Manuel d’utilisation du simulateur logique DigitalSimulator

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Manuel d’utilisation du simulateur logique

DigitalSimulator

Mise à jour du 31/01/2022 16:25:00

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2 Contenu

1. INTRODUCTION ... 3

1.1. OBJECTIF ... 3

1.2. MODES DUTILISATION ... 3

2. PRESENTATION DE LA FENETRE D’ENTREE DU LOGICIEL ... 4

3. METHODOLOGIE D’UTILISATION ... 5

3.1. PRINCIPE GENERAL ... 5

3.2. EXEMPLE DE RESULTAT ... 6

4. CREATION D’UN CIRCUIT LOGIQUE ... 7

4.1. A QUOI SERT CE MODE ? ... 7

4.2. QUELS MODULES PEUT-ON ASSEMBLER ? ... 7

4.3. LA BIBLIOTHEQUE DES MODULES ... 8

4.4. COMMENT ASSEMBLER DES MODULESPOUR REALISER UN CIRCUIT ? ... 13

5. SIMULATION D’UN CIRCUIT LOGIQUE ... 16

5.1. GENERALITES SUR CE MODE ? ... 16

5.2. COMMENT REALISER UNE SIMULATION ? ... 16

5.3. COMMENT CONTROLER LES HORLOGES ... 17

6. AUTRES OPTIONS DU LOGICIEL ... 19

6.1. GESTION DE LAFFICHAGE ... 19

6.2. GESTION DES OPTIONS ... 19

7. EXEMPLES ... 20

7.1. PORTES DE BASE ... 20

7.2. MEMOIRE ELEMENTAIRE ... 21

7.3. BASCULE ... 22

7.4. COMPTEUR BINAIRE ... 23

7.5. AFFICHAGE DECIMAL ... 23

7.6. DIVISEUR DE FREQUENCE ... 23

7.7. HORLOGE PROGRAMMABLE ... 23

8. LICENCE ET IMPLANTATION ... 24

9. GLOSSAIRE ... 24

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3

1. Introduction

Ce logiciel est un « freeware » allemand destiné à l’initiation à l’électronique digitale. Il permet de créer et de simuler des circuits logiques à base de portes, de bascules, d’horloges, et d’autres éléments logiques.

Il permet aussi d’utiliser des interfaces du PC pour communiquer avec des processus réels, mais cette fonction n’a pas été essayée, faute de temps et de périphérique.

1.1. Objectif

L’objectif que nous recherchons ici est l’initiation des élèves au concept de circuit logique, et aux applications que l’on peut en faire en traitement d’information digitale et en commande séquentielle. La Figure 1 montre un exemple de ce que l’on peut faire. Il s’agit d’un circuit de mesure de temps permettant de mesurer une vitesse ou un retard. On peut voir qu’il utilise une horloge, une porte logique, des compteurs, et des afficheurs.

Figure 1 - Exemple de circuit digital de mesure de temps

1.2. Modes d’utilisation

Le logiciel, une fois installé, dispose de deux modes d’utilisation :

- Le mode « Création » permet de construire le circuit logique à étudier. Il dispose d’une bibliothèque de composants logiques de base immédiatement utilisables que l’on peut interconnecter avec des sources de tensions et des interrupteurs d’une part, des organes de visualisation d’autre part.

- Le mode « Simulation » permet d’exercer des commandes sur les entrées des circuits et d’observer son comportement dans le temps. Il possède une fonction « oscilloscope » permettant d’observer la trace de l’évolution des signaux logiques dans le temps

Ces deux modes sont détaillés dans ce qui suit.

Porte

Bascule Horloge

Compteur décimal

Afficheur Décodeur

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4

2. Présentation de la fenêtre d’entrée du logiciel

En ouvrant le logiciel, on découvre une fenêtre d’entrée composée de quatre parties :

Le menu principal, classique à tout logiciel Windows (MP, référencé dans une bulle de la Figure 2 ) permettant les fonctions de gestion de base (fichier, affichage, options, etc…)

Une bande de raccourcis (référencé R sur la figure) permettant d’accéder rapidement aux fonctions d’utilisation les plus couramment utilisées (ouverture, enregistrement de fichier, affichage pleine page, grossissement, choix du mode, informations)

La fenêtre des bibliothèques des modules (référencé FB sur la figure) Le plan de travail sur lequel on crée le circuit (référencé CL sur la figure)

L’oscilloscope de visualisation des signaux dans le temps (référencé OS sur la figure)

Figure 2 - fenêtre d'entrée de DigitalSimulator

Nous allons découvrir l’usage de ces éléments tout au long du manuel d’utilisation.

