张倩 吕宵宵 张志萍 张海燕

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2021.11.030

摘  要： “数字电子技术”是计算机、电子类专业的重要核心专业课程，针对目前教学方法过于死板枯燥、理论与实验脱节的问题，提出利用LabVIEW虚拟仪器技术对课程内容进行设计，实现动态教学演示的教学方法。以编码器和触发器分别作为组合逻辑电路和时序逻辑电路的代表，在教学中演示不同输入参数下的结果呈现，增加课堂的互动性和趣味性，提高知识输出的有效性，在改善课程教学质量的同时构建实验和理论之间的桥梁，为后续实验奠定基础。

关键词： 数字电子技术; 虚拟仪器; LabVIEW; 教学研究

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）11-107-04

Research on the course teaching of “Digital Electronic Technology”

by using virtual instrument

Zhang Qian， Lv Xiaoxiao， Zhang Zhiping， Zhang Haiyan

（Guangling College， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009， China）

Abstract： "Digital Electronic Technology" is an important core course for computer and electronic specialties. But the existing teaching methods are too rigid and boring， and the theory is separated from the experiment. In order to solve these problems， this paper uses LabVIEW virtual instrument technology to design the course content to realize the dynamic teaching demonstration. Encoder and trigger are used as the representatives of combinational logic circuit and sequential logic circuit respectively to demonstrate the presentation of different results under different input parameters in the teaching， so as to improve students' participation in the classroom， enhance students' understanding of knowledge points. At the same time， through this way， the bridge between experiment and theory is constructed for the follow-up experiments.

Key words： "Digital Electronic Technology"; virtual instrument; LabVIEW; teaching research

0 引言

“數字电子技术”是计算机、电子信息工程、通信工程等计算机类、电子类专业的核心基础课。课程包含门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲产生与整形电路等[1]。通过该课程的学习，让学生掌握数字电子技术的主要理论，能够灵活地运用数字电路分析和设计的基本方法做数字系统的设计。该课程不仅要为后续的专业课程学习打好理论基础[2]，也要为培养学生解决复杂工程问题能力的新工科建设奠定理论基础[3-4]。但在实际教学过程中，由于授课方式过于传统，学生的主体性地位不明确，课堂互动方式有限，教学效果差强人意。因此，本文在总结教学现状的基础上，提出在课堂中引入LabVIEW虚拟仪器技术对课程内容进行设计的教学方法，实现动态教学演示，从而提升学生的学习兴趣，改善教学效果。

1 传统数字电子技术课程教学现状和问题

1.1 理论实验脱节

“数字电子技术”课程具有知识点多、内容抽象、理论逻辑性强、知识系统性强等特征。授课时一般先讲基础知识，再讲原理，最后讲应用，而由于课程特点，原理占比较大，应用占比往往较小。虽然针对课程有相应的实验环节，但理论和实验往往脱节，导致学生在后续的实验课程中仍不能将理论有效联系到实验中，难以提高知识的迁移和应用能力。

1.2 教学方法单一

传统课堂主要采用PPT辅助板书的填鸭式灌输法，学生的参与度和主动思考不够，导致课上效率不高[5]。课程的PPT主要倾向于知识内容的展示，对电子器件、电路逻辑演示不够充分，缺乏动态展现。比如对于不同输入情况下编码器的输出，其结果仅以表格呈现，较为死板，不够灵活生动，无法激发学生的听课兴趣，授课效果一般。

1.3 知识点结合性不强

课堂上一般以知识点和知识内容传授为主，点、线、面结合不强，知识点与知识点之间的对比学习受限于授课手段，表现手法单一。例如对于普通编码器和优先编码器，在讲解时会提到二者的差异，但对于学生来讲，只有理论对比，没有直观感受，导致接受程度较差。

