Grundlagen der Technischen Informatik

Transkript

1 Universität Duisburg-Essen PRAKTIKUM Grundlagen der Technischen Informatik VERSUCH 1 Einführung in das Simulationsprogramm OrCAD Name: Vorname: Betreuer: Matrikelnummer: Gruppennummer: Datum: Prof. Dr.-Ing. Axel Hunger Dipl.-Ing. Joachim Zumbrägel Universität Duisburg-Essen Fakultät Ingenieurwissenschaften Fachgebiet Technische Informatik Copyright (C) Technische Informatik

2 1 Einleitung Das vorliegende Dokument beschreibt Grundlagen zum Design sowie zur Simulation und Analyse digitaler Schaltungen mit Hilfe des CAD-Programms OrCAD. Anhand einer Beispielschaltung (Dual-Aiken-Code Umsetzer) soll die prinzipielle Vorgehensweise beim Entwurf digitaler Schaltungen verdeutlicht werden. Bei dem CAD-Tool OrCAD handelt es sich nicht um ein einzelnes Programm, sondern um eine Designsuite, die aus unterschiedlichen Anwendungen besteht. Im Rahmen des Praktikums Grundlagen der Technischen Informatik sind die drei folgenden Anwendungen von besonderer Bedeutung: CAPTURE, PSpice und PROBE. Um Schaltpläne (engl. SCHEMATICS) zu erstellen und zu bearbeiten wird der graphische Schaltplaneditor CAPTURE verwendet. Das Programm PSpice dient der Simulation der Schaltung. Die Resultate der Simulation können mittels des "Oszillograph-Programmes PROBE graphisch dargestellt werden. Prinzipiell lassen sich der Entwurf und die Simulation einer Schaltung in vier Arbeitsschritte unterteilen: Erstellung des Schaltungsplans mit CAPTURE Definition des Analysetyps (auch in CAPTURE) Simulation der Schaltung mit PSpice Analyse der Resultate mit PROBE 2 CAPTURE Dieses Kapitel widmet sich der Handhabung bzw. Funktionsweise der Anwendung CAPTURE. Um die CAPTURE Anwendung zu starten, wählen Sie bitte folgende Menüeinträge: START Programme OrCAD 16.0 OrCAD CAPTURE. In dem darauf folgenden Fenster wählen Sie, wie in Bild 2.0 angegeben, OrcadPCP Designer PSpice aus! Bild Ein neues Projekt erstellen Initial erscheint CAPTURE mit einem leeren grauen Arbeitsbereich, über dem sich die Menüleiste befindet. Der Designprozeß in CAPTURE ist Projekt-orientiert, dies bedeutet, dass Sie zunächst ein neues Projekt erstellen oder aber ein existierendes öffnen müssen, bevor Sie einen Schaltplan bearbeiten können. Um ein neues Projekt zu erstellen, navigieren Sie wie in Bild 2.1 veranschaulicht: File New Project 2/11

3 Bild 2.1 Die New Project Dialog-Box (Bild 2.2) erscheint. Erstellen Sie Ihr neues Projekt mit der Analog or Mixed A/D Option. Benennen Sie Ihr Projekt "Dual-Aiken-Code" und geben Sie als Location den folgenden Pfad ein: [Laufwerksbuchstabe]:\ORCAD_DATA\Intro. Hinweis: Den Laufwerksbuchstaben erfragen Sie bitte beim Betreuer! Bild 2.2 Bestätigen Sie Ihre Eingaben mit OK. Eine weitere Dialog-Box Create PSpice Project erscheint wie in Bild 2.3 dargestellt. Wählen Sie die Create a blank project Option und bestätigen Sie mit OK. 3/11