MP : Menu principal R : Raccourcis FB : Bibliothèque des

modules

OS : oscilloscope

CL : Plan du circuit logique

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5

3. Méthodologie d’utilisation

3.1. Principe général

Pour simuler des circuits logiques, l’utilisateur devra passer par des phases successives, ainsi que le montre la Figure 3

Figure 3 - Méthode d'utilisation du logiciel Résultat NON

atteint

Correction du circuit logique dans le logiciel

en mode « création »

Création du circuit logique sur papier

Création du circuit logique dans le logiciel

en mode « création »

Création des actionneurs de variables (interrupteurs)

en mode « création »

Création des visualisations de variables (lampe, oscilloscope)

en mode « création »

Simulation de l’ensemble en mode « simulation »

Analyse des résultats Déductions Corrections éventuelles

Résultat atteint

Fin de la simulation Mise au clair des résultats et

documentation

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6 3.2. Exemple de résultat

3.2.1. Exemple de circuit et de simulation

A titre d’exemple, la Figure 4 montre la simulation d’une mémoire élémentaire, et l’observation des signaux à l’oscilloscope. Observez le circuit, les points d’observation sur le circuit, et les mêmes signaux vus à l’oscilloscope.

Figure 4 - Exemple d'utilisation: simulation d'une mémoire élémentaire

Sur le schéma de l’oscilloscope les courbes se déroulent dans le temps de gauche à droite.

Une interprétation détaillée de cet exemple et des résultats est donnée en page 21.

Le circuit

Un point d’observation :

« Sortie de la mémoire »

Le point d’observation « Sortie de la mémoire » vu à l’oscilloscope

L’oscilloscope

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7

4. Création d’un circuit logique

La création d’un circuit logique se fait en mode « création » 4.1. A quoi sert ce mode ?

4.1.1. Objectif du mode

Ce mode sert à créer ou à modifier un circuit logique sur une feuille de plan.

Ce circuit est composé de portes, de bascules, ou d’autres éléments plus complexes (registres,..) reliées entre eux par des connexions, ainsi que des éléments permettant d’appliquer des valeurs logiques sur les entrées, et d’observer les valeurs logiques sur les connexions ou sur les sorties

4.1.2. Comment passer dans ce mode ? Il y a deux façons de passer dans ce mode :

1 A l’aide des raccourcis du menu (Cf. Figure 5) en cliquant sur le raccourcis.

Figure 5 - Menu principal et raccourcis

Lors de l’exécution de cette commande si on était en mode création, on passe en mode simulation et vice-versa.

2 En cliquant sur le fond de la fenêtre de création, à l’aide du click droit de la souris ce qui ouvre la fenêtre contextuelle. Cette fenêtre permet soit de commencer la simulation par « Start simulation » soit d’afficher une grille de positionnement des modules par « SnapGrid ».

4.2. Quels modules peut-on assembler ?

4.2.1. Principe général

On peut assembler des modules logiques élémentaires (portes simples) ou des modules logiques plus élaborés (bascules, multiplexeurs, compteurs, etc..).

On peut ajouter des organes permettant d’appliquer des valeurs logiques sur les entrées, tels que des interrupteurs ou des horloges.

On peut également ajouter des organes permettant de visualiser les valeurs des variables soit directement de façon booléenne, par des lampes ou des LED, soit de façon codée grâce à des afficheurs 7 ou 16 segments. Ces afficheurs permettent directement de voir des chiffres décimaux.

Tous ces éléments sont tirés d’une bibliothèque de modules logiques, dont nous allons parler maintenant.

Raccourcis de commutation entre les modes

« Création » et « Simulation ».

Menu principal

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8 4.3. La bibliothèque des modules

La bibliothèque des modules est accessible par l’intermédiaire de la fenêtre de sélection, à droite dans la fenêtre principale (Cf. Figure 2).

Elle comporte plusieurs feuillets sélectionnables (Cf. Figure 6 ).

Figure 6 - Bibliothèque de modules

4.3.1. Les portes élémentaires

Les portes élémentaires : sont les portes ET, OU, NAND, NOR, etc…), dans le symbolisme européen (Cf. Figure 6).

Vous pourrez les identifier en les faisant fonctionner et en observant leur table de vérité. La Figure 7 montre un exemple de circuit destiné à ça.

Figure 7 - Exemple d'essai d'une porte élémentaire pour établir sa table de vérité Feuillet des portes

élémentaires

Sélection des

différents feuillets Bascules Interrupteurs Organes de visualisation

Convertisseurs DCB ,…

Interfaces PC

Multiplexeurs, aiguilleurs

Compteurs

Insertion de texte objets programmés

(registre à décalage)

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9 4.3.2. Les organes d’entrée

Les organes d’entrée servent à positionner les variables d’entrée des circuits logiques.

