李愛華 周卓瑞

陸軍工程大學石家莊校區(qū) 河北石家莊 050003

在電類及電子類課程理論教學中，教員往往借助動畫演示以及仿真手段分析理論展示現(xiàn)象，雖然形象直觀，但是仍然是看得見、摸不著，學員興趣不夠濃，信服力不夠大。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在理論課堂中學員期望搭建實際電路，觀察實驗現(xiàn)象。但傳統(tǒng)的信號源、示波器、萬用表等儀器搬入課堂存在體積大、便攜型差的問題，為了緩解上述問題，在教學中引進了美國國家儀器公司(簡稱NI)研發(fā)設(shè)計的用于電子電路原型設(shè)計和測試的NI ELVIS教學平臺，授課效果大大提高。

NI ELVIS是美國NI公司推出的用于電子電路原型設(shè)計和測試的電子學教學實驗虛擬儀器套件，圖1給出了電子教學平臺的使用及連接的外觀輪廓圖。ELVIS包含硬件和軟件兩大模塊。第一，硬件模塊。它包括平臺工作站和原型實驗板(如圖2所示)。平臺工作站分布著多類型接口，實現(xiàn)供電、通信等功能；原型實驗板排列著5塊面包板，使用者根據(jù)需求自行搭建實驗電路。第二，軟件模塊。它主要包括三方面：(1)12種虛擬儀器，實現(xiàn)信號的產(chǎn)生、分析、測量(如圖3所示)；(2)Labview編程環(huán)境中有關(guān)ELVIS應(yīng)用軟件接口；(3)Labview利用驅(qū)動程序NI-DAQmx對ELVIS編程[1]。

圖1 ELVIS使用及連接的外觀輪廓圖

圖2 ELVIS平臺工作站和原型實驗板

圖3 虛擬儀器軟前置面板

本文以數(shù)字電子技術(shù)教學為例，設(shè)計了基于NI ELVIS平臺的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路，利用 ELVIS自帶虛擬儀器、平臺工作站及原型實驗板，實現(xiàn)仿真電路與原型電路的分析、設(shè)計、調(diào)試，虛實結(jié)合，為進一步探索以虛擬儀器為核心的教學電路設(shè)計方案提供借鑒。ELVIS的引入，不但解決了理論課堂教員實際電路演示難題，提升了授課效果，還激發(fā)了學員學習興趣，學員的活學活用能力、動手實踐能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新等能力得到大大的提升。

1 數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路設(shè)計原理框圖

數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路設(shè)計主要難點在于集成計數(shù)器的靈活運用。其基礎(chǔ)電路由信號源、計時模塊、顯示模塊構(gòu)成。其中計時模塊是核心，分為時、分、秒三部分，分別由24，60，60進制計數(shù)器實現(xiàn)，時、分、秒電路間的連接是計時模塊的關(guān)鍵和難點。其工作原理如下：信號源提供標準的1 Hz標準秒脈沖信號給計時模塊的秒計時，秒計滿60歸零同時產(chǎn)生一個進位信號作為分計時電路的時鐘，當分計滿60歸零，同時產(chǎn)生一個進位信號作為時計時電路的時鐘，時計滿24歸零，顯示模塊分別顯示當前時、分、秒的計數(shù)狀態(tài)。數(shù)字時鐘系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字時鐘系統(tǒng)原理框圖

2 數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路模塊設(shè)計

2.1 信號源

信號源給電路提供1 Hz標準秒脈沖信號。1 H標準秒脈沖信號可以由信號發(fā)生器或者晶振電路兩種方法實現(xiàn)。信號發(fā)生器包含三角波、正弦波、方波以及任意波選項，根據(jù)要求選擇1 H方波信號，NI ELVIS平臺自帶的信號發(fā)生器如圖5所示；自行設(shè)計晶振電路則需要根據(jù)需求選擇參數(shù)設(shè)計，本文設(shè)計的晶振電路如圖6所示。

圖5 NI ELVIS平臺自帶的信號發(fā)生器

圖6 晶振電路構(gòu)成1 Hz方波信號

2.2 計時模塊

計時模塊由集成計數(shù)器完成時、分、秒的計時，其中時采取24進制，分和秒采取60進制計數(shù)器實現(xiàn)。本文均采用雙BCD同步十進制加計數(shù)器CD4518集成計數(shù)器，相對于74LS160其好處在于：對于時、分、秒的計時74LS160均需要擴展級聯(lián)兩片構(gòu)成[2]，電路規(guī)模比較龐大；而采取CD4518由于內(nèi)部含有兩個加法計數(shù)器[3]，因此時、分、秒計時均需要一片即可，電路規(guī)模相對較簡單。CD4518引腳如圖7所示。

圖7 CD4518引腳

CD4518內(nèi)部含有兩個完全獨立的相同計數(shù)器。每個計數(shù)器都有兩個時鐘端：上升沿觸發(fā)端CP和下降沿觸發(fā)端EN，4個8421BCD碼輸出端Q4～Q1，一個清零端R，一個電源端U。計數(shù)器其功能表如圖8所示。

圖8 CD4518功能表

從表1可以看出，計數(shù)器功能可以分為三類。

第一，異步清零：清零端R=1，輸出端清零，Q4Q3Q2Q1=0000，由于清零條件和時鐘端沒有關(guān)系，因此是異步清零，并且由于清零只與R有關(guān)，因此清零端R的優(yōu)先級最高。