4 Bild 2.3 Es erscheint nun der Arbeitsbereich (Bild 2.4). Auf der linken Seite sehen Sie das Project Manager Fenster, das die im Rahmen des Projekts verwendeten Ressourcen in einer klassischen Baumstruktur anzeigt. Bei den Ressourcen handelt es sich beispielweise um die Schaltpläne selbst, um verwendete Bibliotheken, etc. Innerhalb des Projektmanagers können Sie die Ordner erweitern oder reduzieren, indem Sie auf einen Ordner doppelklicken oder auf das Plus- oder Minuszeichen auf der linken Seite eines Ordners klicken. Mit einem Rechtsklick auf eine Ressource können die jeweiligen Eigenschaften bearbeitet werden. Auf der rechten Seite ist das Schematic Page Editor Fenster zu sehen; hier können Sie Schaltpläne erstellen und bearbeiten, indem Sie Bauteile platzieren und diese über Leitungen oder Busse miteinander verbinden. Wenn Sie das Schematic Page Editor Fenster anklicken, erscheint auf der rechten Seite eine Werkzeugpalette mit Komponenten, die Sie zur Erstellung des Schaltplans benötigen. Tabelle 2.1 beschreibt die wichtigsten Symbole. Project Manager Window Schematic Page Window Tool Palette Project Design Root Folder Schematic Page Bild 2.4 4/11

5 Werkzeug Name Select Part Wire Net Alias Bus Beschreibung Selektionsmodus zur Auswahl von Objekten. Dieses ist der normale Modus. Auswahl von Bauteilen aus einer Bibliothek. Äquivalent zum Part Befehl auf dem Place Menü. Zeichnen von Leitungen. Betätigen und halten Sie die Umschalttaste, um nicht orthogonale Leitungen zu zeichnen. Äquivalent zum Wire Befehl beim Place menü. Setzen Sie Alias auf Drähte und Busse (Benennen). Äquivalent zum Alias Befehl beim Place Menü. Zeichen von Bussen. Betätigen Sie die Umschalttaste, um nicht orthogonale Segmente zu zeichnen. Äquivalent zum Bus Befehl auf dem Place Menü. Tabelle 2.1: Bibliotheken und Bauteile Bevor Sie mit dem Schaltplan arbeiten, stellen Sie zunächst sicher, dass das Schematic Fenster aktiv ist, denn nur dann erscheint die Werkzeugpalette bzw. erscheinen die entsprechenden Menüeinträge. Um dem Schaltplan Bauteile hinzuzufügen, wählen Sie das Part Symbol aus der Werkzugpalette oder verwenden Sie das Menü Place Part und Place Part. Hinweis: Prinzipiell sind alle Bauteile in Bibliotheken organisiert. Um ein bestimmtes Bauteil verwenden zu können, muss die entsprechende Bibliothek vorher hinzugefügt werden. In diesem Praktikum arbeiten wir mit folgenden Bibliotheken: dig_prim.olb, 74ls.olb, 7400.olb, breakout.olb und source.olb. Die Bibliothek dig_prim.olb enthält ideale Bauteile, dies bedeutet, dass solche Bauteile keine Signallaufzeiten haben, was zur Folge hat, dass sich Änderungen am Eingang eines Bauteils unmittelbar am Ausgang bemerkbar machen. Demgegenüber enthalten die Bibliotheken 74ls und 7400 reale Bauteile, sind also folglich mit Signallaufzeiten behaftet. Um eine Bibliothek hinzuzufügen, betätigen Sie den Add Library Button im Place Part Dialogfeld. Das angezeigte Browse File Dialogfeld kann benutzt werden, um eine Bibliothek zu lokalisieren und sie den Bibliotheken hinzuzufügen. Bild 2.5 veranschaulicht das Place Part Dialogfeld, bevor und nachdem Bibliotheken hinzugefügt worden sind. Die Bauteileliste zeigt alle Bauteile an, die der vorgewählten Bibliothek angehören. 5/11

