NI ELVIS在数字电路实验教学中的应用

张亚周 李香宇 孙雪丽

摘 要 针对数字电路课程在实验教学环节中存在的问题，将NI ELVIS引入实验教学过程，虚实结合，“软”“硬”兼顾，以充分调动学生学习的积极性和能动性，着力培养学生的创新思维和实践意识，全面提高学生综合运用所学知识的素质和能力。

关键词 数字电路；NI ELVIS；实验教学；虚拟仿真实验教学；Multisim

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）23-0132-03

Abstract Against problems existed in teaching of digital circuit ex-perimental courses， NI ELVIS was introduced into the classroom. We combined virtual and real equipment， and considered both software and hardware， aiming at motivating the students enthusiasm and ini-tiatives， and cultivating both their innovative thinking and awareness of practice as well. Thus， we hoped to fully improve the students qualities and abilities in using the knowledge theyve learnt.

Key words digital circuit； NI ELVIS； experimental teaching； virtual simulation experiment teaching； Multisim

1 前言

伴随着近年来电子技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，数字技术在现代社会中得到越来越广泛的应用，同时对数字电路课程的教学工作提出更高的要求。数字电路实验作为一门基础实验课程，在电气自動化、电子工程等专业本科课程教学体系中处于非常重要的地位。特别是在现代社会竞争日渐加剧的时代背景下，要求高等学校应当更加注重对学生认知能力和综合素质的培养，强调在以探索和研究为基础的教学过程中激发学生的学习兴趣、求知欲和强烈好奇心，树立追求真知的远大志向，具备终身学习能力。

2 课程性质及实验教学中存在的问题分析

数字电路课程以逻辑代数及其化简、组合逻辑电路、时序逻辑电路等作为基本内容，具有较强的理论性、应用性和工程实践性等特征。该课程的根本目的在于培养学生分析和解决问题的专业素质及能力，在综合运用所学知识的基础上进行具体数字电路的分析和设计，为学生将来能够综合运用所学知识解决工程实践问题打下良好的基础。因此来说，优化该课程的实践教学环节，对提高课程教学质量至关重要，对提高学生基础科学素养、培养创新意识和实践操作能力等具有非常突出的价值和意义。

当前，数字电路实验课程主要存在下面几个问题。

1）实验教学效果不佳，难以为理论课堂教学提供有效支撑。笔者在教学中发现，在传统实验教学中，学生在课前预习实验原理、实验目的和实验步骤等内容时，其实有相当一部分学生对实验具体操作并不是特别清楚。而且在实验教学过程中，学生只是按照教师讲解的操作规范要求来完成接线。当出现实际测量数据与理论不相吻合时，绝大多数学生并不愿意去探究其现象背后的原因，更有甚者甚至篡改实验数据，敷衍了事。最终结果实验报告千篇一律，几乎没有新的思考和发现。此外，由于受实验面板限制，也有部分学生希望完成一些较复杂实验项目的开发却无法实现，这也违背了实验教学的初衷[1]。

2）实验内容缺乏综合性，不利于学生综合实践能力的培养。根据学校现有教学模式，数字电路总共70学时，其中理论授课60学时，占86%。主要采用先理论讲授后进行实验的传统教学方式，并且数字电路实验普遍采用TTL或CMOS等常规逻辑器件，而实验内容就是将这些器件连接构成不同功能的组合电路和时序电路。实验电路板硬件所决定的功能不能随意更改，学生的思维受到一定限制。而且中小规模的逻辑器件常常是以单元电路为主，内容单一，不利于学生综合电路设计能力的提高[2]。因此，如何激发学生的兴趣，让他们喜欢留在教室及实验室中是一项很大的挑战。NI ELVIS可以解决上述难题，不仅能提供吸引人的、亲手实践的体验，还在理论与原型之间起到桥梁的作用。

3 NI ELVIS和Multisim简介

NI ELVIS NI ELVIS是由美国国家仪器公司开发的一套集成了包括示波器、函数发生器、数字万用表等在内12款最常用仪器的教学实验室虚拟仪器套件，具有以下几个主要特点。

1）作为基于NI LabVIEW的图形化系统设计软件，NI ELVIS具备虚拟仪器技术的灵活性及自定义功能，适用于电路设计、仪器控制和无线通信等多种教学场合[3]。学生通过套件中包含的12款最常用仪器，能够简单、快速地实现所需的各种测试测量。此外，NI ELVIS也是NI电子教育平台中的重要部分，通过紧密结合NI Multisim采集及仿真环境，可以实现NI ELVIS板载电路的测量及仿真，实现仿真与原型的平滑无缝转换。

2）NI ELVIS可通过USB与PC快速连接，提高了便携性，并且大缩短了故障排除时间。通过NI ELVIS平台上安装的NI ELVISmx驱动及NI ELVISmx Instru-ment Launcher软件，用户可以对全部12款仪器进行快速连接和配置[4]。此外，通过NI ELVIS与Multi-sim的集成，用户可在Multisim中使用NI ELVIS虚拟仪器来设计电路，并且以3D仿真的方式在NI ELVIS开发板上予以实现。

