Digitale Schaltungstechnik/ Simulation

Häufig werden Digitalschaltungen simuliert um die Funktion vor dem Aufbau zu verifizieren oder um Fehler zusuchen.

Grundsätzlich gibt es sehr viele Schaltungssimulatoren und für jeden Zweck den passenden, jedoch ist es nicht immer einfach eben den Richtigen zu finden.

Zuerst einmal teilen wir die Schaltungssimulatoren in mehrere Grobe Kategorien auf:

• reine Digitalschaltungssimulatoren
• Elektroniksimulation
• Spezialsoftware

Nun gehen wir auf die einzelnen Kategorien ein und beschäftigen uns mit den Vor- und Nachteilen.

reine Digitalsimulatoren

LogicSim

Reine Digitalsimulatoren gibt es sehr viele,

Vorteile:

• viele Kostenlos oder sogar OpenSource im Internet
• einige Simulatoren mittlerweile als reine Webanwendung möglich ( JAVA, PERL )
• einfacher Aufbau
• einfache Handhabung

Nachteile:

• teilweise Ungenormte oder erfundene Gatter
• Signallaufzeiten werden nur bedingt beachetet

• Funktionen wie Impulsdiagramme finden sich selten
• Richtigkeit des angezeigten Verlauf nur bedingt gegeben

Elektroniksimulation

Elektronik Simulations-Programme (zu meist Spice basierend). Gute Makros (also Bauteilbeschreibungen) vorausgesetzt, zeigen Elektroniksimulationen das realistische Verhalten, bis hin zu Gatter- und Kabellaufzeiten.

Dieser Realitätsnähe hat aber auch Schattenseiten:

• sehr begrenze Gatterzahl
  • ohne meist teure Vollversion nur begrenzte Knotenzahl. Gerade realitische Digitalschaltungen verbrauchen aber sehr viele Knoten.
  • Auch ohne Künstliche Einschränkungen, er gibt sich irgendwann der Rechenaufwand als Flaschenhals.
• Komplexität

Impulsdiagramme sind hier eine Selbstverständlichkeit, jedoch ist es schwierig komplexe Eingangssignale zu generieren.

Spezialsoftware

Software für speicherprogrammierbare Steuerungen und so weiter bieten oft auch eine rudimentäre Schaltungsimulation. Soll die Schaltung am Ende auf einer dieser Plattformen laufen, sind sie gerade zu prädestiniert: Durch die Integration ist ein nahtloser Übergang möglich, Hardwarebesonderheiten werden direkt unterstützt usw.

Jedoch: Verwendet man die Software für die Simulation beliebiger Schaltungen, dreht sich der Vorteil zum Nachteil: Normgerechte Darstellung ist meist nicht möglich, die Bedingung wird unnötig Komplex, limitierungen der echten Hardware schränken auch die Simulation ein usw.

Die Hersteller von CPLDs und FPGAs bieten oft kostenlose Versionen ihrer Entwicklungsumgebungen an, die zwar Einschränkungen haben, aber für Lernende einen sehr umfassenden Funktionsumfang bieten.

Die beigefügten Digitalsimulatoren sind oft auch in der Lage, Board-Level-Simulationen durchzuführen.

Das heißt, das CPLD/FPGA kann zusammen mit anderen Bauteilen simuliert werden, sofern es sich um digitale Bauelemente handelt und man über entsprechende Simulationsmodelle verfügt.

Die Simulatoren arbeiten meist als ereignisgesteuerte Digitalsimulatoren mit einer Hardwarebeschreibungssprache (HDL: Hardware Description Language), z.B. VHDL oder Verilog.

Die Entwicklungsumgebungen bieten oft auch die Möglichkeit der Schaltplaneingabe (meist mit Symbolen in US-Norm) und konvertieren diese dann in eine geeignete HDL-Darstellung für den Simulator.