基于虚拟仪器的数字电路实验仿真研究

摘 要：针对传统的数字电路实验教学中存在的不足，研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件进行数字电路仿真实验的方法。该方法在通用计算机上利用虚拟仪器软件设计编写前面板和框图程序完成数字电路的搭建，实现数字电路逻辑功能的仿真。对典型的钟控R-S触发器进行仿真实验，并给出了仿真结果，从而验证了该方法的正确性和可行性。

关键词：虚拟仪器；数字电路；LabVIEW；仿真；钟控R-S触发器

引言

在数字电路的教学过程中，实验是一个重要的环节。传统的实验教学主要依赖价格昂贵的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高、实验设备功能单一、不宜扩展等问题。同时，在实验开展中还受到时间、地点和人力等方面的限制，致使实验教学不能有效地开展，从而影响教学质量。针对传统的数字电路实验教学中存在的上述问题，文章研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件队数字电路实验进行仿真设计，开发能够满足现代实验教学要求的仿真实验系统。

1 虚拟仪器与LabVIEW

虚拟仪器是指以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板上的旋钮、开关或按键来设置各种工作参数，启动或停止仪器，如同在真实仪器上的操作一样直观、方便，测量结果也在虚拟面板显示输出。

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的图形化虚拟仪器应用软件开发平台，具有直观易学、编程效率高等优点，用它来仿真各种仪器及虚拟电路具有独到之处。一个典型的LabVIEW程序由前面板、框图程序两个部分组成。在LabVIEW功能模板中包含着各种数字运算和逻辑运算模块，如“与、或、非”等，可以很方便地设计数字电路的仿真实验。

2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

在数字电路中，钟控R-S触发器是比较典型的时序逻辑电路，通过对钟控R-S触发器进行仿真实验设计，说明基于虚拟仪器对数字电路进行仿真实验的方法。

2.1 钟控R-S触发器的功能

对于钟控R-S触发器，当CP=0时，不论输入信号R和S如何变化，基本触发器输入信号全为1，触发器保持原状态不变。当CP=1时，输入信号R和S可以使触发器状态发生变化，且与基本触发器具有相同的逻辑功能。钟控R-S触发器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

2.2.1 钟控R-S触发器的前面板设计

虚拟仪器的前面板和传统仪器一样直接面向用户，用户通过面板上的各种按钮、开关等控件进行操作。钟控R-S触发器的前面板主要包括3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和停止按钮，2个数值型输入控件，分别代表时钟频率和占空比，2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'，以及1个数字波形图，用来输出仿真实验的结果。

2.2.2 钟控R-S触发器的程序框图设计

虚拟仪器编程软件LabVIEW不同于其他文本式的编程语言，使用图形化的G语言编写程序，用连线、图标等代替语法结构完成编程，产生的程序是框图和流程图的形式，这种编程方式能够大大提高开发程序的效率。在进行钟控R-S触发器的程序框图设计时，首先要编写两个重要的子vi：时钟脉冲.vi和RS触发器.vi。

（1）时钟脉冲.vi，在时序电路中，希望输入信号的翻转受时钟来控制，在前面板添加输入时钟开关控件、输出时钟指示灯控件、时钟频率和占空比两个数值控件。然后，在程序框图中添加条件结构，将输入时钟作为条件，将输入时钟的非运算结果作为输出。另外添加一个“等待”函数，每过一定时间，进入循环下一步后就将移位寄存器值翻转，每一步中的等待时长可以由占空比计算得出。

（2）RS触发器.vi，实现基本R-S触发器的逻辑特性。在前面板添加3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和时钟信号CP，以及2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'。在程序框图中需添加一个条件结构，将选择器连接至时钟信号CP。在时钟信号CP为真的条件分支内，添加必要的逻辑门函数，按照基本R-S触发器的特性方程进行连线，在时钟信号CP为假的条件分支内保持寄存器输出值不变。

接下来在主程序框图中设置一个While循环结构，将时钟脉冲.vi和RS触发器.vi这两个子vi添加到这个循环结构中，并为循环结构添加一个布尔型的移位寄存器来寄存时钟脉冲信号。将移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通过自动索引功能输出到循环结构外，与数字波形图相连接，作为输出图的纵轴数据，设置“等待”函数的输出值，同样通过自动索引功能输出到循环结构外，作为输出图的横轴时间数据。