针对以上问题，如果采用LabVIEW虚拟仿真技术，就能够将知识原理情景化，可视化，一方面丰富学生的课堂体验，另一方面可以构建课程理论和课程实验之间的桥梁，让学生掌握知识的核心关键，从而有利于学生课程知识的理解掌握和实际运用。

2 LabVIEW虚拟仿真平台

LabVIEW是一种基于图形符号即G语言来编写程序的软件平台。一个LabVIEW程序由一个或多个VI（虚拟仪器）组成。每个VI主要包含三部分：前面板、框图和图标。前面板是VI的交互式用户界面，它模拟了物理仪器的前面板，包括输入控件、显示控件、旋钮、图形等。框图是VI的源代码，在LabVIEW中，框图就是实际可执行的程序，由低级的VI、内置函数、常量和程序执行控制结构等构成，对象之间用连线连接，以定义和显示他们之间的数据流向。图标作为G语言的基本组成单元，在前面板和框图中呈现使用[6]。

LabVIEW图形语言具有简单易学、成本低、灵活性好的特点[7]，在数字电子技术课程教学过程中使用虚拟仪器仿真，可以提供知识点动态化呈现，更好配合课堂氛围，提升教学效果。以下以编码器和触发器为例介绍LabVIEW在本门课程中的应用。

3 LabVIEW在数字电子技术课程中的应用

3.1 编码器的设计

⑴ 二进制普通编码器的LabVIEW实现

二进制编码器是一种使用[n]位二进制代码对[N=2n]个信号进行编码的电路。以3位二进制编码器为例，输入用[I0～I7]表示需要编码的8个信号，输出用[Y0、Y1、Y2]表示用来进行编码的3位二进制代码。图1是用LabVIEW设计的3位二进制编码器的前面板。从图中可以看到用户显示界面包括输入部分和输出部分，均采用布尔控件。灯亮表示逻辑1，灯灭表示逻辑0。此时图中由于尚未给予输入，输入端和输出端布尔显示控件的灯为全灭状态。

对于二进制普通编码器而言，[I0、I1、…、I7]逻辑互斥，即每一次编码时，输入端[I0～I7]仅有一个输入为1，其余均为0。根据其逻辑表达式，应用虚拟仪器中的簇、布尔运算符以及逻辑运算设计出程序框图如图2所示。

在输入端令[I7=1]，其余[I0～I6=0]时，根据二进制编码器的逻辑运算规则，结果应为[Y2Y1Y0=111]，在LabVIEW的前面板上运行该框图程序，验证输出结果如图3所示。

从图3中可以看出，输出[Y2、Y1、Y0]对应的布尔显示控件灯全亮，表示[Y2、Y1、Y0]均为1，即对于输入[I7]为true时，编码为111。通过对不同输入端赋予true值，即可以呈现输入端8个数的编码。在课堂上可以让学生随机进行输入选择，动态演示输出结果，以便更直观地理解和验证编码器的真值表和编码规则。

⑵ 二进制优先编码器的LabVIEW实现

二进制普通编码器每一次只允许一个输入信号赋予真值“1”，其余均为“0”，而在优先编码器中则不同，优先编码器允许几个信号同时输入，但是只对其中优先级别最高的进行编码，此时，即使低优先级的输入信号也为真，电路也不予理睬。根据二进制优先编码器编码的逻辑表达式，使用LabVIEW程序框图来表示优先编码器功能，如图4所示。

对比二进制普通编码器和优先编码器，如果在普通编码器输入端同时出现两个输入为真，输出编码结果将会混乱。而对于优先编码器，根据其特点，只会对优先级最高的输入信号进行编码。这里假定[I7～I0]优先级依次递减，[I7]最高，[I0]最低，二者对比的编码结果如图5所示。

