NI ELVIS在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用

張亞周 李香宇 孫雪麗

摘 要 針對數(shù)字電路課程在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題，將NI ELVIS引入實驗教學(xué)過程，虛實結(jié)合，“軟”“硬”兼顧，以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和能動性，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐意識，全面提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的素質(zhì)和能力。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電路；NI ELVIS；實驗教學(xué)；虛擬仿真實驗教學(xué)；Multisim

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：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

伴隨著近年來電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在現(xiàn)代社會中得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時對數(shù)字電路課程的教學(xué)工作提出更高的要求。數(shù)字電路實驗作為一門基礎(chǔ)實驗課程，在電氣自動化、電子工程等專業(yè)本科課程教學(xué)體系中處于非常重要的地位。特別是在現(xiàn)代社會競爭日漸加劇的時代背景下，要求高等學(xué)校應(yīng)當(dāng)更加注重對學(xué)生認知能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，強調(diào)在以探索和研究為基礎(chǔ)的教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、求知欲和強烈好奇心，樹立追求真知的遠大志向，具備終身學(xué)習(xí)能力。

2 課程性質(zhì)及實驗教學(xué)中存在的問題分析

數(shù)字電路課程以邏輯代數(shù)及其化簡、組合邏輯電路、時序邏輯電路等作為基本內(nèi)容，具有較強的理論性、應(yīng)用性和工程實踐性等特征。該課程的根本目的在于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的專業(yè)素質(zhì)及能力，在綜合運用所學(xué)知識的基礎(chǔ)上進行具體數(shù)字電路的分析和設(shè)計，為學(xué)生將來能夠綜合運用所學(xué)知識解決工程實踐問題打下良好的基礎(chǔ)。因此來說，優(yōu)化該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對提高課程教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要，對提高學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐操作能力等具有非常突出的價值和意義。

當(dāng)前，數(shù)字電路實驗課程主要存在下面幾個問題。

1）實驗教學(xué)效果不佳，難以為理論課堂教學(xué)提供有效支撐。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)實驗原理、實驗?zāi)康暮蛯嶒灢襟E等內(nèi)容時，其實有相當(dāng)一部分學(xué)生對實驗具體操作并不是特別清楚。而且在實驗教學(xué)過程中，學(xué)生只是按照教師講解的操作規(guī)范要求來完成接線。當(dāng)出現(xiàn)實際測量數(shù)據(jù)與理論不相吻合時，絕大多數(shù)學(xué)生并不愿意去探究其現(xiàn)象背后的原因，更有甚者甚至篡改實驗數(shù)據(jù)，敷衍了事。最終結(jié)果實驗報告千篇一律，幾乎沒有新的思考和發(fā)現(xiàn)。此外，由于受實驗面板限制，也有部分學(xué)生希望完成一些較復(fù)雜實驗項目的開發(fā)卻無法實現(xiàn)，這也違背了實驗教學(xué)的初衷[1]。

2）實驗內(nèi)容缺乏綜合性，不利于學(xué)生綜合實踐能力的培養(yǎng)。根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有教學(xué)模式，數(shù)字電路總共70學(xué)時，其中理論授課60學(xué)時，占86%。主要采用先理論講授后進行實驗的傳統(tǒng)教學(xué)方式，并且數(shù)字電路實驗普遍采用TTL或CMOS等常規(guī)邏輯器件，而實驗內(nèi)容就是將這些器件連接構(gòu)成不同功能的組合電路和時序電路。實驗電路板硬件所決定的功能不能隨意更改，學(xué)生的思維受到一定限制。而且中小規(guī)模的邏輯器件常常是以單元電路為主，內(nèi)容單一，不利于學(xué)生綜合電路設(shè)計能力的提高[2]。因此，如何激發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們喜歡留在教室及實驗室中是一項很大的挑戰(zhàn)。NI ELVIS可以解決上述難題，不僅能提供吸引人的、親手實踐的體驗，還在理論與原型之間起到橋梁的作用。

3 NI ELVIS和Multisim簡介

NI ELVIS NI ELVIS是由美國國家儀器公司開發(fā)的一套集成了包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬用表等在內(nèi)12款最常用儀器的教學(xué)實驗室虛擬儀器套件，具有以下幾個主要特點。

1）作為基于NI LabVIEW的圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件，NI ELVIS具備虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義功能，適用于電路設(shè)計、儀器控制和無線通信等多種教學(xué)場合[3]。學(xué)生通過套件中包含的12款最常用儀器，能夠簡單、快速地實現(xiàn)所需的各種測試測量。此外，NI ELVIS也是NI電子教育平臺中的重要部分，通過緊密結(jié)合NI Multisim采集及仿真環(huán)境，可以實現(xiàn)NI ELVIS板載電路的測量及仿真，實現(xiàn)仿真與原型的平滑無縫轉(zhuǎn)換。

2）NI ELVIS可通過USB與PC快速連接，提高了便攜性，并且大縮短了故障排除時間。通過NI ELVIS平臺上安裝的NI ELVISmx驅(qū)動及NI ELVISmx Instru-ment Launcher軟件，用戶可以對全部12款儀器進行快速連接和配置[4]。此外，通過NI ELVIS與Multi-sim的集成，用戶可在Multisim中使用NI ELVIS虛擬儀器來設(shè)計電路，并且以3D仿真的方式在NI ELVIS開發(fā)板上予以實現(xiàn)。

