【正文】 信息管理混亂，實驗教師工作繁雜，最終不僅僅浪費了學(xué)校大量的人力物力，而且學(xué)生還不能真正地掌握實驗，培養(yǎng)過關(guān)的動手能力（學(xué)校實驗室儀器配備不全，一些必要的實驗無法展開）。尤其是NI ELVIS在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用，效果更為明顯。t really control experiment, train pass ability (school laboratory instrument equipped with is not plete, some necessary experiments can not open). If the virtual instrument is applied to the experiment teaching and scientific research, not only can save a lot of instruments and equipment of funds investment, but also can improve the quality and efficiency of experiment teaching and scientific research. Especially the virtual instrument in the digital circuit experiment teaching, the application of effect is more obvious. Keywords: electronic technology experiment teaching advantages of virtual instrument LabVIEW目 錄摘　要 3 引言 4 1. 1傳統(tǒng)電子學(xué)實驗室教學(xué)模式的弊端 4 1. 實驗室設(shè)備利用率低 4 1. 4 1. 實驗教師工作繁雜 5 1. 2 虛擬儀器在電子實驗教學(xué)中的應(yīng)用 5 1. 虛擬儀器概述 5 1. LabVIEW的編程簡介 5 1. 虛擬儀器中的數(shù)字電子技術(shù) 6 第一章 數(shù)字電路教學(xué)實驗的設(shè)計 9 9 半加器的設(shè)計 10 11 12 12 14 D觸發(fā)器的設(shè)計 14 JK觸發(fā)器的設(shè)計 15 譯碼器的設(shè)計 16 第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn) 18 18 19 前面板設(shè)計 20 2．4信號采集模塊 22 23 23 第三章 基于虛擬儀器的實驗室設(shè)計方案 27 3．1虛擬儀器實驗室的硬件平臺 27 3．1．1 DAQ虛擬儀器系統(tǒng) 28 3．1．2 GPIB虛擬儀器系統(tǒng) 31 3．1．3 VXI虛擬儀器系統(tǒng) 32 3．1．4 PXI虛擬儀器系統(tǒng) 33 3．1．5 USB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng) 34 3．1．6 RS一232虛擬儀器系統(tǒng) 35 3．2虛擬儀器實驗室的軟件平臺 36 3．2．1虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA) 37 3．2．2儀器驅(qū)動程序 37 3．2．3應(yīng)用軟件 38 第四章 論文總結(jié) 40參考文獻 43 33 引 言實驗室是教學(xué)、 科研的重要基地 ,實驗室的建設(shè)也反映了學(xué)校的教學(xué)體系、 學(xué)科建設(shè)和管理體制的水平。由于其面向的是一個發(fā)展迅速的學(xué)科 ,所以實驗室教學(xué)方法、 手段和水平也要不斷改進和提高 ,以適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。在傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)模式中 ,一般會將學(xué)生分為若干小組 ,以組為單位作實驗 ,使部分同學(xué)難以全部參與和投入 ,沒能充分了解和掌握實驗全過程。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式中 ,學(xué)生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。第二 ,不便于保存、 查詢和整理。1. 2 虛擬儀器在電子實驗教學(xué)中的應(yīng)用1. NI ELVIS概述　　美國國家儀器公司的教學(xué)實驗室虛擬儀器套件 (NI ELVIS)可用于動手設(shè)計及原型設(shè)計，平臺集成了12款最常用儀器，包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結(jié)構(gòu)是實驗室及課堂教學(xué)的理想選擇。作為基于NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件，NI ELVIS能夠發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義功能。