从图5中可以看出，当输入端[I6=1]，[I3=1]，[I7=I5=I4=I2=I1=I0=0]时，普通编码器的输出[Y2Y1Y0=111]，即编码结果为7，此编码结果相应的输入应为[I7=1]，其余为0，因此编码错误。而对于优先编码器，输入端虽然有两个输入信号为真，但[I6]的优先级高于[I3]的优先级，电路将忽略[I3]的信号，优先对[I6]信号进行编码，输出编码结果[Y2Y1Y0=110]，编码结果正确。通过将普通编码器和优先编码器对比显示的方式，让学生在课堂上更加清晰明了二者的特点以及彼此的差异，从而牢固掌握知识点。

3.2 触发器的设计

能够存储1位二值信号（0或者1）的基本单元电路称为触发器。在数字电子技术课程中，组合逻辑电路和时序逻辑电路是课程核心的两部分内容，触发器既是构成时序逻辑电路的基本电路，也是联系组合逻辑电路和时序逻辑电路之间的桥梁。本文中以[JK]觸发器为例演示LabVIEW在触发器章节的应用效果。

根据[JK]触发器的特性方程和特性表，在程序框图中采用簇、条件结构、反馈节点、创建数组、布尔至数值转换等图标程序，实现[JK]触发器功能，[JK]触发器框图如图6所示。

程序中最外层条件结构用于判定时钟是否为有效状态，当时钟C为有效状态时，执行内部第二层条件结构，时钟C无效时，即条件结构的判断为“假”时，利用反馈节点，次态保持当前状态不变。第二层条件结构用于根据输入的[J]、[K]值及当前状态[Qn]，输出相应的次态。结合[JK]触发器特性表，共有保持、置0、置1、翻转四种变化，分别对应[JK=00、01、10、11]四种条件选择，如图7所示。

在[JK]触发器前面板运行程序，结果如图8、图9所示。

从图8、图9中可以看出，在时钟C有效，即布尔控件输入灯亮的前提下，当[J=1，K=0]时，输出布尔显示控件灯亮，即输出结果为1;当[J=0，K=1]时，输出布尔显示控件灯灭，即输出结果为0。输出结果与[JK]触发器特性一致。

通过以上运用实例可以看出，在数字电子技术课程中运用LabVIEW虚拟仪器技术，可以方便有效呈现课程知识点，与教材内容相辅相成，便于学生理解。在课堂上，可以让学生随机提出输入，直观演示结果，不仅可以克服传统课堂PPT播放过于死板的问题，还可以增强课堂互动气氛，提高课程趣味性。

4 结束语

综上所述，在数字电子技术课堂理论教学过程中，引入LabVIEW虚拟仪器技术，从知识点的实现层面具有可操作性，而且可以改善理论课堂过于枯燥和抽象的问题。将理论知识由想象变为直观，不仅能够让学生充分理解知识点内涵，还能启发学生的思维，使学生在课堂上更活跃，参与度更高。同时，将实验思维嵌入理论教学过程中，构建理论与实验的桥梁，为后续的实验实践课程奠定良好的学习基础。此外，LabVIEW还自带有函数型硬件仪器，包括信号源和示波器等，可以在后续的教学设计环节中进一步引入，从而提高知识点的可视、可读和动态变化性，有效提高教师教学质量和学生学习效果。

参考文献（References）：

[1] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）[M].高等教育出版社，2006.

[2] 杜秀丽，李晓梅.基于翻转课堂的《数字电子技术基础》项目教学模式研究[J].大连大学学报，2018.39（6）：118-121

[3] 郭立强.计算机专业数字电子技术课程项目实训研究[J].计算机教育，2017.8：183-186

[4] 山丹，张永锋等.OBE-CDIO模式下数字电路课程教学改革探索[J].计算机教育，2018.6：86-89

[5] 王肖君，吴苏，朱旭芳.基于雨课堂平台的数字电子技术“对分课堂”的思考[J].教育教学论坛.2020.53：287-289

[6] 天工在线.LabVIEW2018从入门到精通[M].中国水利水电出版社，2019.

[7] 林静，林振宇，郑福仁.LabVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通[M].人民邮电出版社，2010.