摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)的方法。該方法在通用計(jì)算機(jī)上利用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)前面板和框圖程序完成數(shù)字電路的搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路邏輯功能的仿真。對(duì)典型的鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并給出了仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字電路；LabVIEW；仿真；鐘控R-S觸發(fā)器

引言

在數(shù)字電路的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一、不宜擴(kuò)展等問(wèn)題。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展中還受到時(shí)間、地點(diǎn)和人力等方面的限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能有效地開(kāi)展，從而影響教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，文章研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件隊(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 虛擬儀器與LabVIEW

虛擬儀器是指以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)或按鍵來(lái)設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器，如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便，測(cè)量結(jié)果也在虛擬面板顯示輸出。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的圖形化虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有直觀易學(xué)、編程效率高等優(yōu)點(diǎn)，用它來(lái)仿真各種儀器及虛擬電路具有獨(dú)到之處。一個(gè)典型的LabVIEW程序由前面板、框圖程序兩個(gè)部分組成。在LabVIEW功能模板中包含著各種數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算模塊，如“與、或、非”等，可以很方便地設(shè)計(jì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)。

2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路中，鐘控R-S觸發(fā)器是比較典型的時(shí)序邏輯電路，通過(guò)對(duì)鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，說(shuō)明基于虛擬儀器對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法。

2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的功能

對(duì)于鐘控R-S觸發(fā)器，當(dāng)CP=0時(shí)，不論輸入信號(hào)R和S如何變化，基本觸發(fā)器輸入信號(hào)全為1，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。當(dāng)CP=1時(shí)，輸入信號(hào)R和S可以使觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生變化，且與基本觸發(fā)器具有相同的邏輯功能。鐘控R-S觸發(fā)器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的前面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器的前面板和傳統(tǒng)儀器一樣直接面向用戶，用戶通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控件進(jìn)行操作。鐘控R-S觸發(fā)器的前面板主要包括3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和停止按鈕，2個(gè)數(shù)值型輸入控件，分別代表時(shí)鐘頻率和占空比，2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'，以及1個(gè)數(shù)字波形圖，用來(lái)輸出仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)

虛擬儀器編程軟件LabVIEW不同于其他文本式的編程語(yǔ)言，使用圖形化的G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，用連線、圖標(biāo)等代替語(yǔ)法結(jié)構(gòu)完成編程，產(chǎn)生的程序是框圖和流程圖的形式，這種編程方式能夠大大提高開(kāi)發(fā)程序的效率。在進(jìn)行鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)時(shí)，首先要編寫(xiě)兩個(gè)重要的子vi：時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi。

（1）時(shí)鐘脈沖.vi，在時(shí)序電路中，希望輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)受時(shí)鐘來(lái)控制，在前面板添加輸入時(shí)鐘開(kāi)關(guān)控件、輸出時(shí)鐘指示燈控件、時(shí)鐘頻率和占空比兩個(gè)數(shù)值控件。然后，在程序框圖中添加條件結(jié)構(gòu)，將輸入時(shí)鐘作為條件，將輸入時(shí)鐘的非運(yùn)算結(jié)果作為輸出。另外添加一個(gè)“等待”函數(shù)，每過(guò)一定時(shí)間，進(jìn)入循環(huán)下一步后就將移位寄存器值翻轉(zhuǎn)，每一步中的等待時(shí)長(zhǎng)可以由占空比計(jì)算得出。

（2）RS觸發(fā)器.vi，實(shí)現(xiàn)基本R-S觸發(fā)器的邏輯特性。在前面板添加3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和時(shí)鐘信號(hào)CP，以及2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'。在程序框圖中需添加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，將選擇器連接至?xí)r鐘信號(hào)CP。在時(shí)鐘信號(hào)CP為真的條件分支內(nèi)，添加必要的邏輯門函數(shù)，按照基本R-S觸發(fā)器的特性方程進(jìn)行連線，在時(shí)鐘信號(hào)CP為假的條件分支內(nèi)保持寄存器輸出值不變。

