虚拟数字电路实验系统研究与实现

王园园

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

虚拟数字电路实验系统研究与实现

王园园

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛726000）

为了解决传统硬件类数字电路实验仪器功能单一、电路连接过程复杂、实验场地固定等问题，设计了基于LabVIEW的虚拟数字电路实验系统，以8-3线编码器和RS触发器为例详细介绍了系统的设计方法及思路。该系统使用方便灵活、性能稳定、实验误差小。

数字电路；虚拟仪器；LabVIEW

数字电路实验课程是高等院校理工科专业必修的基础课，在近代，有很多实验仪器可以用来做数字电路实验设计，如HYDZ-501B型数字电子电路实验装置、NICE-H万能实验器等[1]。随着EDA技术的发展，如Altium公司在20世纪80年代末推出的EDA软件PROTEL[2]，Interactive Image Technologies(Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具Multisim等[3-4]，适用于初级的模拟/数字电路板的设计工作。但硬件类实验仪器功能是固定的，开发新的实验项目需要重新购入设备，且仪器数量很难满足学生的需求，仿真软件适合设计工作，并不适用于数字电路初期实验的学习[4-5]。而虚拟仪器技术为解决这些问题提供了可能性，本文以LabVIEW为实验平台设计了数字电路实验系统，摆脱了传统仪器的束缚，在学生透彻地了解仪器的功能和芯片的功能的同时，将课本上的抽象理论知识应用到实验中。

1 设计平台及总体结构设计

虚拟仪器这一概念是由美国NI(National Instruments)公司提出来的，这一概念的提出引起了仪器领域的一场重大变革，使计算机网络技术进入了仪器技术领域，从而开辟了虚拟仪器新时代[6]。LabVIEW是虚拟仪器设计的工程平台之一。本文选择LabVIEW作为软件设计平台的原因有：LabVIEW使用图形话语言G语言进行程序设计，G语言与流程图在某种程度上相似，缩短软件设计周期，且程序直观易懂[7]；LabVIEW提供了布尔量以及大量的集成模块；LabVIEW有设置断点、单步执行等传统的调试工具，以及利用动画方式显示数据及子程序的结果，这些都便于程序的调试及观察数据流，在实验过程中，可以通过调试功能观察程序的实现方法，有利于课堂知识的巩固；LabVIEW中子程序除可以作为子程序被调用外，还可以独立运行，实现因此设计的电子器件既可以进行基础性实验也可以实现设计性实验。

常用的数字电路实验分为2类：一类是组合逻辑电路如加法器、编码器、译码器和数据选择器等；一类是时序电路实验如触发器、寄存器、计数器等实验[8]。本次平台主要实现半加器、8线3线编码器、BCD-七段码显示译码器，四选一数据选择器，时钟脉冲，全加器，同步二进制计数器，JK触发器，RS触发器，T触发器等内容。本系统主要进行了基本逻辑电路设计，适用于初学者。

2 组合逻辑电路实验设计

以8线-3线编码器为例进行组合逻辑电路实验的设计分析。编码的定义就是对不同的事物使用不同的二进制代码进行区分，而在数字电路中的编码器其逻辑功能就是把每一个输入的高低电平信号编成不同的二进制代码。常用的编码器有普通编码器与优先编码器，8线-3线编码器有8个输入信号，但合法的输入信号就只有8组，对应的输出以3个电平信号表示。其真值表如表1所示[8]。

表1 8线-3线编码器真值表

按照表1所示的真值表，写出其逻辑表达式，化简后表达式：

根据其逻辑关系用LabVIEW编写流程框图，具体操作步骤如下：

新建“8线-3线编码器.vi”,在前面板上选取布尔型控件，含有I0-I7共8个输入变量，Y0-Y2三个输出变量；在程序框图中添加一些复合运算函数，即83编码器中需要的运算函数式逻辑或函数；再按照(1)式的关系进行连线，需确保其逻辑功能正确，就能得出相应的逻辑关系VI，再进行相应的调试修改，就能得到最终程序前面板及相应的说明。如图1所示。