3 钟控R-S触发器的仿真实验运行和结果

打开钟控R-S触发器的仿真实验程序，首先设置前面板的输入时钟频率和占空比与时钟脉冲.vi中的数值相同。接下来，点击LabVIEW中运行程序的按钮开始仿真实验。在虚拟前面板上点击两个输入端R、S的按钮调整不同的输入状态，就能即时地从前面板的两个输出端Q和Q'的指示灯上观察到亮暗变化，在数字波形图上显示输出端Q和Q'的状态波形。最后单击停止按钮，仿真实验程序运行结束。经过实验，仿真结果对应输入的CP、R、S值，输出Q和Q'的状态波形是完全正确的，从而证明文章的仿真实验方法切实可行。

将传统的数字电路实验方法和文章的仿真实验方法进行对比分析如下表1所示，可以发现基于虚拟仪器的数字电路仿真可以从很多方面改善传统的实验方式所存在的不足。

4 结束语

利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件，对数字电路的仿真实验进行了研究，对典型的数字电路即钟控R-S触发器进行仿真实验设计，并给出了仿真结果。仿真结果表明，采用虚拟仪器技术替代传统的实验设备进行数字电路的仿真和实验，减少了对硬件设备的依赖，降低了成本，提高了实验的灵活性和学生的参与程度，可以广泛应用于课堂的教学演示和数字电路实验室中。

参考文献

[1]候国屏，王 ，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005：5-25.

[2]杨颂华.数字电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：130-135.

[3]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003：5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及其远程测控[J].微计算机信息，2004，20（5）：66-67.

[5]张爱平.LabVIEW在电子测量教学中的应用[J].国外电子测量技术，2004，5：36-39.

作者简介：郭晓然（1981-），女，河北藁城人，讲师，研究方向是虚拟仪器、图像处理。endprint

摘 要：针对传统的数字电路实验教学中存在的不足，研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件进行数字电路仿真实验的方法。该方法在通用计算机上利用虚拟仪器软件设计编写前面板和框图程序完成数字电路的搭建，实现数字电路逻辑功能的仿真。对典型的钟控R-S触发器进行仿真实验，并给出了仿真结果，从而验证了该方法的正确性和可行性。

关键词：虚拟仪器；数字电路；LabVIEW；仿真；钟控R-S触发器

引言

在数字电路的教学过程中，实验是一个重要的环节。传统的实验教学主要依赖价格昂贵的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高、实验设备功能单一、不宜扩展等问题。同时，在实验开展中还受到时间、地点和人力等方面的限制，致使实验教学不能有效地开展，从而影响教学质量。针对传统的数字电路实验教学中存在的上述问题，文章研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件队数字电路实验进行仿真设计，开发能够满足现代实验教学要求的仿真实验系统。

1 虚拟仪器与LabVIEW

虚拟仪器是指以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板上的旋钮、开关或按键来设置各种工作参数，启动或停止仪器，如同在真实仪器上的操作一样直观、方便，测量结果也在虚拟面板显示输出。

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的图形化虚拟仪器应用软件开发平台，具有直观易学、编程效率高等优点，用它来仿真各种仪器及虚拟电路具有独到之处。一个典型的LabVIEW程序由前面板、框图程序两个部分组成。在LabVIEW功能模板中包含着各种数字运算和逻辑运算模块，如“与、或、非”等，可以很方便地设计数字电路的仿真实验。

2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

在数字电路中，钟控R-S触发器是比较典型的时序逻辑电路，通过对钟控R-S触发器进行仿真实验设计，说明基于虚拟仪器对数字电路进行仿真实验的方法。

2.1 钟控R-S触发器的功能

对于钟控R-S触发器，当CP=0时，不论输入信号R和S如何变化，基本触发器输入信号全为1，触发器保持原状态不变。当CP=1时，输入信号R和S可以使触发器状态发生变化，且与基本触发器具有相同的逻辑功能。钟控R-S触发器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

2.2.1 钟控R-S触发器的前面板设计

虚拟仪器的前面板和传统仪器一样直接面向用户，用户通过面板上的各种按钮、开关等控件进行操作。钟控R-S触发器的前面板主要包括3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和停止按钮，2个数值型输入控件，分别代表时钟频率和占空比，2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'，以及1个数字波形图，用来输出仿真实验的结果。

2.2.2 钟控R-S触发器的程序框图设计

虚拟仪器编程软件LabVIEW不同于其他文本式的编程语言，使用图形化的G语言编写程序，用连线、图标等代替语法结构完成编程，产生的程序是框图和流程图的形式，这种编程方式能够大大提高开发程序的效率。在进行钟控R-S触发器的程序框图设计时，首先要编写两个重要的子vi：时钟脉冲.vi和RS触发器.vi。