接下來(lái)在主程序框圖中設(shè)置一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)，將時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi這兩個(gè)子vi添加到這個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，并為循環(huán)結(jié)構(gòu)添加一個(gè)布爾型的移位寄存器來(lái)寄存時(shí)鐘脈沖信號(hào)。將移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，與數(shù)字波形圖相連接，作為輸出圖的縱軸數(shù)據(jù)，設(shè)置“等待”函數(shù)的輸出值，同樣通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，作為輸出圖的橫軸時(shí)間數(shù)據(jù)。

3 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和結(jié)果

打開(kāi)鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)程序，首先設(shè)置前面板的輸入時(shí)鐘頻率和占空比與時(shí)鐘脈沖.vi中的數(shù)值相同。接下來(lái)，點(diǎn)擊LabVIEW中運(yùn)行程序的按鈕開(kāi)始仿真實(shí)驗(yàn)。在虛擬前面板上點(diǎn)擊兩個(gè)輸入端R、S的按鈕調(diào)整不同的輸入狀態(tài)，就能即時(shí)地從前面板的兩個(gè)輸出端Q和Q'的指示燈上觀察到亮暗變化，在數(shù)字波形圖上顯示輸出端Q和Q'的狀態(tài)波形。最后單擊停止按鈕，仿真實(shí)驗(yàn)程序運(yùn)行結(jié)束。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)輸入的CP、R、S值，輸出Q和Q'的狀態(tài)波形是完全正確的，從而證明文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法切實(shí)可行。

將傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)方法和文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析如下表1所示，可以發(fā)現(xiàn)基于虛擬儀器的數(shù)字電路仿真可以從很多方面改善傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式所存在的不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件，對(duì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，對(duì)典型的數(shù)字電路即鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并給出了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，采用虛擬儀器技術(shù)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴，降低了成本，提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性和學(xué)生的參與程度，可以廣泛應(yīng)用于課堂的教學(xué)演示和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室中。

參考文獻(xiàn)

[1]候國(guó)屏，王 ，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：5-25.

[2]楊頌華.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：130-135.

[3]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虛擬示波器及其遠(yuǎn)程測(cè)控[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（5）：66-67.

[5]張愛(ài)平.LabVIEW在電子測(cè)量教學(xué)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004，5：36-39.

作者簡(jiǎn)介：郭曉然（1981-），女，河北藁城人，講師，研究方向是虛擬儀器、圖像處理。endprint

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)的方法。該方法在通用計(jì)算機(jī)上利用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)前面板和框圖程序完成數(shù)字電路的搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路邏輯功能的仿真。對(duì)典型的鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并給出了仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字電路；LabVIEW；仿真；鐘控R-S觸發(fā)器

引言

在數(shù)字電路的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一、不宜擴(kuò)展等問(wèn)題。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展中還受到時(shí)間、地點(diǎn)和人力等方面的限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能有效地開(kāi)展，從而影響教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，文章研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件隊(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 虛擬儀器與LabVIEW

虛擬儀器是指以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)或按鍵來(lái)設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器，如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便，測(cè)量結(jié)果也在虛擬面板顯示輸出。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的圖形化虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有直觀易學(xué)、編程效率高等優(yōu)點(diǎn)，用它來(lái)仿真各種儀器及虛擬電路具有獨(dú)到之處。一個(gè)典型的LabVIEW程序由前面板、框圖程序兩個(gè)部分組成。在LabVIEW功能模板中包含著各種數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算模塊，如“與、或、非”等，可以很方便地設(shè)計(jì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)。

2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路中，鐘控R-S觸發(fā)器是比較典型的時(shí)序邏輯電路，通過(guò)對(duì)鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，說(shuō)明基于虛擬儀器對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法。