6 Bild Bauteile auswählen, platzieren und verbinden Im Textfeld Part können Sie den Namen des benötigten Bauteils eingeben. Sie können in diesem Textfeld aber auch Platzhalter verwenden, um die Anzahl der Bauteile in dem Feld Part List zu begrenzen. Gültige Platzhalter sind Sternchen (*) für mehrere Buchstaben und Fragezeichen (?) für einzelne Buchstaben. Die Auswahl eines Bauelements wird mit dem Button OK bestätigt. Bewegen Sie nun die Maus im Schematic Fenster an die Stelle, wo Sie das Bauelement platzieren wollen. Klicken Síe nun die linke Maustaste und das ausgewählte Bauteil wird positioniert. Um Bauteile zu verbinden, werden Leitungen verwendet. Um diese zeichnen zu können, müssen Sie die Place Wire Option verwenden; wählen Sie dazu das Wire - Symbol aus der Werkzeug-Palette aus. Betätigen Sie die linke Maustaste, um mit dem Zeichnen der Leitungen zu beginnen. Bewegen Sie die Maus, um die Leitung zu zeichnen. Betätigen Sie die linke Maustaste, wenn Sie einen Knotenpunkt setzen und die Richtung ändern möchten. Klicken Sie doppelt, um das Zeichen der aktuellen Verbindung zu beenden. Wenn Sie mit der Verdrahtung fertig sind, drücken Sie die ESC-Taste oder wählen Sie End Wire innerhalb des Kontext-Menüs (dies erhalten Sie durch Betätigung der rechten Maustaste). Leitungen können natürlich auch miteinander verbunden werden; in diesem Fall fügt CAPTURE eine sichtbare Verzweigung hinzu. 2.3 Benennen der Bauteile Wenn Sie eine Leitung gezeichnet haben, so wird dieser ein vom System generierter Name zugewiesen. Zusätzlich kann der Leitung ein Alias zugewiesen werden. Eine sinnvolle Vergabe von Namen ist hilfreich, um Leitungen einfacher identifizieren zu können. Um einen Alias zu erstellen, wählen Sie zunächst innerhalb der Schematic Page die gewünschte Leitung aus. Wählen Sie Net Alias vom Place Menü oder wählen Sie das Net Alias Werkzeug von der Werkzeugpalette aus. Schreiben Sie einen Namen in das Namentextfeld und wählen Sie die gewünschten Attribute (Farbe, Schriftart, etc.) im Place Net Alias Dialogfeld aus (Bild 2.6). Bestätigen Sie mit OK. und setzen Sie den definierten Alias auf die vorgesehene Leitung. 6/11

7 Bild 2.6 Eine Leitung darf nicht mehr als einen Alias besitzen. Besitzen verschiedene Leitungen den gleichen Alias, so sind sie elektrisch miteinander verbunden. (Bild 2.7). Diese Methode ist für große Schaltpläne ratsam, da sie die Anzahl der Leitungen reduziert! Bild Setzen und Definition der Quellen Zur Simulation benötigt jede Schaltung entsprechende Eingangssignale. In CAPTURE werden Eingangssignale, die sich in der Source.olb Bibliothek befinden, durch Quellen simuliert, die genauso wie Bauteile gehandhabt werden. Im Rahmen des Praktikums konzentrieren wir uns auf die beiden folgenden: = DIGCLOCK (Bild 2.8) ist eine digitale Zyklusquelle, die einen periodischen Taktimpuls erzeugt. Über einen Doppelklick können Sie auf die Eigenschaften dieses Bauteils zugreifen oder die angezeigten Attribute bearbeiten. STIM1 (Bild 2.9) ist eine digitale Signalquelle, deren Signalverlauf über den Property Editor definiert werden kann.. Bild 2.8 Bild 2.9 Bild 2.10 zeigt beispielhaft die Eigenschaften der Signalquelle DSTIM1. Über COMMAND1 wird dem Signal zum Zeitpunkt 0s der logische Wert 0 zugewiesen. Der Eintrag in COMMAND2 bewirkt einen Signalwechsel auf den logischen Wert 1 zum Zeitpunkt 100ns. Ebenso bewirkt COMMAND3 einen Signalwechsel auf den logischen Wert 0 zum Zeitpunkt 300ns, entsprechend wird durch COMMAND4 das Signal nach 400 ns wieder auf den logischen Wert 1 gesetzt. Dieses Signal bleibt nun bis zum Ende der Simulation erhalten. Bild 2.11 zeigt beispielhaft den Signalverlauf. 7/11

