PRÁCTICA 1: INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES CON ELECTRONICS WORKBENCH Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas. Miguel Martínez Iniesta Juan Antonio Ruiz Palacios
INTRODUCCIÓN El avance tecnológico de estos últimos años que ha proporcionado a las computadoras gran capacidad almacenamiento, mejoras en representación gráfica y considerable potencia de cálculo, ha permitido el desarrollo del Diseño Asistido por Computadora, (CAD Computer Aids Desing), como herramienta imprescindible en la ingeniería. En este contexto, se han desarrollado potentes herramientas informáticas orientadas al diseño y simulación de circuitos, que han popularizado el computador como herramienta de diseño electrónico. Aunque los simuladores de circuitos se plantean para resolver una problemática específica dentro del ámbito del CAD, su uso docente es particularmente útil al facilitar el estudio de los circuitos; permiten comprobar la influencia de un determinado componente, es posible la modificación rápida de los diseños, representación gráfica de resultados, etc., además introducen al estudiante en el conocimiento de una herramienta fundamental del entorno profesional-industrial. La simulación de circuitos permite reproducir mediante un software específico el comportamiento de un circuito, para conocer su grado de adaptación a las especificaciones establecidas en la fase de diseño, antes de pasar a la implementación física. La simulación electrónica se basa en reproducir el comportamiento de los componentes electrónicos mediante modelos. En función de la complejidad de estos conseguiremos mayor o menor exactitud en las simulaciones. ENTORNO DEL PROGRAMA ELECTRONICS WORKBENCH Se considerará que ya se conocen aspectos básicos de utilización de los sistemas operativos Windows 9X, tales como cortar, pegar, portapapeles, arrastrar etc. Así como la estructura típica de las aplicaciones en este entorno: concepto de ventana, menús desplegables, menú contextual, barras de herramientas, etc. Al encender los ordenadores se iniciará de forma automática una sesión en el Servidor al que están conectados en red. Para arrancar el programa haremos doble-click en el icono Wewb32 del escritorio, este es un acceso directo al programa. Otra forma de ejecutarlo sería tecleando d:\opt\ewb5\wewb32 /ansi, desde Inicio(Start)/Ejecutar(Run). En la figura 1, se muestra el entorno de trabajo que encontraremos: 2
Barra de Herramientas de Componentes Barra de Herramientas de Circuito Menús desplegables Detener simulación Iniciar simulación - Figura 1- Podemos dividir el proceso en tres partes: Dibujar el esquema del circuito. Establecer las entradas lógicas. Colocar los instrumentos y/o indicadores para visualizar las salidas y simular. DIBUJAR EL ESQUEMA DEL CIRCUITO. Es posible realizar simulaciones a nivel de puertas lógicas y de circuitos integrados digitales. Naturalmente esta última opción se ajusta más a la situación de un circuito real. En cualquier caso, para introducir el esquema de un circuito se deben colocar los componentes necesarios y después interconectarlos. 3
Seleccionaremos los circuitos en la Barra de Herramientas de Componentes, concretamente podremos utilizar las cajas de componentes: Circuitos Integrados Digitales: Desde esta opción accederemos a los componentes en función de la familia lógica a la que pertenecen y de su número de serie, por ejemplo el CI (circuito integrado) TTL 7408, que son 4 puertas AND de dos entradas o el decodificador TTL 74138 Puertas Lógicas: En esta caja de componentes podremos elegir puertas lógicas independientes o CI de puertas lógicas como el CI TTL 7408. Digital: Aquí encontraremos biestables o podremos seleccionar CI por su función: sumadores, decodificadores, multiplexores, contadores, etc. Por ejemplo el decodificador TTL 74138. Como podemos observar se puede elegir un mismo CI desde distintas cajas de componentes, según el criterio de selección que utilicemos. Para introducir en la ventana de trabajo una puerta o biestable basta con hacer click y arrastrar a la posición que se desee dejándolo caer. Para incluir un CI el procedimiento es análogo, pero cuando lo vayamos a colocar el programa nos pedirá que seleccionemos uno concreto de entre una lista (figura 2). - Figura 2- Una vez colocado un componente lo podemos orientar adecuadamente utilizando los botones de la barra de herramientas: Reflejo Vertical Reflejo Horizontal Rotar - Figura 3-4
En cualquier momento si pulsamos click-derecha sobre un componente (en general sobre cualquier elemento del esquema, cable, instrumento, etc.) accederemos a su menú contextual, donde tendremos la posibilidad de consultar la ayuda sobre él, girarlo, etc. Seguramente la opción más interesante en este punto sea Propiedades de Componentes... desde la que podemos acceder al modelo del circuito, es decir a su comportamiento, figura 4: Click derecha - Figura 4- Para los circuitos digitales existen tres bibliotecas distintas, la de las familias TTL, la de las familias CMOS y la biblioteca por defecto (la que se asigna a cada componente a no ser que se especifique lo contrario). Esta incorpora un modelo ideal, que utilizaremos en las prácticas, cuyo comportamiento se describe en la siguiente figura: - Figura 5- Una vez colocados al menos dos dispositivos es el momento de interconectarlos. Si pasamos el puntero del ratón por el extremo de una 5