2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的功能

對(duì)于鐘控R-S觸發(fā)器，當(dāng)CP=0時(shí)，不論輸入信號(hào)R和S如何變化，基本觸發(fā)器輸入信號(hào)全為1，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。當(dāng)CP=1時(shí)，輸入信號(hào)R和S可以使觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生變化，且與基本觸發(fā)器具有相同的邏輯功能。鐘控R-S觸發(fā)器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的前面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器的前面板和傳統(tǒng)儀器一樣直接面向用戶，用戶通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控件進(jìn)行操作。鐘控R-S觸發(fā)器的前面板主要包括3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和停止按鈕，2個(gè)數(shù)值型輸入控件，分別代表時(shí)鐘頻率和占空比，2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'，以及1個(gè)數(shù)字波形圖，用來(lái)輸出仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)

虛擬儀器編程軟件LabVIEW不同于其他文本式的編程語(yǔ)言，使用圖形化的G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，用連線、圖標(biāo)等代替語(yǔ)法結(jié)構(gòu)完成編程，產(chǎn)生的程序是框圖和流程圖的形式，這種編程方式能夠大大提高開(kāi)發(fā)程序的效率。在進(jìn)行鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)時(shí)，首先要編寫(xiě)兩個(gè)重要的子vi：時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi。

（1）時(shí)鐘脈沖.vi，在時(shí)序電路中，希望輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)受時(shí)鐘來(lái)控制，在前面板添加輸入時(shí)鐘開(kāi)關(guān)控件、輸出時(shí)鐘指示燈控件、時(shí)鐘頻率和占空比兩個(gè)數(shù)值控件。然后，在程序框圖中添加條件結(jié)構(gòu)，將輸入時(shí)鐘作為條件，將輸入時(shí)鐘的非運(yùn)算結(jié)果作為輸出。另外添加一個(gè)“等待”函數(shù)，每過(guò)一定時(shí)間，進(jìn)入循環(huán)下一步后就將移位寄存器值翻轉(zhuǎn)，每一步中的等待時(shí)長(zhǎng)可以由占空比計(jì)算得出。

（2）RS觸發(fā)器.vi，實(shí)現(xiàn)基本R-S觸發(fā)器的邏輯特性。在前面板添加3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和時(shí)鐘信號(hào)CP，以及2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'。在程序框圖中需添加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，將選擇器連接至?xí)r鐘信號(hào)CP。在時(shí)鐘信號(hào)CP為真的條件分支內(nèi)，添加必要的邏輯門函數(shù)，按照基本R-S觸發(fā)器的特性方程進(jìn)行連線，在時(shí)鐘信號(hào)CP為假的條件分支內(nèi)保持寄存器輸出值不變。

接下來(lái)在主程序框圖中設(shè)置一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)，將時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi這兩個(gè)子vi添加到這個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，并為循環(huán)結(jié)構(gòu)添加一個(gè)布爾型的移位寄存器來(lái)寄存時(shí)鐘脈沖信號(hào)。將移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，與數(shù)字波形圖相連接，作為輸出圖的縱軸數(shù)據(jù)，設(shè)置“等待”函數(shù)的輸出值，同樣通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，作為輸出圖的橫軸時(shí)間數(shù)據(jù)。

3 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和結(jié)果

打開(kāi)鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)程序，首先設(shè)置前面板的輸入時(shí)鐘頻率和占空比與時(shí)鐘脈沖.vi中的數(shù)值相同。接下來(lái)，點(diǎn)擊LabVIEW中運(yùn)行程序的按鈕開(kāi)始仿真實(shí)驗(yàn)。在虛擬前面板上點(diǎn)擊兩個(gè)輸入端R、S的按鈕調(diào)整不同的輸入狀態(tài)，就能即時(shí)地從前面板的兩個(gè)輸出端Q和Q'的指示燈上觀察到亮暗變化，在數(shù)字波形圖上顯示輸出端Q和Q'的狀態(tài)波形。最后單擊停止按鈕，仿真實(shí)驗(yàn)程序運(yùn)行結(jié)束。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)輸入的CP、R、S值，輸出Q和Q'的狀態(tài)波形是完全正確的，從而證明文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法切實(shí)可行。

將傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)方法和文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析如下表1所示，可以發(fā)現(xiàn)基于虛擬儀器的數(shù)字電路仿真可以從很多方面改善傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式所存在的不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件，對(duì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，對(duì)典型的數(shù)字電路即鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并給出了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，采用虛擬儀器技術(shù)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴，降低了成本，提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性和學(xué)生的參與程度，可以廣泛應(yīng)用于課堂的教學(xué)演示和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室中。

參考文獻(xiàn)

[1]候國(guó)屏，王 ，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：5-25.

[2]楊頌華.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：130-135.

[3]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虛擬示波器及其遠(yuǎn)程測(cè)控[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（5）：66-67.

[5]張愛(ài)平.LabVIEW在電子測(cè)量教學(xué)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004，5：36-39.

作者簡(jiǎn)介：郭曉然（1981-），女，河北藁城人，講師，研究方向是虛擬儀器、圖像處理。endprint

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)的方法。該方法在通用計(jì)算機(jī)上利用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)前面板和框圖程序完成數(shù)字電路的搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路邏輯功能的仿真。對(duì)典型的鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并給出了仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字電路；LabVIEW；仿真；鐘控R-S觸發(fā)器

引言

在數(shù)字電路的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一、不宜擴(kuò)展等問(wèn)題。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展中還受到時(shí)間、地點(diǎn)和人力等方面的限制，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能有效地開(kāi)展，從而影響教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，文章研究利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件隊(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 虛擬儀器與LabVIEW

虛擬儀器是指以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)或按鍵來(lái)設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器，如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便，測(cè)量結(jié)果也在虛擬面板顯示輸出。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的圖形化虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有直觀易學(xué)、編程效率高等優(yōu)點(diǎn)，用它來(lái)仿真各種儀器及虛擬電路具有獨(dú)到之處。一個(gè)典型的LabVIEW程序由前面板、框圖程序兩個(gè)部分組成。在LabVIEW功能模板中包含著各種數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算模塊，如“與、或、非”等，可以很方便地設(shè)計(jì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)。

2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路中，鐘控R-S觸發(fā)器是比較典型的時(shí)序邏輯電路，通過(guò)對(duì)鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，說(shuō)明基于虛擬儀器對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法。

2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的功能

對(duì)于鐘控R-S觸發(fā)器，當(dāng)CP=0時(shí)，不論輸入信號(hào)R和S如何變化，基本觸發(fā)器輸入信號(hào)全為1，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。當(dāng)CP=1時(shí)，輸入信號(hào)R和S可以使觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生變化，且與基本觸發(fā)器具有相同的邏輯功能。鐘控R-S觸發(fā)器的特征方程如式1所示。

（1）

2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 鐘控R-S觸發(fā)器的前面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器的前面板和傳統(tǒng)儀器一樣直接面向用戶，用戶通過(guò)面板上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)等控件進(jìn)行操作。鐘控R-S觸發(fā)器的前面板主要包括3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和停止按鈕，2個(gè)數(shù)值型輸入控件，分別代表時(shí)鐘頻率和占空比，2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'，以及1個(gè)數(shù)字波形圖，用來(lái)輸出仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2.2.2 鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)

虛擬儀器編程軟件LabVIEW不同于其他文本式的編程語(yǔ)言，使用圖形化的G語(yǔ)言編寫(xiě)程序，用連線、圖標(biāo)等代替語(yǔ)法結(jié)構(gòu)完成編程，產(chǎn)生的程序是框圖和流程圖的形式，這種編程方式能夠大大提高開(kāi)發(fā)程序的效率。在進(jìn)行鐘控R-S觸發(fā)器的程序框圖設(shè)計(jì)時(shí)，首先要編寫(xiě)兩個(gè)重要的子vi：時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi。