NI ELVIS的設(shè)計以教學(xué)為目標，是一款全面的教學(xué)工具，用于電路設(shè)計、儀器控制、無線通信、嵌入式/MCU 理論等教學(xué)1. Multisim的簡介作為NI電子教學(xué)平臺的主要組成部分，NI ELVIS為多類應(yīng)用提供了所需的器件，從基礎(chǔ)電路理論探索到研究項目的建模。可以從網(wǎng)上下載常用的電路教學(xué)課本中的Multisim電路文件。學(xué)生可在NI ELVIS硬件平臺上進行電路的原型設(shè)計，并對比測量及仿真數(shù)據(jù)，從而拓展仿真經(jīng)驗。電路設(shè)計可在NI ELVIS平臺上完成。此外，由于VI是開放的源代碼，故還可通過LabVIEW自定義設(shè)計。虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語言風(fēng)格，其程序的編制過程就是將不同的圖標（VI）進行選擇、組合并連線的過程。在LabVIEW的函數(shù)選板中，既包含了大量專用的信號處理、信號運算等VI圖標，也包含了各種數(shù)值運算、邏輯運算的基本VI圖標。圖1 布爾邏輯運算VI選板不難看出，利用這些圖標編制的邏輯運算程序（LabVIEW后面板），也就是一個規(guī)范的數(shù)字邏輯電路的邏輯圖。如圖2數(shù)值輸入控件圖2 前面板中的控件更重要的是，虛擬儀器系統(tǒng)不同于虛擬現(xiàn)實技術(shù)或仿真技術(shù)，后兩者只不過是對現(xiàn)實系統(tǒng)的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實質(zhì)是一種基于計算機軟、硬件系統(tǒng)作為支撐，通過采用一定的數(shù)學(xué)模型和算法來完成處理過程的真實儀器系統(tǒng)，一句話，虛擬儀器系統(tǒng)并非“虛擬”儀器，而是“真實”儀器，它是要完成真實儀器系統(tǒng)功能的。下面就以一些大學(xué)課程中簡單的數(shù)字電子技術(shù)實驗為例，來介紹討論運用虛擬儀器LabVIEW實現(xiàn)數(shù)字電路實驗的過程。 最后以相同的步驟完成減法器、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼顯示等模塊的設(shè)計，再將實驗仿真模塊整合到一個平臺中，使用時只需點擊選擇模塊按鈕，就能調(diào)用其實驗?zāi)K。這就構(gòu)成一個數(shù)字電路仿真實驗平臺，如圖11所示。輸入信號：A、B；輸出信號：本位和S，向高位的進位C。根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫程序框圖，如圖12所示。 在相加的過程中，除最低位外，其余各位既要考慮本位的被加數(shù)Ai和Bi，還要考慮低位向本位的進位Ci1，就是說低位的Ci1也作為一個獨立的變量參與運算。因為全加器是基于半加器做成的，其中部分電路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用。圖13全加器程序框圖前面板如下：在二維二進制比較器的設(shè)計中，比較它們是否相等，當(dāng)A1A0和B1B0相等時，S燈亮，即兩數(shù)相等，反之，不相等。圖14比較器程序框圖前面板如下：在雙向同步計數(shù)器的設(shè)計中，通過控制UP/DOWN鍵，當(dāng)UP/DOWN鍵為1時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計數(shù)；當(dāng)UP/DOWN鍵為0時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞減計數(shù)。因為雙向同步計數(shù)器是基于JK觸發(fā)器做成的，其中部分電路是JK觸發(fā)器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將JK觸發(fā)器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用，其程序如圖15所示。程序框圖如圖16所示。其程序框圖如圖17所示。 JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+1 ＝Jn＋Qn，JK觸發(fā)器常被用作緩沖存儲器，移位寄存器和計數(shù)器。圖18 譯碼器程序框圖其前面板如下： 譯碼器的設(shè)計此設(shè)計的是3線－8線譯碼器74LS138，其中 A2 、A1 、A0 為地址輸入端，～為譯碼輸出端，S為使能端。當(dāng)S1＝0，＋ ＝X時，或 S1＝X，＋＝1時，譯碼器被禁止，所有輸出同時為1。圖19 譯碼器的程序框圖前面板如下：第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn)虛擬示波器是將模擬信號經(jīng)過抽樣量化，以二進制數(shù)字形式存儲在計算機的存儲器中，并以數(shù)字方式輸出。分析精度取決于量化誤差和計算機的字長，只要保證量化誤差在一定的范圍內(nèi)和有足夠的計算機的字長，即可實現(xiàn)高精度測量，至于處理速度，完全取決于計算機的運行速度。其主要特點是:(l)處理速度快處理速度對于一個具有信號分析功能的設(shè)備來說是非常重要的，它不僅直接影響工作效率，而且還影響到分析的質(zhì)量。