（1）时钟脉冲.vi，在时序电路中，希望输入信号的翻转受时钟来控制，在前面板添加输入时钟开关控件、输出时钟指示灯控件、时钟频率和占空比两个数值控件。然后，在程序框图中添加条件结构，将输入时钟作为条件，将输入时钟的非运算结果作为输出。另外添加一个“等待”函数，每过一定时间，进入循环下一步后就将移位寄存器值翻转，每一步中的等待时长可以由占空比计算得出。

（2）RS触发器.vi，实现基本R-S触发器的逻辑特性。在前面板添加3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和时钟信号CP，以及2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'。在程序框图中需添加一个条件结构，将选择器连接至时钟信号CP。在时钟信号CP为真的条件分支内，添加必要的逻辑门函数，按照基本R-S触发器的特性方程进行连线，在时钟信号CP为假的条件分支内保持寄存器输出值不变。

接下来在主程序框图中设置一个While循环结构，将时钟脉冲.vi和RS触发器.vi这两个子vi添加到这个循环结构中，并为循环结构添加一个布尔型的移位寄存器来寄存时钟脉冲信号。将移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通过自动索引功能输出到循环结构外，与数字波形图相连接，作为输出图的纵轴数据，设置“等待”函数的输出值，同样通过自动索引功能输出到循环结构外，作为输出图的横轴时间数据。

3 钟控R-S触发器的仿真实验运行和结果

打开钟控R-S触发器的仿真实验程序，首先设置前面板的输入时钟频率和占空比与时钟脉冲.vi中的数值相同。接下来，点击LabVIEW中运行程序的按钮开始仿真实验。在虚拟前面板上点击两个输入端R、S的按钮调整不同的输入状态，就能即时地从前面板的两个输出端Q和Q'的指示灯上观察到亮暗变化，在数字波形图上显示输出端Q和Q'的状态波形。最后单击停止按钮，仿真实验程序运行结束。经过实验，仿真结果对应输入的CP、R、S值，输出Q和Q'的状态波形是完全正确的，从而证明文章的仿真实验方法切实可行。

将传统的数字电路实验方法和文章的仿真实验方法进行对比分析如下表1所示，可以发现基于虚拟仪器的数字电路仿真可以从很多方面改善传统的实验方式所存在的不足。

4 结束语

利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件，对数字电路的仿真实验进行了研究，对典型的数字电路即钟控R-S触发器进行仿真实验设计，并给出了仿真结果。仿真结果表明，采用虚拟仪器技术替代传统的实验设备进行数字电路的仿真和实验，减少了对硬件设备的依赖，降低了成本，提高了实验的灵活性和学生的参与程度，可以广泛应用于课堂的教学演示和数字电路实验室中。

参考文献

[1]候国屏，王 ，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005：5-25.

[2]杨颂华.数字电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：130-135.

[3]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003：5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及其远程测控[J].微计算机信息，2004，20（5）：66-67.

[5]张爱平.LabVIEW在电子测量教学中的应用[J].国外电子测量技术，2004，5：36-39.

作者简介：郭晓然（1981-），女，河北藁城人，讲师，研究方向是虚拟仪器、图像处理。endprint

摘 要：针对传统的数字电路实验教学中存在的不足，研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件进行数字电路仿真实验的方法。该方法在通用计算机上利用虚拟仪器软件设计编写前面板和框图程序完成数字电路的搭建，实现数字电路逻辑功能的仿真。对典型的钟控R-S触发器进行仿真实验，并给出了仿真结果，从而验证了该方法的正确性和可行性。

关键词：虚拟仪器；数字电路；LabVIEW；仿真；钟控R-S触发器

引言

在数字电路的教学过程中，实验是一个重要的环节。传统的实验教学主要依赖价格昂贵的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高、实验设备功能单一、不宜扩展等问题。同时，在实验开展中还受到时间、地点和人力等方面的限制，致使实验教学不能有效地开展，从而影响教学质量。针对传统的数字电路实验教学中存在的上述问题，文章研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件队数字电路实验进行仿真设计，开发能够满足现代实验教学要求的仿真实验系统。

1 虚拟仪器与LabVIEW

虚拟仪器是指以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板上的旋钮、开关或按键来设置各种工作参数，启动或停止仪器，如同在真实仪器上的操作一样直观、方便，测量结果也在虚拟面板显示输出。

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的图形化虚拟仪器应用软件开发平台，具有直观易学、编程效率高等优点，用它来仿真各种仪器及虚拟电路具有独到之处。一个典型的LabVIEW程序由前面板、框图程序两个部分组成。在LabVIEW功能模板中包含着各种数字运算和逻辑运算模块，如“与、或、非”等，可以很方便地设计数字电路的仿真实验。

