L01 Medii de Proiectare CAD - CircuitMaker

Laborator 01 2014/2015

SIMULAREA FUNCŢIONĂRII CIRCUITELOR INTEGRATE DIGITALE UTILIZÂND CIRCUIT MAKER

1. INTRODUCERE

În momentul actual, evoluţia tehnicii de calcul face posibilă utilizarea computerului pentru simularea funcţionării unui circuit electronic precum şi evaluarea anumitor parametri electrici. Simulare reprezintă o soluţie ieftină şi nondestructivă. Există o largă varietate de programe de simulare pe PC, printre care şi Circuit Maker.

2. PLASAREA COMPONENTELOR ÎN SPAŢIUL DE LUCRU

Crearea unui fişier nou se face din meniul File>New. Prin opţiunea Devices>Browse se apelează fereastra de selectare a unei componente sau a unui dispozitiv electronic (figura 1.1).

Figura 1.1 Opţiunea Browse.

Prin apăsarea butonului „Place” se alege componenta şi cu mouse-ul se poziţionează pe ecran. Cu „click stânga” se fixează în poziţia dorită. Pentru rotirea simbolului se utilizează „click dreapta” ori de câte ori este nevoie.

Opţiunea Devices>Search permite căutarea după denumire a unei componente care apoi prin apăsarea butonului „Place” va putea fi plasată în zona de lucru.

Pentru a uşura căutarea, există liste predefinite de componente, numite „Hotkeys”. Acestea reprezintă scurtături pentru apelarea unei anumite componente din bibliotecă. Figura 1.2 ilustrează apelarea listei predefinite prin opţiunea Devices>Hotkeys.

1

Clasa de bază, generală,

de componente

Familii sau clase secundare

Codcomponentă

Simbolcomponentă

Plasarecomponentă


Figura 1.2 Alegelea unei componente din lista predefinită (Hotkeys)

După amplasarea componentelor dorite este necesară trasarea legăturilor electrice dintre intrările şi ieşirile acestora. Se utilizează butonul „Wire Tool” din bara de selecţie ilustrată în figura 1.3.

Figura 1.3 Butonul pentru trasarea legăturilor dintre componente.

Nodul de pornire al traseului conductor îl constituie capătul unui pin de componentă, care va fi marcat cu un chenar roşu în momentul selectării iar punctul destinaţie va fi reprezentat de alt pin (terminal) al unei componente. Firul se trasează între cele două puncte cu butonul stâng al mouse-ului apasat tot timpul. Nu se pot lăsa fire „în aer” deoarece acestea dispar în momentul eliberării butonului de mouse.Procesul de realizare a unei legături este redat în figura 1.4.

(a) (b)Figura 1.4 Trasarea firului (a) şi rezultatul trasării, poziţionare automată a firului (b).

Dacă se doreşte o trasare exactă, se efectuează doar un „click stânga” pe locul de începere al traseului, iar apoi cu câte un „click stânga” se schimbă direcţia de rutare a traseului în cauză, până la destinaţie (celălalt pin de componentă).

2

ApelareHotkeys

Listăcomponente

Scurtătură(se apasă caracterul aferent componentei

dorite)

Buton pentrutrasarea firelor


Ştergerea unei componente sau al unui traseu de pe ecran se realizează cu „Delete Tool” care se apelează prin apăsarea butonului ilustrat în figura 1.5.

Figura 1.5 Apelarea funcţiei de ştergere a unei componente.

3. LANSAREA SIMULĂRII

Pentru început, se alege tipul de simulare dorit: numeric sau analogic sau mixt, prin apăsarea butonului indicat în figura 1.6.

Figura 1.6 Alegerea modului de simulare.

Pentru modul de simulare analogic se va selecta simbolul de tranzistor, iar pentru o simulare digitală simbolul unei porţi ŞI. Modul de simulare mixt (analogic + digital) este ales în mod automat, funcţie de caracterul componentelor din circuitul realizat.