Multisim Multisim是一款通过SPICE实现仿真、设计及验证电路的软件包，专门用于电子线路计算机辅助分析和设计。它基于元器件库，以图形方式创建电路并直接调用和修改元器件及参数，完成从电路仿真设计到电路版图生成的全过程，操作方便、界面形象[5]，实现“软件即元器件”“软件即仪器”。通过轻易地绘制出一些常用Mul-tisim电路，可以让学生在仿真环境下学习书本上的理论知识，并观察预期的理论结果；而且学生可以边设计边实验，修改调试方便[6]。在仿真结束后，学生还可以在NI ELVIS平台上做电路原型设计，并同仿真测量数据项进行对比，从而拓展仿真经验。

4 应用举例

本节以时序逻辑电路中的六进制减法计数器设计为例，探讨NI ELVIS在数字电路实践教学中的具体应用。时序逻辑电路是数字电路课程的一个重点内容，而计数器作为典型的时序逻辑电路，被广泛应用于各种数字系统之中。计数器的设计可采用边沿触发器或者中规模集成计数器，涉及时钟脉冲控制方式（同步/异步）、集成芯片扩展及置位/复位端设置等多个问题，能够很好地锻炼学生的综合分析与设计能力[1]。

首先，学生可以根据理论课堂教学所掌握知识，按照要求设计出六进制减法计数器，并在设计完成后利用Mul-tisim软件来验证所设计电路的正确性，如图1所示。基于Multisim功能强大的元器件库，学生可以在仿真过程中任意选择元器件而不受其来源上的限制，并且降低了元器件的损耗率。并且，学生可以多次反复验证自己的各种想法，直至完成电路设计的全部任务。在整个过程中，所有操作都是在软件中进行，在出现问题时也便于查找原因并进行修改，省时、省力、高效[7]。接下来，在通过Multisim完成虚拟仿真实验后，学生再到NI ELVIS面板上进行相应电路的搭建，两者的布线是完全相同的，如图2所示。

利用NI ELVIS信号发生器产生方波信号作为计数器的时钟脉冲。在此过程中可以设置方波信号的频率、幅度等参数（图3-a）。ELVIS的数字I/O模块对应引脚共有24个，序号从0～23，每八个引脚为一组，每个引脚都可以根据用户需要配置成输入/输出接口。在本例中，将8～15引脚设置为输入接口，利用Digital Writer面板将8、9两个通道分别作为置位端和复位端（图3-b），开始时让置位端处于有效电平，计数器置5，然后置位端接高电平；将0～

7引脚设置为输出接口；通过Digital Reader面板0～2通道分别作为计数器的低位到高位，灯亮表示“1”，灯灭表示“0”，通过三个通道可以清楚看到整个计数过程（图3-c）。

通过在仿真测试完成后再进行实际电路的搭建，大大提高了电路调试的成功率，缩短了调试时间，并且显著降低了实验室的器材损耗。同时，这种方式也在很大程度上锻炼了学生的思考和动手能力，激发了他们对实验课的兴趣。在实验课程教学的具体实践中，學生普遍反映良好，实验教学效果得到明显增强。

5 结语

为加快《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》在高等院校贯彻落实，教育部高教司早在2013年9月发布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中，就提出将虚拟仿真实验教学列为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，要求充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。

数字电路实验课是数字电路课程教学过程中的一个重要环节，对学生巩固理论知识，培养动手操作能力、创新能力、知识应用能力及严谨求实的学习态度具有重要作用。借助NI虚拟仪器综合实验平台及配套仿真实验板，在进行实验时将“虚拟”与“实物”相结合，按照“理论导入，虚实结合，仿真设计，实物验证”的实验方式[8]，将十分有助于充分发挥学生学习的主观能动性，最终达到培养学生的创新思维和实践意识，全面提高综合运用所学知识的素质和能力的目的，实现学生在工程思想和创新动手实践方面的双提升。

参考文献

[1]侯刚，王洁，林驰.“模拟与数字电路”Proteus虚拟实验教学设计[J].实验室科学，2016，19（2）：142-147.

[2]李洪海.EDA技术在数字电路课程实践教学中作用的研究[J].科技信息，2009（14）：86.

[3]王冠华，吴永佩.ELVIS电路原型设计及测试[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4]NI公司.什么是NI ELVIS？[EB/OL].http：//www.ni.com/zh-cn/shop/engineering-education/engineering-lab-stations/ni-elvis-engineering-lab-workstation/what-is-ni-elvis.html.

[5]聂典，李北雁，等.Multisim 12仿真设计[M].北京：电子工业出版社，2016.

[6]曾思明.Multisim 10.0在数字电路实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2010（23）：97-99.

[7]王鑫，李涛，马丽华.EDA仿真技术在数字电路的应用[J].中国科技纵横，2013（6）：39.

[8]郑宽磊，陈柳.Multisim仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用[J].中国电力教育，2014（8）：166-167，169.