2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

在数字电路中，钟控R-S触发器是比较典型的时序逻辑电路，通过对钟控R-S触发器进行仿真实验设计，说明基于虚拟仪器对数字电路进行仿真实验的方法。

2.1 钟控R-S触发器的功能

对于钟控R-S触发器，当CP=0时，不论输入信号R和S如何变化，基本触发器输入信号全为1，触发器保持原状态不变。当CP=1时，输入信号R和S可以使触发器状态发生变化，且与基本触发器具有相同的逻辑功能。钟控R-S触发器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

2.2.1 钟控R-S触发器的前面板设计

虚拟仪器的前面板和传统仪器一样直接面向用户，用户通过面板上的各种按钮、开关等控件进行操作。钟控R-S触发器的前面板主要包括3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和停止按钮，2个数值型输入控件，分别代表时钟频率和占空比，2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'，以及1个数字波形图，用来输出仿真实验的结果。

2.2.2 钟控R-S触发器的程序框图设计

虚拟仪器编程软件LabVIEW不同于其他文本式的编程语言，使用图形化的G语言编写程序，用连线、图标等代替语法结构完成编程，产生的程序是框图和流程图的形式，这种编程方式能够大大提高开发程序的效率。在进行钟控R-S触发器的程序框图设计时，首先要编写两个重要的子vi：时钟脉冲.vi和RS触发器.vi。

（1）时钟脉冲.vi，在时序电路中，希望输入信号的翻转受时钟来控制，在前面板添加输入时钟开关控件、输出时钟指示灯控件、时钟频率和占空比两个数值控件。然后，在程序框图中添加条件结构，将输入时钟作为条件，将输入时钟的非运算结果作为输出。另外添加一个“等待”函数，每过一定时间，进入循环下一步后就将移位寄存器值翻转，每一步中的等待时长可以由占空比计算得出。

（2）RS触发器.vi，实现基本R-S触发器的逻辑特性。在前面板添加3个布尔型输入控件，分别代表输入端R、S和时钟信号CP，以及2个布尔型显示控件，分别代表输出端Q和Q'。在程序框图中需添加一个条件结构，将选择器连接至时钟信号CP。在时钟信号CP为真的条件分支内，添加必要的逻辑门函数，按照基本R-S触发器的特性方程进行连线，在时钟信号CP为假的条件分支内保持寄存器输出值不变。

接下来在主程序框图中设置一个While循环结构，将时钟脉冲.vi和RS触发器.vi这两个子vi添加到这个循环结构中，并为循环结构添加一个布尔型的移位寄存器来寄存时钟脉冲信号。将移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通过自动索引功能输出到循环结构外，与数字波形图相连接，作为输出图的纵轴数据，设置“等待”函数的输出值，同样通过自动索引功能输出到循环结构外，作为输出图的横轴时间数据。

3 钟控R-S触发器的仿真实验运行和结果

打开钟控R-S触发器的仿真实验程序，首先设置前面板的输入时钟频率和占空比与时钟脉冲.vi中的数值相同。接下来，点击LabVIEW中运行程序的按钮开始仿真实验。在虚拟前面板上点击两个输入端R、S的按钮调整不同的输入状态，就能即时地从前面板的两个输出端Q和Q'的指示灯上观察到亮暗变化，在数字波形图上显示输出端Q和Q'的状态波形。最后单击停止按钮，仿真实验程序运行结束。经过实验，仿真结果对应输入的CP、R、S值，输出Q和Q'的状态波形是完全正确的，从而证明文章的仿真实验方法切实可行。

将传统的数字电路实验方法和文章的仿真实验方法进行对比分析如下表1所示，可以发现基于虚拟仪器的数字电路仿真可以从很多方面改善传统的实验方式所存在的不足。

4 结束语

利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件，对数字电路的仿真实验进行了研究，对典型的数字电路即钟控R-S触发器进行仿真实验设计，并给出了仿真结果。仿真结果表明，采用虚拟仪器技术替代传统的实验设备进行数字电路的仿真和实验，减少了对硬件设备的依赖，降低了成本，提高了实验的灵活性和学生的参与程度，可以广泛应用于课堂的教学演示和数字电路实验室中。

参考文献

[1]候国屏，王 ，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005：5-25.

[2]杨颂华.数字电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：130-135.

[3]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003：5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及其远程测控[J].微计算机信息，2004，20（5）：66-67.

[5]张爱平.LabVIEW在电子测量教学中的应用[J].国外电子测量技术，2004，5：36-39.

作者简介：郭晓然（1981-），女，河北藁城人，讲师，研究方向是虚拟仪器、图像处理。endprint