Declanşarea simulării se realizează prin apăsarea butonului cu icoana unui „omuleţ care aleargă” (figura 1.7).

Figura 1.7 Lansarea simulării.

4. SIMULAREA DIGITALĂ

Simularea digitală permite atât o analiză în regim static cât şi dinamic a circuitului studiat. Elementele de circuit uzuale, pentru simulare în regim static, sunt: logic switch, push button, logic display, 7 segment LED, Hex display etc., (figura 1.8).

3

Selectarea operaţiei de ştergere a unei componente

Alegerea modului de simulare:analogic sau numeric

Butonul dedeclanşare a simulării


Figura 1.8 Elemente de simulare statică.

Utilizând componente simple, se poate verifica funcţionarea unui circuit alcătuit din mai multe porţi logice (figura 1.9).

Figura 1.9 Utilizarea „logic switch” şi „logic display”.

Prin realizarea unui click stânga cu mouse-ul pe „logic switch” (componenta A, B, C sau D), acesta schimbă valoarea furnizată la ieşirea sa („0” sau „1” logic). Funcţie de valoarea logică de la ieşirea circuitului, elementul „logic display” (L1) se iluminează sau se stinge (pentru „1” respectiv „0” logic).

Regimul dinamic permite atât simularea prin efecte luminoase sau sonore cât şi urmărirea unor cronograme în punctele prestabilite de către utilizator. Funcţionarea sa se bazează pe generarea unui semnal de tact sau a unor secvenţe de numere binare, după o anumită regulă cu ajutorul elementelor pulser sau data sequencer, ilustrate în figura 1.10.

Figura 1.10 Elementele „Pulser” şi „Data Sequencer”.

Pulser-ul generează la ieşirile sale Q1, Q2 semnale dreptunghiulare, cu factor de umplere setabil, care pot fi utilizate drept semnale de tact (figura 1.11).

Figura 1.11 Semnale de tact generate cu „Pulser”.

4

fU2B

U1C

U1B

U2A

U1A

A

B

C

D

L1

L2D1LED1

1234

DISP2

abcdefg.

V+

DISP1

S4S3S2

S1V10V

L1

87654321

CP1CP2

DataSeq

DS1

CP1CP2

Q1Q2

V1

Q1

Q2

1009080706050403020100


Un „Data Sequencer” permite generarea de către utilizator a unei secvenţe de date ciclice, pe mai mulţi biţi, după un tipar predefinit sau la liberă alegere. Există 8 ieşiri de date programabile precum şi două intrări de declanşare comandată, CP1 şi CP2. Prin „click dreapta” pe elementul „Data Sequencer”, se alege opţiunea „Edit Data Sequencer” pentru predefinirea secvenţei ciclice generate de către acesta la ieşiri. În urma acestei operaţii, se va afişa fereastra din figura 1.12.

Figura 1.12 Editarea conţinutului pentru „Data Sequencer”.

Fiecare valoare pe 8 biţi corespunzătoare ieşirilor de la 1 la 8 are o adresă, care dă practic numărul de ordine a acesteia în succesiunea ciclică. Valoarea se prestabileşte prin dublu click pe adresa respectivă. Ultima adresă din ciclu se stabileşte prin valoarea „Stop Address” iar prima prin „Start Address”.

Utilizarea unor tipare predefinite pentru generarea de valori, se face acţionând butonul „Pattern”. Acest lucru va conduce la apariţia pe ecran a unei ferestre ca în figura 1.13.

Figura 1.13 Selectarea tiparelor pentru „Data Sequencer”.

5

Selectarea modului de afişare a valorii ieşirilor (Hex/Bin)

Stabilirea adresei primei respectiv ultimei valori furnizate la ieşire

Adresa şi valoarea pe 8 biţi a ieşirii, la un

moment dat.