第二，保持：R=0，時鐘CP或者EN為無效電平，則輸出端保持原態(tài)。

第三，加法計數(shù)：根據(jù)觸發(fā)時鐘端的不同有兩種方法實現(xiàn)加法計數(shù)。第一，CP觸發(fā)，即CP上升沿，EN接高電平，輸出Q4～Q1加法計數(shù)(0000-1001)；第二，EN觸發(fā)，即CP接低電平，EN下降沿，輸出Q4～Q1加法計數(shù)(0000-1001)。

(1)時。時計時系統(tǒng)實質(zhì)是構(gòu)成24進制計數(shù)器。首先，將CD4518構(gòu)成100進制計數(shù)器；其次，在100進制基礎(chǔ)上，利用清零條件，采取反饋異步清零法構(gòu)成24進制計數(shù)器。需要注意的是，由于清零端R是異步清零，因此需要存在暫態(tài)，則實現(xiàn)24進制需要達到狀態(tài)24(即0010 0100)時，清零端R=1，其他時刻R=0。電路設(shè)計如圖9所示。

圖9 D4518實現(xiàn)60進制計數(shù)器

(2)秒。秒計時系統(tǒng)實質(zhì)是構(gòu)成60進制計數(shù)器。首先，將CD4518構(gòu)成100進制計數(shù)器；其次，在100進制基礎(chǔ)上，利用清零條件，采取反饋異步清零法構(gòu)成60進制計數(shù)器，實現(xiàn)60進制需要達到狀態(tài)60(即0110 0000)時，清零端R=1，其他時刻R=0。電路設(shè)計如圖10所示。

圖10 CD4518實現(xiàn)24進制計數(shù)器

(3)分計時。分計時系統(tǒng)實質(zhì)也是60進制計數(shù)器，因此其電路構(gòu)成與秒計時相同。

(4)時分秒間連接。時、分、秒之間的連接是關(guān)鍵點和難點。秒、分各自達到60個計數(shù)脈沖(即狀態(tài)59時)產(chǎn)生1個進位信號，將這個進位信號給分、時計時模塊的時鐘，使其加1計數(shù)，連接高位脈沖的低位信號是難點。首先，保證達到規(guī)定的進制產(chǎn)生進位信號；其次，由于采用的是上升沿有效的CP作為脈沖輸入，因此保證由低位的進位端引來的高位的時鐘信號必須是上升沿。由分析，設(shè)計時、分、秒連接電路如圖11所示。

圖11 時、分、秒連接示意圖

2.3 顯示模塊

顯示模塊作用是將計時模塊的數(shù)據(jù)實時地顯示出來，輸入A3A2A1A0是8421BCD碼，輸出Ya-Yg經(jīng)電阻接七段數(shù)碼管abcdefg，七段數(shù)碼管abcdefg是由七段發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，有共陰極和共陽極兩種，譯碼顯示原理如圖12所示。

圖12 譯碼顯示原理

3 基于NI ELVIS的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路設(shè)計實現(xiàn)

數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路設(shè)計分別采取虛擬仿真和硬件實驗兩種方式進行，NI ELVIS與Multisim結(jié)合檢驗電路設(shè)計的可行性及準確性，基于NI ElVIS平臺的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路硬件連接將虛擬電路轉(zhuǎn)換成實際電路，借助平臺的信號源等虛擬儀器觀察硬件電路的性能[4]。

3.1 NI ELVIS與Multisim結(jié)合的虛擬仿真電路

在Multisim軟件中創(chuàng)建虛擬ELVIS工程，利用ELVIS中的虛擬儀器實現(xiàn)NI ELVIS與Multisim結(jié)合的虛擬仿真。在Multisim上搭建計時模塊和顯示模塊，再由虛擬ELVIS平臺中的函數(shù)發(fā)生器充當信號源提供1Hz信號，數(shù)字時鐘虛擬仿真電路如圖13所示。

圖13 NI ELVIS與Multisim結(jié)合的虛擬仿真

3.2 基于NI ElVIS硬件平臺的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路

利用NI ELVIS平臺工作站給設(shè)計成型的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路提供輸入電源，并監(jiān)測數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路各部分的運行情況(如圖14所示)。

圖14 基于NI ElVIS平臺的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路硬件設(shè)計

4 結(jié)論

本文借助NI ELVIS教學實驗平臺實現(xiàn)了信號源模塊、計時模塊、顯示模塊的數(shù)字時鐘基礎(chǔ)電路設(shè)計，利用虛擬儀器觀察、分析、測量運行情況，理論聯(lián)系實際，形象直觀地展示了實驗現(xiàn)象，同時克服了傳統(tǒng)實驗儀器體積大、便攜差的缺點。ELVIS平臺的引入使得學員學習興趣增加，思維活躍，通過不斷嘗試創(chuàng)新，在基礎(chǔ)數(shù)字時鐘電路基礎(chǔ)上又設(shè)計出了校時電路、整點報時等擴展電路，學員能力得到大大提升。

[1]王冠華,吳永佩.ELVIS電路原型設(shè)計及測試[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013:7.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2008:5.

[3]馮長江.實驗電子學[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2009:8.

[4]呂井勇,孫勝春,董興泰.基于NI ELVIS 的串聯(lián)諧振電路實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索2014,33(2):82-85.