（1）時(shí)鐘脈沖.vi，在時(shí)序電路中，希望輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)受時(shí)鐘來(lái)控制，在前面板添加輸入時(shí)鐘開(kāi)關(guān)控件、輸出時(shí)鐘指示燈控件、時(shí)鐘頻率和占空比兩個(gè)數(shù)值控件。然后，在程序框圖中添加條件結(jié)構(gòu)，將輸入時(shí)鐘作為條件，將輸入時(shí)鐘的非運(yùn)算結(jié)果作為輸出。另外添加一個(gè)“等待”函數(shù)，每過(guò)一定時(shí)間，進(jìn)入循環(huán)下一步后就將移位寄存器值翻轉(zhuǎn)，每一步中的等待時(shí)長(zhǎng)可以由占空比計(jì)算得出。

（2）RS觸發(fā)器.vi，實(shí)現(xiàn)基本R-S觸發(fā)器的邏輯特性。在前面板添加3個(gè)布爾型輸入控件，分別代表輸入端R、S和時(shí)鐘信號(hào)CP，以及2個(gè)布爾型顯示控件，分別代表輸出端Q和Q'。在程序框圖中需添加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，將選擇器連接至?xí)r鐘信號(hào)CP。在時(shí)鐘信號(hào)CP為真的條件分支內(nèi)，添加必要的邏輯門函數(shù)，按照基本R-S觸發(fā)器的特性方程進(jìn)行連線，在時(shí)鐘信號(hào)CP為假的條件分支內(nèi)保持寄存器輸出值不變。

接下來(lái)在主程序框圖中設(shè)置一個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)，將時(shí)鐘脈沖.vi和RS觸發(fā)器.vi這兩個(gè)子vi添加到這個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，并為循環(huán)結(jié)構(gòu)添加一個(gè)布爾型的移位寄存器來(lái)寄存時(shí)鐘脈沖信號(hào)。將移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，與數(shù)字波形圖相連接，作為輸出圖的縱軸數(shù)據(jù)，設(shè)置“等待”函數(shù)的輸出值，同樣通過(guò)自動(dòng)索引功能輸出到循環(huán)結(jié)構(gòu)外，作為輸出圖的橫軸時(shí)間數(shù)據(jù)。

3 鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和結(jié)果

打開(kāi)鐘控R-S觸發(fā)器的仿真實(shí)驗(yàn)程序，首先設(shè)置前面板的輸入時(shí)鐘頻率和占空比與時(shí)鐘脈沖.vi中的數(shù)值相同。接下來(lái)，點(diǎn)擊LabVIEW中運(yùn)行程序的按鈕開(kāi)始仿真實(shí)驗(yàn)。在虛擬前面板上點(diǎn)擊兩個(gè)輸入端R、S的按鈕調(diào)整不同的輸入狀態(tài)，就能即時(shí)地從前面板的兩個(gè)輸出端Q和Q'的指示燈上觀察到亮暗變化，在數(shù)字波形圖上顯示輸出端Q和Q'的狀態(tài)波形。最后單擊停止按鈕，仿真實(shí)驗(yàn)程序運(yùn)行結(jié)束。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)輸入的CP、R、S值，輸出Q和Q'的狀態(tài)波形是完全正確的，從而證明文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法切實(shí)可行。

將傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)方法和文章的仿真實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析如下表1所示，可以發(fā)現(xiàn)基于虛擬儀器的數(shù)字電路仿真可以從很多方面改善傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式所存在的不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW軟件，對(duì)數(shù)字電路的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，對(duì)典型的數(shù)字電路即鐘控R-S觸發(fā)器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并給出了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，采用虛擬儀器技術(shù)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴，降低了成本，提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性和學(xué)生的參與程度，可以廣泛應(yīng)用于課堂的教學(xué)演示和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室中。

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作者簡(jiǎn)介：郭曉然（1981-），女，河北藁城人，講師，研究方向是虛擬儀器、圖像處理。endprint