Niveluri de tensiune pentru 0 respectiv 1

logic

Durata de menţinere a valorii la ieşiri, de

la o adresă la alta

Numărul de impulsuri de tact necesare

incrementării cu 1 a adresei curente

Pragul nivelului de tensiune de comutare pentru tactul extern (în regim analogic)

Opţiune “tact extern” (se bifează la nevoie)

Tipare predefinite

Modul de aranjare al biţilor

Adresa de început şi sfârşit a zonei care se umple cu tiparul ales

Numărul maxim de valori generate de Data

Sequencer în cadrul unui ciclu


Atribuirea bitului LSB şi MSB pentru ieşirile 1 sau 8 se poate face de către utilizator. Numărul maxim de valori este de asemena selectabil, până la o valoare maximă de 32K cuvinte pe 8 biţi fiecare.

4.1 OPŢIUNILE SIMULĂRII DIGITALE

Pentru o analiză amănunţită a funcţionării circuitului simulat, precum şi modificarea parametrilor de simulare digitală, se apelează meniul „Digital Options” (figura 1.14).

Figura 1.14 Apelarea meniului „Digital Options”.

Acest meniu permite modificarea vitezei de simulare, setarea condiţiilor de întrerupere, stabilirea pasului de simulare, mărirea pe scala X, unitatea temporală de simulare.

Figura 1.15 ilustrează configuraţia meniului „Digital Options”.

Figura 1.15 Digital Options.

Pentru vizualizarea formelor de undă, se plasează în nodurile de circuit dorite, un element denumit “SCOPE”. Automat, la prezenţa elementelor “SCOPE” în circuit, la lansarea simulării, pe ecran va fi afişata şi fereastra care conţine cronograme aferente simulării în regim dinamic a circuitului, aşa cum se arată în figura 16.

Figura 1.16 Cronograme şi puncte de întrerupere (breakpoint).

6

Ajustarea vitezei de simulare Stabilirea condiţiei

logice pentru un “breakpoint”

Modul de activare a unui “breakpoint”:

nivel/front

clk

rst

Q0

Q1

Q2

Q3

70605040302010Setarea de “breakpoint” prin click pe

locurile indicate


Un punct de întrerupere a execuţiei simulării („breakpoint”) se activează prin modul indicat în figura 1.16. La fiecare click succesiv, condiţia se modifică de la „0” la „1” logic. Dacă pătrăţelul este gol, breakpointul este dezactivat. Un breakpoint este util în momentul în care dorim urmărirea declanşării unui eveniment rezultat ca o condiţie logică între mai multe semnale vizualizate cu elementele “SCOPE”.

La o nouă declanşare a simulării, aceasta se reia de la breakpointul precedent până la apariţia unei noi condiţii de întrerupere.

Pentru urmărirea nivelului logic pe traseele de circuit, există posibilitatea activării opţiunii „TRACE”, prin apăsarea butonului indicat în figura 1.17.

Figura 1.17 Activarea opţiunii „TRACE”.

Nivelul logic va fi semnalat prin culori diferite, după cum urmează: albastru pentru „0” logic, roşu pentru „1” logic şi verde pentru starea de înaltă impedanţă HiZ.

Pentru indicarea nivelului logic la un moment dat, pe un traseu sau nod de circuit, se poate utiliza sonda logică (“Probe Tool”), activând butonul indicat în figura 1.18.

Figura 1.18 Activarea sondei logice.

Se pot distinge trei indicaţii: L pentru „0” logic, H pentru „1” logic şi P pentru o stare pulsatorie.

5. SIMULAREA ANALOGICĂ

În acest mod de simulare există posibilitatea selectării unor diferite analize, cu parametrii stabiliţi de către utilizator. În urma comutării în modul de simulare analogică, prin apelarea meniului “Simulaton”->”Analyses setup” se pot selecta diverse tipuri de analiză, aşa cum se arată în figura 1.19.

Figura 1.19 Opţiunile simulării analogice.