8 Bild Simulation mit PSPICE A/D Bild 2.11 Sobald der Schaltplan erstellt wurde, können wir mit der Simulation beginnen. Der erste Schritt ist, zu überprüfen, ob die Schaltung, die wir simulieren möchten, in einer Schematic Page unter dem Root Folder des Projekts gespeichert ist (siehe auch Bild 2.4.) Bevor Sie fortfahren, sollten Sie sicherstellen, dass Sie alle Projektänderungen gespeichert haben. Erstellen Sie zunächst ein neues Simulationsprofil, unter PSpice New Simulation Profile. Das New Simulation Fenster sollte erscheinen. Im Feld Name geben Sie den Namen Ihrer Simulation ein. Im Auswahlfeld Inherit From wählen Sie non und Create zum Erstellen. Nun erscheint das Simulation Settings Dialogfeld (Bild 3.1), wobei das Tab-Fenster Analysis aktiv sein sollte, falls nicht, aktivieren Sie es. In dem Auswahlfeld Analysis Type wählen Sie Time Domain (Transient) aus. Der Wert im Textfeld Run to time bestimmt die Dauer unserer Simulation. Klicken Sie auf OK, um Ihre Simulationsprofileinstellungen zu bestätigen. Um die Simulation zu starten, wählen Sie zu PSpice Run. Nachdem PSpice A/D die Simulation beendet, startet das Waveformfenster automatisch. 8/11

9 3.1 Markierungen gebrauchen Um das Verhalten eines Signals während der Simulation zu beobachten, verwenden wir sogenannte Markierungen. Sie erlauben uns die Anzeige der logischen Zustände, die während einer Simulation auf den einzelnen Leitungen herrschen. Die Auswahl einer Spannungs- Markierung erfolgt über das Menu PSpice Markers Voltage Leve l. Plazieren Sie eine Spannungsmarkierung auf eine Leitung, deren Signal Sie beobachten möchten. Dieses erzeugt eine Zeichnung des Signals im Probe window, wie in Bild 3.2 gezeigt. Bild 3.1 Bild 3.2 9/11

10 4 Fallstudie: Dual-Aiken-Code-Umsetzung Ihre Aufgabe ist es nun, mit OrCAD eine digitale Schaltung zur Dual-Aiken-Code- Umsetzung zu erstellen und zu simulieren. Zur Umsetzung des Dualcodes in den Aikencode wird eine Digitalschaltung benötigt, die folgende Wahrheitstabelle erfüllt: Dezimale Binär-Code Aiken-Code Zahl D C B A Z Y X W Tabelle 4.1: Dual- zu Aiken-Code Die folgenden Gleichungen wurden aus Tabelle 4.1 extrahiert und stellen den Ausgang des Dual-Aiken-Code-Umsetzers dar: W = A B C D + A B C D + A B C D + A BC D + A B C D X = A B C D + A B C D + A B C D + A B C D + A B C D Y = A B C D + A BC D + A BC D + A B C D + A B C D Z = A B C D + A BC D + A BC D + A B C D + A B C D Diese Gleichungen können mit Hilfe der KV-Diagramme minimiert werden. Das Hinzufügen von Don t-care Zuständen vereinfacht diesen Prozess. W = A X = D + B C + A B C Y = D + BC + A C = D + C Z = D + BC + A C = D + C ( B + A) ( A + B) Bild 4.1 illustriert den resultierenden Schaltplan des Dual-Aiken-Code-Umsetzers. Bild 4.2 zeigt die entsprechenden Simulationsresultate. 10/11

11 Bild 4.1 Bild /11