Ausgabe 23, März1998
Simulationsprogramme für digitale Schaltungen werden häufig im Informatik- oder Technikunterricht eingesetzt, um die Grundlagen der Computertechnik zu beleuchten. Aber auch im Hobbybereich ist es interessant, digitale Schaltungen zu entwerfen und auszutesten. Das neue Programm DigiTrace der Firma ABACOM bietet nicht nur die Simulation, sondern geht noch einen Schritt weiter: Es erlaubt auch den direkten Anschluß an reale Interfaces wie z.B. das CompuLAB oder das SIOS-Interface.
DigiTrace enthält alle wichtigen Bauelemente der Digitaltechnik, wie z.B. Gatter, Flip-Flops, Zähler, Speicher sowie Ein- und Ausgabeelemente. Bauteile werden am Bildschirm zu einer Schaltung zusammengesetzt und dann in der Simulation getestet. Über Schalter lassen sich Eingangszustände vorgeben, und Lampen dienen zur Anzeige der Ausgangszustände. Alle Ein- und Ausgabeelemente werden übersichtlich auf einer Frontplatte angeordnet und verleihen so der Anwendung das Aussehen eines fertigen Geräts.
Zu DigiTrace gibt es ein Buch von L.Feldmann und P.Prüssel, das im Franzis-Verlag erschienen ist. Es geht intensiv auf die Bedienung des Programms ein und vermittelt alle wichtigen Grundlagen. Überwiegend werden die in der Schule nach wie vor beliebten Bausteine der 74er-Reihe eingesetzt, so daß sich die simulierten Schaltungen auch real nachbauen lassen.
NAND-Gatter mit Hardware-Anschluß
Die Alternative zur reinen Simulation ist die Ansteuerung eines Interfaces. Hier soll das SIOS-Interface eingesetzt werden, um reale Ein- und Ausgänge zu erhalten. Ein erstes Beispiel demonstriert die Funktion eines logischen Gatters. Ein NAND-Gatter besitzt zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Funktion läßt sich leicht beschreiben: Nur wenn beide Eingänge logisch Eins sind, wird der Ausgang logisch Null, in allen anderen Fällen ist er hochgesetzt. Man könnte eine reine Simulation mit zwei Schaltern und einer Lampe am Bildschirm aufbauen. Viel motivierender ist es jedoch, reale Signale und reale Anzeigeelemente zu verwenden. Dazu werden die digitalen Ein- und Ausgänge des SIOS verwendet.
Jedem Ein- und Ausgang muß ein Anschluß eines Interfaces zugeordnet werden. Dabei ist das Interface, die verwendete Schnittstellenadresse und der gewünschte Anschluß einzugeben. Die Abbildung zeigt den entsprechenden Dialog. Nach diesen Vorbereitungen kann die Simulation gestartet werden. Mit angeschlossenem Interface erkennt man sofort, daß die LED am Ausgang 0 leuchtet. Verbindet man nun die Eingänge 0 und 1 mit +5V, dann schaltet sich der Ausgang aus. Man könnte nun z.B. zwei Mikroschalter und ein Lämpchen aus dem SIOS-Experimentierset anschließen, um den Versuch noch realistischer zu gestalten. Die Lampe ist im Ruhezustand an und kann nur ausgeschaltet werden, indem man beide Mikroschalter betätigt. Das NAND-Gatter ist nun mehr als nur ein Grundbaustein der Computertechnik. Es bildet hier vielmehr eine komplette logische Steuerung mit praktischem Nutzwert. Man kann es z.B. als Sicherheitsschalter einsetzten, bei dem über zwei Schaltkontakte eine Sperre aufgehoben wird.
Flip-Flops als elementare Speicherelemente
Grundlage vieler Speichertechnologien sind Flip-Flops. Der Name deutet schon an, daß es sich hierbei um Schaltungen mit zwei stabilen Zuständen AN (Flip) und AUS (Flop) handelt. Verschiedene Varianten liegen in DigiTrace als fertige Bauteile vor, sie können aber auch aus einzelnen Gattern aufgebaut werden, um ihre Funktion genauer zu beleuchten. Das Beispiel zeigt ein RS-(Reset/Set) Flip-Flop und seinen Aufbau aus Gattern. Die Schaltung ermöglicht ein leichtes Verstehen der inneren Funktion eines Flip-Flops.
Die Abbildung zeigt die zugehörige Frontplatte mit zwei Eingabeschaltern und zwei Ausgabelämpchen. Diese Beispielanwendung ist auf der CD zum erwähnten Buch enthalten.
Die Funktion der Schaltung läßt sich leicht beschreiben: Mit SET wird der Q-Ausgang gesetzt, mit RESET der /Q-Ausgang. Der letzte Zustand bleibt jeweils solange erhalten (gespeichert), bis er durch eine weitere Betätigung geändert wird. Auch für das RS-Flip-Flop gibt es reale Anwendungen. So ist es z.B. üblich, größere Maschinen über zwei Tastschalter für An und Aus zu bedienen. Statt der simulierten Schalter und LEDs auf der Frontplatte lassen sich problemlos reale Elemente am SIOS-Interface oder CompuLAB einsetzen.
Komplexer Schaltungsentwurf mit DigiTrace
Mit DigiTrace lassen sich auch komplexere Schaltungen mit Daten-bus-Systemen, Speichern, Adreß-zählern usw. aufbauen. So werden auch AD- und DA-Wandler simuliert bzw. real angesteuert. Das folgende Beispiel stammt ebenfalls aus der CD zum erwähnten Buch. Es verwendet einen Analogeingang und stellt das Ergebnis von acht Digitalzuständen an einer hexadezimalen Anzeige dar. Auf der anderen Seite wird über ein Poti mit (gedachtem) AD-Wandler ein 8-Bit-Bussystem gesteuert, das wiederum über einen DA-Wandler in eine Spannung umgesetzt wird. In einem praktischen Versuch wird der Schaltung je ein Analogeingang und ein Analogausgang des SIOS-Interfaces zugeordnet. Beide werden dann mit einem Kabel verbunden. Nach dem Start der Simulation läßt sich über das Poti an der virtuellen Frontplatte die reale Spannung am Analogausgang des SIOS einstellen. Gleichzeitig erscheint der wieder eingelesene Spannungswert in hexadezimaler Form in der Anzeige.
Mit den Mitteln von DigiTrace lassen sich auch komplexe Anwendungen wie z.B. Grenzwertabfragen, speicherprogrammierbare Steuerungen oder Signalgeneratoren aufbauen.
Eine einmal entwickelte Schaltung läßt sich mit einer ansprechenden Frontplatte wie ein übliches Anwenderprogramm einsetzen. Es gibt sogar einen optional erhältlichen DigiTrace-Compiler, der aus der Schaltung ein lauffähiges Windows-Programm erzeugt.