7

Butonul “TRACE”

Activarea sondei logice


În simularea analogică, „Probe Tool” are rol multiplu, funcţie de instrumentul selectat. Un „Test Point” se poate introduce fie înaintea simulării, fie după lansarea simulării, cu ajutorul sondei. Se pot introduce simultan mai multe „Test point” prin click + SHIFT apăsat.

Figura 1.20 evidenţiază modul de introducere a unui “Test point”.

Figura 1.20 Introducerea punctelor de test.

Dacă sonda este poziţionată pe o componentă, semnificaţia punctului de test poate fi atât curent cât şi putere disipată.

În cazul unei analize în regim tranzitoriu, pentru circuitul din figura 20 se obţin următoarele forme de undă, aferente punctelor de test A şi B (figura 21).

Figura 1.21 Cronograme obţinute în urma unei simulări analogice.

6. MODUL DE SIMULARE MIXT

Există posibilitatea simulării comportamentului unui circuit alcătuit atât din componente analogice cât şi numerice sau a unor circuite numerice în mod analogic. Acest din urmă caz este util pentru evidenţierea unor fenomene tranzitorii, de exemplu apariţia unui “glitch”. Un exemplu clasic îl constituie circuitul din figura 1.22.

Figura 1.22 Schemă pentru evidenţierea unui „glitch”.În urma simulării, se obţin cronogramele din figura 1.23.

8

Test Points introduse în circuit cu ajutorul sondei

0 1.67m 3.33m 5m 6.67m 8.33m 10m0

2

4

6

8

10

12

Xa: 10.000m Xb: 0.000 Yc: 12.00 Yd: 0.000

a-b: 10.000mc-d: 12.00

freq: 100.0

Ref=Ground X=1.67m/Div Y=voltage

d

cb a

AB

0 2u 4u 6u 8u 10u 12u

Xa: 5.127u Xb: 5.055uYc: 6.000 Yd:-3.800

a-b: 72.73nc-d: 9.800

freq: 13.75Meg

X: 2.000uUnits/Div Y: 2.000 Units/Div

Ref=Ground X=2u/Div

Y=vo

ltage

d

cba

A 5B 5C 5


Figura 1.23 Cronograme obţinute în urma unei simulări mixte.

7. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

1. Se va simula funcţionarea porţi ŞI-NU cu două intrări conform schemei de mai jos. Pe baza simulării, se va completa tabelul de funcţionare a porţii.

Intrare 1 Intrare 2 Ieşire poartă ŞI-NU0 00 11 01 1

2. Se repetă punctul 1 pentru fiecare din următoarele porţi: ŞI, SAU, SAU-NU, SAU-EXCLUSIV şi SAU-EXCLUSIV NEGAT (toate cu două intrări). În fiecare caz, pe baza simulării, se va completa tabelul de funcţionare a porţii.

Intrare 1 Intrare 2 Ieşire poartăŞI SAU SAU-NU SAU-EXCL SAU-EXCL NEG

0 00 11 01 1

3. Logic switch-ul V1 se va înlocui cu un Pulser. La intrări şi ieşire se vor ataşa elemente „SCOPE” şi se va simula în regim dinamic. Simularea se va face pentru fiecare din cele şase porţi menţionate mai sus. Se vor desena formele de undă obţinute.

9

V20V

V15V L1

U1A

Intrare 1

Ieşire poartăŞI-NU

t

t

t

Intrare 2

t

Ieşire poartăŞI


4. Pentru circuitul din figura 1.20 se va parcurge o simulare analogică completă. Se vor desena formele de undă obţinute.

10

Intrare 1

Ieşire poartăSAU-NU

t

t

t

Intrare 2

t

Ieşire poartăSAU

Intrare 1

Ieşire poartăSAU-EXCL

t

t

t

Intrare 2

t

Ieşire poartăSAU-EXCL NU

Documents

L01 Medii de Proiectare CAD - CircuitMaker