entrada o una salida de un componente aparecerá un punto sobre ella, pulsaremos el botón izquierdo y arrastraremos (una línea recta nos acompañará en el movimiento) hasta que otro punto aparezca sobre el terminal que queremos unir, si entonces liberamos el botón del ratón esos pines quedarán cableados (figura 5). PASO 1 PASO 2 PASO 3 - Figura 6- En la siguiente figura se ilustra como realizar la conexión entre un terminal y un conductor ya dibujado simplemente arrastrando y dejando caer tal y como se explicó para la figura anterior PASO 1 PASO 2 - Figura 7- Otra posibilidad es incluir un nodo (desde la caja de herramientas de componentes Básico) y después unir según el procedimiento descrito más arriba. Nodo PASO 1 PASO 2 PASO 3 - Figura 8- Si la densidad del circuito es considerable y las líneas están muy próximas, el programa puede cometer errores si utilizamos el procedimiento de cableado de la figura 7. Para evitar estos problemas es conveniente, en estos casos, introducir nodos manualmente y utilizar el modo de interconexión propuesto en 6
la figura 8, de esta manera nos aseguraremos que las conexiones se realizan conforme a nuestros deseos. En ocasiones en circuitos complejos es aconsejable diferenciar unos conductores de otros por su color, para ello editaremos el menú contextual del cable (click-dcha.) y entraremos a Propiedades del Cable. Para seleccionar un elemento haremos click sobre él. Si hacemos click en una zona libre de la pantalla y arrastramos, se seleccionarán todos los elementos que queden incluidos en la zona que abarque el rectángulo de selección. Una vez que tengamos el esquema, podremos variar la disposición de los componentes seleccionándolos y arrastrándolos a otro lugar. Las conexiones entre los distintos terminales se adaptarán a la nueva disposición de los circuitos. De la misma forma podemos variar el trazado de cualquier línea de conexión Para eliminar cualquier elemento del esquema bastará con seleccionarlo haciendo click en él y pulsar la tecla Suprimir. ESTABLECER LAS ENTRADAS LÓGICAS Existen varias posibilidades para dar valores a las entradas, aunque nosotros utilizaremos únicamente el Generador de Palabras que encontraremos en la Caja de Instrumentos. Control de Direcciones Modos de operación Tabla de Datos Entrada de sincronismo externo Doble click Terminales de conexión Reloj Campos de edición - Figura 9- El Generador de Palabras dispone de hasta 65636 direcciones donde albergar palabras de cuatro dígitos hexadecimales (16 bits). El contenido de 7
cada una de estas direcciones puede ser dirigido a las 16 salidas incorporadas en el instrumento. En la columna de la izquierda se puede observar la información almacenada en él. En primer lugar debemos seleccionar el conjunto de palabras que vamos a utilizar en la simulación, para ello introduciremos el límite inferior y superior en los campos Address/Initial y Address/Final, en hexadecimal. Existen tres modos de operación: Si tenemos la opción Burst (ráfaga) activada llevaremos a la salida, secuencialmente, todas las palabras desde la dirección inicial a la final. La opción Cycle es similar a la anterior, salvo que al llegar al final comienza de nuevo, de forma cíclica. Con Step enviaremos una palabra la salida cada vez que pulsemos con el ratón en este botón. El campo Current indica la dirección de salida en cada momento. Si pulsamos con el ratón en una fila cualquiera de la tabla de datos y activamos la opción Breakpoint (punto de ruptura), conseguiremos que se detenga la ejecución del Generador de Palabras (en los modos Burst y Cycle), cuando se pase por esa posición. Para continuar habrá que hacer click de nuevo en cualquiera de los tres modos de operación. Un Breakpoint se elimina seleccionando la palabra que tiene asociado el punto de ruptura y pulsando Breakpoint. Se pueden establecer varios puntos de ruptura. Para introducir los datos que deseemos en el Generador de Palabras podemos escribir directamente sobre la Tabla de Datos en hexadecimal, o bien seleccionar mediante un click cualquier fila (su dirección quedará reflejada en el campo Edit) e introducir el nuevo valor en ASCII o binario en los campos de edición respectivos. Para establecer una tabla de Datos de una forma rápida, que satisfará la mayoría de los casos, pulsaremos Pattern, que nos permite las siguientes posibilidades (figura 10): Borra la Tabla de Datos Carga la Tabla con el contenido de un fichero Almacena la Tabla en fichero en disco Establece en la Tabla una secuencia de cuenta ascendente Establece secuencia de cuenta descedente Tabla de Datos como registro de desplazamiento a la derecha Registro de desplazamiento a la izquierda - Figura 10-8