图1 编码器的前面板

程序框图如图2所示。

图2 编码器的程序电路面板

3 时序电路实验设计

3.1 时钟脉冲

时钟脉冲，也称之为时钟信号，为所有逻辑电路中的基本组成单元，所有的时序逻辑电路有它才能正常运行，产生一定的频率，一定占空比的周期性电位跳变信号，来同步电路中的其他单元工作时序。时钟脉冲部分实验设计为子程序的形式，在后续触发器设计中进行调用。程序前后面板如图3所示。

图3 时钟信号前后面板

3.2 RS触发器的设计

RS触发器的特性方程：

在LabVIEW实现RS触发器的仿真过程，具体步骤如下：

新建“RS触发器.vi”,在前面板上添加布尔型输入控件，分别表示输入端S,R和时钟信号CP,以及显示控件，代表输出；保证时钟信号CP为高电平时允许触发器动作，否则保持原态；在时钟信号CP为真的条件分支内，添加逻辑门函数，与门，或门及非门等。按照逻辑特性连线即可实现；将上述的VI封装成子VI；RS的基本逻辑功能已实现，但要在时钟信号的驱动下持续触发，添加While循环，并添加一个布尔型的移位寄存器来寄存时钟脉冲信号；输出的时钟信号和触发器输出值连接到数字波形图进行显示，就可以观察到主要信号的变化过程，如图4所示。程序框图如图5所示。

图4 RS触发器的前面板

图5 RS触发器的程序电路面板

4 系统界面设计

数字仿真实验平台包括常见电子元器件识别、基础实验、综合实验三个模块，使用时点击相应模块即可调用，在电子元器件识别中介绍了常见电子元件、芯片等，基础实验、综合实验调用相应模块可查看每一个基本实验的仿真过程和其程序框图，实验平台如图6所示。

图6 数字电路仿真实验平台

5 结语

基于LabVIEW开发的“虚拟实验平台”，操作容易、形象生动，便于理解掌握，且实验平台可生成应用程序，学生可脱离实验室进行操作，提高教学质量和效果。后期工作可进一步完善功能，结合网络技术使实验平台网络化，实现实验教学的多样化发展。

[1]徐琼燕.数字电路及EDA实验系统设计及其应用[D].南昌：南昌大学,2008：4-5.

[2]刘立军.常用EDA软件简介[J].计算机光盘软件与应用,2013,16(3)：147-148.

[3]吴晓荣.Multisim在电子技术实验教学中应用的研究[J].天津师范大学学报：自然科学版,2012,20(3)：222-227.

[4]姜俊敏.基于LabVIEW和ARM的便携多功能电子技术基础试验箱设计[J].中国现代教育装备,2011(7)：73-76.

[5]唐卫斌.用Verilog语言设计任意次ASIC分频器[J].商洛学院学报,2013,27(2)：15-18.

[6]左昉.LabVIEW2013中文版虚拟仪器从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2014：20-30.

[7]段国艳.电子技术虚拟实验系统研究与开发[D].成都：西南交通大学,2013：2-6.

[8]康华光,邹寿彬.电子技术基础(数字部分)[M].北京：高等教育出版社,2008：40-70.

（责任编辑：李堆淑）

Research and Realization of Virtual Digital Circuits Experimental System

WANG Yuan-yuan
（College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo726000, Shaanxi）

In order to solve the problem of the traditional digtial circuit,such as single function of instrument,complex of circuit connection,fixation of theexperimental site and so on,a digital circuit experiment system based on LabVIEW technology is designed,with the 8-3 encoder and RS trigger as example to introduces the design method and ideas of the system.The system is convenient and flexible to sue,stable performance and small experiment error.

digital circuit;virtual instrument;LabVIEW

G642

A

1674-0033（2015）02-0051-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.013

2015-01-06

王园园，女，陕西洛南人，硕士，助教