(2)多功能傳統(tǒng)儀器大多是單功能的儀器，一臺儀器只能完成一種固定功能，如濾波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等。集許多功能于一身。(3)頻率分辨率高模擬信號處理的一個很大的缺點是頻率的分辨率不高，這主要原因是模擬濾波器的通帶不可能做的很窄，它受到技術(shù)的限制。只要T足夠長，分辨率就足夠高。(4)分析精度高，穩(wěn)定可靠在虛擬示波器中，影響系統(tǒng)精度的因素主要有兩個:A/D轉(zhuǎn)換器精度和數(shù)字運算所取的字長。本儀器是一個數(shù)字處理系統(tǒng)，具有數(shù)字計算機的基本結(jié)構(gòu)，從而具備了重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分三步：(1)設(shè)計虛擬儀器的前面板。前面板包含旋鈕、按鈕， 圖形和其他控制與顯示對象，通過鼠標和鍵盤為控制對象輸入數(shù)據(jù)，在計算機屏 幕上觀看結(jié)果。流程圖是一個編程問題的圖形化解決 方案(也是虛擬儀器的源代碼)。(3)確定虛 擬儀器的圖標和連接(表示某一虛擬子儀器)的參數(shù)列表，圖標和連接允許將此儀 器作為最高級的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序(子儀器)。系統(tǒng)組成如圖21：數(shù)據(jù)分析與處理軟面板計算機數(shù)據(jù)采集卡被測信號波形顯示圖21系統(tǒng)組成框圖 前面板設(shè)計LabVIEW前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實示波器的前面板。設(shè)計前面板時，主要考慮界面美觀，操作簡潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)對虛擬示波器的控制。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、垂直增益控鍵、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基控制等。在顯示器模板上點擊鼠標右鍵，對其進行屬性設(shè)置，如根據(jù)示波器的頻率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對顯示器橫(時間)、縱(幅度)坐標的刻度重新設(shè)置。點擊Show Control Palette》Classic Controls》Boolean》Horizontal Slide Switch選擇開關(guān)，設(shè)置觸發(fā)斜坡控鍵(極性)，開關(guān)可對正、負斜坡進行選擇。根據(jù)控鍵所起作用和使用需要，對各控件進行性質(zhì)設(shè)置?！皰呙杷俾省笨劓I的設(shè)置與“垂直靈敏度”相似，單位是“ms／div”，當(dāng)選擇不同檔位時，顯示器的橫坐標刻度間隔分別以2ms／div，4ms／div和8ms／div變化，以達到改變波形的水平方向的掃描速度。設(shè)置三個選擇檔，分別是“A”、“B”和“Aamp。軟面板程序用來提供用戶與虛擬示波器的接口。用戶可以進行單通道和雙通道的任意切換：各種功能模塊的實現(xiàn)在面板上都對應(yīng)著相應(yīng)的按鈕，按下該按鈕就可以調(diào)出該模塊子程序。設(shè)計的前面板如圖2—2所示。包括觸發(fā)控制、通道控制和時基控制等。通道控制主要控制單通道或者是雙通道測量。采集中主要用到的函數(shù)有CreatDevice、InitDeviceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、ReleaseDeviceProAD和 ReleaseDevice。InitDeviceProAD負責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件，為設(shè)備操作就緒有關(guān)工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等。這個模塊主要由三個基本的功能模塊組成:電壓測量模塊、頻率和相位測量模塊、頻譜分析模塊組成。頻率和相位測量模塊主要是利用李沙育圖形來測量被測信號的頻率以及相位角。這三個功能模塊分別由三個子VI來實現(xiàn)的。本虛擬儀器的程序框圖如圖23所示。每一個子程序?qū)嶋H上都是能實現(xiàn)一定功能、完成一定任務(wù)的虛擬儀器(通常稱為“子VI”)，主程序通過對子程序的調(diào)用，來實現(xiàn)信號的采集、分析、處理等功能，使虛擬示波器具有層次化和模塊化的結(jié)構(gòu)。(1)“通道選擇”子程序該子程序主要是實現(xiàn)對通道的選擇，有三種選擇方式:A通道、B通道、Aamp。(2) 數(shù)據(jù)存盤子程序該子程序可以實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存取，以備以后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。 (4)頻譜分析子程序該子程序主要是通過短時傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)信號的譜分析，這里主要包括幅值譜、相位