Mediante los campos de frecuencia podremos especificar la velocidad con la que se enviarán las palabras a las líneas de salida, si hemos seleccionado el Trigger (disparo) interno. Si el disparo es externo solo se cambiará la salida cuando se detecte por la línea correspondiente el flanco de subida o bajada de una señal de sincronización. Para fijar un terminal a uno o cero lógico permanentemente lo llevaremos a una fuente de tensión o a masa respectivamente. En la barra de herramientas de circuitos, Fuentes, encontraremos los símbolos de la batería y la masa. Para cambiar el valor de tensión de la batería seguiremos la secuencia Click-Ratón Dcha, Propiedades del Componente, Valor. Sustituiremos entonces los 12 voltios que es la tensión por defecto por 5v. Aunque quizás la alternativa más sencilla para fijar un entrada a uno lógico sea conectar este terminal a una fuente Vcc (situada en la barra de herramientas de circuitos: Fuentes) Uno lógico Cero lógico Fuente Vcc Batería Masa - Figura 11- COLOCAR LOS INSTRUMENTOS Y/O INDICADORES PARA VISUALIZAR LAS SALIDAS Y SIMULAR Es la parte final en el proceso de simulación, en ella podremos comprobar el comportamiento lógico del circuito que hemos editado en función de los estímulos, entradas, que le aplicamos. Aunque tenemos a nuestra disposición varios indicadores, solo utilizaremos los siguientes: Sonda Lógica Display 7 segmentos con decodificador incluido Menor peso - Figura 12-9
La sonda lógica se encenderá en presencia de un uno lógico y se apagará en caso contrario. Se puede elegir el color rojo, verde o azul desde Propiedades de Componente/ Elegir Prueba. El display de 7 segmentos mostrará el dígito hexadecimal correspondiente a sus 4 bits de entrada. Un instrumento interesante es el Analizador Lógico, con él podremos observar la evolución de las señales en función del tiempo. Su utilización está especialmente indicada para el análisis de circuitos secuenciales, por lo que pospondremos una explicación exhaustiva. Evolución de las señales en función del tiempo Doble Click Entradas de señales a visualizar - Figura 13- En la caja de instrumentos encontraremos el Convertidor Lógico, que aunque no es un instrumento propiamente dicho y desde luego no tiene equivalente en el mundo real, nos será muy útil pues puede realizar diversas funciones: 10
Entradas Doble Click Conversiones Obtener Tabla de Verdad a partir de un circuito Calcular la expresión algebraica de la Tabla de Verdad Calcular la expresión simplificada de la Tabla de Verdad Convertir una expresión booleana en Tabla de Verdad Convertir una expresión booleana en circuito Convertir una expresión booleana en un circuito NAND Tabla de Verdad de las entradas especificadas Expresión Lógica Opciones de conversión - Figura 14- Una vez dibujado el esquema, establecidas las entradas y los indicadores podremos iniciar la simulación pulsando con el ratón el conmutador de la parte superior derecha. Será el momento de analizar los resultados para comprobar el correcto funcionamiento de nuestro diseño. 11
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA A continuación se desarrollarán tres ejercicios de manejo del programa EWB. 1. Comprobación del funcionamiento del Convertidor Lógico. 1.1 Dibujaremos el siguiente circuito y pulsando obtendremos su tabla de verdad. - Figura 15- Con la conversión calcularemos su expresión algebraica y pulsando obtendremos la expresión simplificada. 1.2 Haciendo Click sobre las entradas A, B, C y D se escribirá una tabla de verdad de 4 bits, podremos establecer el valor de la función para cada entrada pulsando con el ratón y escribiendo 0, 1 ó X si es indeterminado, nos podremos mover por esta columna con las teclas de flecha-arriba y flecha-abajo. Escribir la tabla de verdad de una función que determine si un número de 4 bits en binario natural es primo. Calcular su expresión algebraica simplificada y conseguir un circuito que implemente la función. 1.3 Pulsando en el campo de la ecuación lógica situaremos el cursor, después escribir la ecuación lógica A BC D+A D +A(C+B). Hallar su tabla de verdad, simplificarla y obtener un circuito que la implemente. 2. Implementar con puertas lógicas básicas un circuito que detecte si un número de 4 bits no pertenece al BCD natural. Para realizar el diseño podremos utilizar todas las facilidades que nos proporciona el convertidor lógico. Cuando tengamos la estructura de puertas conectaremos sus entradas al Generador de palabras (atención al orden de pesos), en el que habremos establecido la dirección inicial, final y un patrón de cuenta ascendente. Para terminar conectaremos la salida a una sonda lógica y comenzaremos la simulación, se recomienda el modo de operación Step para poder observar con detenimiento los cambios que se van produciendo en el generador y su relación con el comportamiento de la sonda. 12
Un esquema podría ser el siguiente: - Figura 16-3. Repetir el diseño del apartado anterior utilizando los circuitos integrados 7408 (4 puertas AND de dos entradas) y 7432 (4 puertas OR de dos entradas). El circuito lógico es naturalmente el mismo. Utilizaremos dos puertas AND del CI 7408 y una del CI 7432. No debemos olvidar alimentar entre 0 y 5 voltios los chips. El resto del proceso sería idéntico: - Figura 17-13