能相對穩(wěn)定、實驗中誤差較小、運(yùn)用方便靈敏以及節(jié)約本錢等特點，在實驗教學(xué)中可以得到廣泛的運(yùn)用。與傳統(tǒng)的儀器相比，無論是從儀器的本錢、智能化處置才干、開發(fā)難度與晉級周期，還是移植性、儀器功能的定義上，虛擬儀器都具有著無可比較的技術(shù)優(yōu)勢。虛擬儀器的仿真特性還將使其在虛擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)領(lǐng)域開發(fā)中，扮演重要角色。同時，虛擬儀器具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，這使得它在當(dāng)前的遠(yuǎn)程教學(xué)領(lǐng)域中也成為了一個不可或缺的部分。(2)在實驗過程中操作簡單，只需點擊相應(yīng)的功能菜單即可，運(yùn)用者經(jīng)過操作得出相應(yīng)菜單功能，可以進(jìn)一步創(chuàng)新。旨在面向普通中小型的實驗室進(jìn)展儀器設(shè)備的虛擬化晉級，以低價高效地教育本錢，換取完全適宜教育環(huán)境的教學(xué)儀器設(shè)備。(3)在今后一段時間里，虛擬儀器技術(shù)將會得到更加迅速的開展。在當(dāng)前儀器開展的情勢下，以軟件為關(guān)鍵部分的數(shù)字化的虛擬儀器，被視為未來實驗室中最具優(yōu)越性的實驗工具，它以其本身獨特的優(yōu)越特性，將為各個學(xué)科及工業(yè)領(lǐng)域，包括教育領(lǐng)域，提供各種各樣高性能、低價錢、具有互動性與智能化的全新數(shù)字化儀器。參考文獻(xiàn)1