Versuch 1 - Technische Informatik

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

Praktikum GTI Einführung in das Simulationsprogramm OrCAD
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 2.0
2.1 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…
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Praktikum GTI Einführung in das Simulationsprogramm OrCAD
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“.
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Praktikum GTI Einführung in das Simulationsprogramm OrCAD
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
Project Design
Root Folder
Bild 2.4
Schematic Page
Window
Tool Palette
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Werkzeug Name Beschreibung
Select
Selektionsmodus zur Auswahl von Objekten. Dieses ist der normale
Modus.
Part
Auswahl von Bauteilen aus einer Bibliothek.
Äquivalent zum „Part“ Befehl auf dem „Place“ Menü.
Wire
Net Alias
Bus
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.
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Bild 2.5
2.2 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.
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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 2.7
2.4 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.
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3 Simulation mit PSPICE A/D
Bild 2.10
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.
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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
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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
0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 1 0 0 0 1
2 0 0 1 0 0 0 1 0
3 0 0 1 1 0 0 1 1
4 0 1 0 0 0 1 0 0
5 0 1 0 1 1 0 1 1
6 0 1 1 0 1 1 0 0
7 0 1 1 1 1 1 0 1
8 1 0 0 0 1 1 1 0
9 1 0 0 1 1 1 1 1
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 +
X = A B C D + A B C D + A B C D
Y = A B C D + A BC
D + A BC
D
Z = A B C D + A BC
D + A BC
D
A BC
D
+ A B C D
+ A B C D
+ A B C D
+ A B C D
A B C 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.
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Bild 4.1
Bild 4.2
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