uSimmics (ehemals QucsStudio) ist ein universeller Simulator, der nicht nur analoge Schaltungssimualtionen, sondern auch digitale Schaltungssimulationen unterstützt. In diesem Artikel wird anhand eines logischen AND-Gatters der grundlegende Arbeitsablauf der Digitalsimulation erläutert — von der automatischen Erzeugung der Wahrheitstabelle bis zur Wellenformverifikation mit einem Timing Diagram.
Was Sie in diesem Artikel lernen
- Wie digitale Komponenten in uSimmics (ehemals QucsStudio) platziert und verdrahtet werden
- Wie Wire Labels zur Benennung von Schaltungsknoten eingesetzt werden
- Wie ein digitaler Simulationsblock platziert und ausgeführt wird
- Wie Ausgabeergebnisse mit einem Wahrheitstabellendiagramm überprüft werden
- Wie zeitliche Wellenformen mit einem Timing Diagram analysiert werden
Was ist Digitalsimulation?
Digitalsimulation (Digital Simulation) ist eine Analysemethode, die das Verhalten digitaler Bauelemente — wie Logikgatter und Flip-Flops — anhand binärer High/Low-Signalpegel modelliert. uSimmics (ehemals QucsStudio) unterstützt zwei Modi der Digitalsimulation: den Wahrheitstabellenmodus und den TimeList-Modus.
Vorgehensweise: Wahrheitstabellensimulation für ein AND-Gatter
1. Auswahl und Platzierung digitaler Komponenten
- Öffnen Sie uSimmics (ehemals QucsStudio) und wählen Sie im linken Komponentenbereich „Digital Components“ aus.
- Platzieren Sie die folgenden zwei Komponenten im Schaltplan und verbinden Sie diese mit Leitungen.
| Komponente | Speicherort | Funktion |
|---|---|---|
| Digital Source | Digital Components | Eingangssignalquelle (2 Instanzen verwenden) |
| n-port AND | Digital Components | AND-Gatter |
2. Knotenbezeichnungen vergeben (Wire Label)
Weisen Sie den zu überwachenden Knoten im Schaltplan mit der Funktion „Insert Wire Label“ Bezeichnungen zu.
| Knoten | Bezeichnung |
|---|---|
| Ausgang von Digital Source 1 | A |
| Ausgang von Digital Source 2 | B |
| Ausgang des AND-Gatters | OUT |
Hinweis (Wire Label): Wire Label ist eine Funktion zur Vergabe von Bezeichnern an Schaltungsknoten. Die Bezeichnungen werden zur Referenzierung von Variablen in Simulationsergebnissen und Diagrammen verwendet.
3. Platzierung des digitalen Simulationsblocks
Platzieren Sie den digitalen Simulationsblock aus der Kategorie „Digital Components“ im Schaltplan. Dieser Block definiert den Simulationstyp sowie die zugehörigen Bedingungen.
4. Simulation ausführen
Klicken Sie auf die Schaltfläche „Simulate“, um die Simulation zu starten. Nach Abschluss wird die Wahrheitstabelle automatisch erzeugt.
5. Ergebnisverifikation mit dem Wahrheitstabellendiagramm
- Platzieren Sie ein Wahrheitstabellendiagramm aus dem Menü Diagrams.
- Fügen Sie die Variable „OUT“ zum Diagramm hinzu, um die vollständige Wahrheitstabelle des 2-Eingangs-AND-Gatters anzuzeigen.
| A | B | OUT |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Vertiefung: Zeitbereichssimulation mit Timing Diagram
Neben der Wahrheitstabelle können beliebige zeitliche Signalverläufe vorgegeben und die resultierende Ausgangswellenform mit einem Timing Diagram analysiert werden.
Konfigurationsschritte
- Ändern Sie den Parameter „Type“ des Simulationsblocks auf
TimeList. - Konfigurieren Sie die Parameter jedes Eingangssignals wie folgt.
| Signal | Einstellung (EIN-Zeit / AUS-Zeit) |
|---|---|
| S1 (Eingang A) | 1 ns / 1 ns |
| S2 (Eingang B) | 2 ns / 2 ns |
- Führen Sie nach der Parameteranpassung „Simulate“ erneut aus.
- Platzieren Sie ein „Timing Diagram“ aus dem Menü Diagrams und analysieren Sie die Wellenformen.
Hinweis (TimeList-Modus): Im TimeList-Modus kann die EIN/AUS-Dauer jedes Eingangssignals unabhängig voneinander festgelegt werden, was eine dem realen Betriebsverhalten nahekommende Simulation ermöglicht. Dieser Modus eignet sich insbesondere zur Verifikation von Setup- und Hold-Zeiten.
Zusammenfassung
Mit den Digitalsimulationsfunktionen von uSimmics (ehemals QucsStudio) lassen sich Wahrheitstabellen logischer Schaltungen automatisch erzeugen, ohne manuelle Berechnung, und das zeitliche Schaltverhalten kann mit Timing Diagrams überprüft werden. Es empfiehlt sich, zunächst mit einer einfachen Einzelgatter-Schaltung zu beginnen, um sich mit der Umgebung vertraut zu machen, und anschließend zu Kombinationsschaltungen aus mehreren Gattern sowie zu sequenziellen Schaltungen fortzuschreiten.
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