Multisim Multisim是一款通過SPICE實現(xiàn)仿真、設(shè)計及驗證電路的軟件包，專門用于電子線路計算機輔助分析和設(shè)計。它基于元器件庫，以圖形方式創(chuàng)建電路并直接調(diào)用和修改元器件及參數(shù)，完成從電路仿真設(shè)計到電路版圖生成的全過程，操作方便、界面形象[5]，實現(xiàn)“軟件即元器件”“軟件即儀器”。通過輕易地繪制出一些常用Mul-tisim電路，可以讓學(xué)生在仿真環(huán)境下學(xué)習(xí)書本上的理論知識，并觀察預(yù)期的理論結(jié)果；而且學(xué)生可以邊設(shè)計邊實驗，修改調(diào)試方便[6]。在仿真結(jié)束后，學(xué)生還可以在NI ELVIS平臺上做電路原型設(shè)計，并同仿真測量數(shù)據(jù)項進行對比，從而拓展仿真經(jīng)驗。

4 應(yīng)用舉例

本節(jié)以時序邏輯電路中的六進制減法計數(shù)器設(shè)計為例，探討NI ELVIS在數(shù)字電路實踐教學(xué)中的具體應(yīng)用。時序邏輯電路是數(shù)字電路課程的一個重點內(nèi)容，而計數(shù)器作為典型的時序邏輯電路，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)之中。計數(shù)器的設(shè)計可采用邊沿觸發(fā)器或者中規(guī)模集成計數(shù)器，涉及時鐘脈沖控制方式（同步/異步）、集成芯片擴展及置位/復(fù)位端設(shè)置等多個問題，能夠很好地鍛煉學(xué)生的綜合分析與設(shè)計能力[1]。

首先，學(xué)生可以根據(jù)理論課堂教學(xué)所掌握知識，按照要求設(shè)計出六進制減法計數(shù)器，并在設(shè)計完成后利用Mul-tisim軟件來驗證所設(shè)計電路的正確性，如圖1所示。基于Multisim功能強大的元器件庫，學(xué)生可以在仿真過程中任意選擇元器件而不受其來源上的限制，并且降低了元器件的損耗率。并且，學(xué)生可以多次反復(fù)驗證自己的各種想法，直至完成電路設(shè)計的全部任務(wù)。在整個過程中，所有操作都是在軟件中進行，在出現(xiàn)問題時也便于查找原因并進行修改，省時、省力、高效[7]。接下來，在通過Multisim完成虛擬仿真實驗后，學(xué)生再到NI ELVIS面板上進行相應(yīng)電路的搭建，兩者的布線是完全相同的，如圖2所示。

利用NI ELVIS信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號作為計數(shù)器的時鐘脈沖。在此過程中可以設(shè)置方波信號的頻率、幅度等參數(shù)（圖3-a）。ELVIS的數(shù)字I/O模塊對應(yīng)引腳共有24個，序號從0～23，每八個引腳為一組，每個引腳都可以根據(jù)用戶需要配置成輸入/輸出接口。在本例中，將8～15引腳設(shè)置為輸入接口，利用Digital Writer面板將8、9兩個通道分別作為置位端和復(fù)位端（圖3-b），開始時讓置位端處于有效電平，計數(shù)器置5，然后置位端接高電平；將0～

7引腳設(shè)置為輸出接口；通過Digital Reader面板0～2通道分別作為計數(shù)器的低位到高位，燈亮表示“1”，燈滅表示“0”，通過三個通道可以清楚看到整個計數(shù)過程（圖3-c）。

通過在仿真測試完成后再進行實際電路的搭建，大大提高了電路調(diào)試的成功率，縮短了調(diào)試時間，并且顯著降低了實驗室的器材損耗。同時，這種方式也在很大程度上鍛煉了學(xué)生的思考和動手能力，激發(fā)了他們對實驗課的興趣。在實驗課程教學(xué)的具體實踐中，學(xué)生普遍反映良好，實驗教學(xué)效果得到明顯增強。

5 結(jié)語

為加快《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》在高等院校貫徹落實，教育部高教司早在2013年9月發(fā)布的《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》中，就提出將虛擬仿真實驗教學(xué)列為高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，要求充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。

數(shù)字電路實驗課是數(shù)字電路課程教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生鞏固理論知識，培養(yǎng)動手操作能力、創(chuàng)新能力、知識應(yīng)用能力及嚴謹求實的學(xué)習(xí)態(tài)度具有重要作用。借助NI虛擬儀器綜合實驗平臺及配套仿真實驗板，在進行實驗時將“虛擬”與“實物”相結(jié)合，按照“理論導(dǎo)入，虛實結(jié)合，仿真設(shè)計，實物驗證”的實驗方式[8]，將十分有助于充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，最終達到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐意識，全面提高綜合運用所學(xué)知識的素質(zhì)和能力的目的，實現(xiàn)學(xué)生在工程思想和創(chuàng)新動手實踐方面的雙提升。

參考文獻

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