Ce sont soit des interrupteurs, soit des générateurs d’horloge (Cf. Figure 8).

Essayez les différentes variantes en les connectant à une ampoule (Cf. Figure 9).

Figure 8 - Organes d'entrée

4.3.3. Les organes de visualisation

Les organes de visualisation (Cf. Figure 9) permettent de voir la valeur logique des signaux du circuit.

Figure 9 - Organes de visualisation Afficheur 7 segments (Décimal)

LED (groupe de 4) Ampoule

Afficheur 16 segments (Décimal et alphanumérique)

Interrupteur à mémoire

Bouton poussoir inverse Bouton poussoir direct

Générateur de signaux carrés (horloge) Interrupteur

Masse (Valeur 0)

Tension (Valeur 1) Aiguilleur

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10 4.3.4. Les bascules

La bibliothèque contient un jeu de bascules de différents types (Cf. Figure 10) : Types D

Type RS Type JK Type T

Les différences portent sur la synchronisation, et sur les signaux de commande (Set et Reset).

Essayez-les ! !

Figure 10 – les Bascules Bascule D

Bascule D avec Reset Bascule D

avec Set et Reset

Bascule RS asynchrone

Bascule JK synchronisée avec Reset

Bascule JK synchronisée

Bascule RS asynchrone

Bascule JK synchronisée

Bascule JK synchronisée

avec Set et Reset Bascule T asynchrone

Bascule JK synchronisée avec Set et Reset

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11 4.3.5. Les modules complexes

La bibliothèque comprend également d’autres modules dans les feuillets indiqués sur la Figure 6 comme « Multiplexeurs (Figure 11), Convertisseurs (Figure 12), Objets programmés ».

Figure 11 - Les multiplexeurs

Figure 12 -Les convertisseurs

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12 4.3.6. Les textes

Le feuillet « texte » (Figure 13) permet d’insérer dans le plan du circuit logique des zones de textes définissant les noms des variables ou toute autre indication.

Figure 13 - Objets texte et images

Un exemple d’utilisation est donné Figure 14

Figure 14 - Exemples de zones de texte

A l’aide de tous ces éléments, on peut maintenant créer et essayer un circuit logique.

Zones de texte insérées pour définir le nom du circuit (mémoire élémentaire) et le

nom des variables (C1, C0,

Q, et nQ).

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13 4.4. Comment assembler des modules pour réaliser un circuit ?

4.4.1. Manipulation des modules

Les modules que l’on veut insérer (ou poser) dans un circuit sont extraits des feuillets de la bibliothèque.

4.4.1.1. Pose

Pour poser un module dans le circuit, on sélectionne d’abord le feuillet dans lequel il se trouve (Cf. 4.3, page 8)

Ensuite, on « traîne » (Cf. Glossaire page 24) le module dans la fenêtre du circuit.

4.4.1.2. Effacement

Pour effacer un module, on le sélectionne (Cf. Glossaire page 24) et on appuie sur la touche

« Delete ».

On peut aussi le sélectionner avec le bouton droit, et choisir « Delete » dans la fenêtre de contexte qui s’ouvre alors.

Remarque1 :

Quand on efface un module, on efface tous les liens qui lui sont associés.

Remarque2 :

Quand on sélectionne un module, il devient entouré de vert (Cf. Figure 15 )

Figure 15 - Sélection d'un module

4.4.1.3. Déplacement

Pour déplacer un module, on le sélectionne puis on le traîne sur le plan.

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14 4.4.2. Liaison entre module

Le lien entre modules se fait en « tirant des fils » entre les modules, comme suit.

4.4.2.1. Création d’un lien

Pour créer un lien, on clique sur la connexion de départ du lien du module (en général un point noir en périphérie du module), et on traîne le fil qui apparaît alors jusqu’à la connexion arrivée du lien.

4.4.2.2. Effacement d’un lien

Pour effacer un lien, on le sélectionne, puis on appuie sur la touche delete du clavier.

On peut aussi choisir « delete » de la fenêtre contextuelle si on a cliqué avec le bouton droit.

4.4.2.3. Déplacement d’un lien

Pour déplacer un lien on le sélectionne et on le traîne pour modifier sa forme.

Quand un lien est « sélectionné », il apparaît en trait renforcé sur le schéma (Cf. Figure 16).

Figure 16 - Liaison sélectionnée 4.4.2.4. Création d’un lien multiple

Pour créer un lien entre deux connexions de modules, CMA1 et CMB5 de la Figure 17 par exemple, dont l’une, CMA1, possède déjà une liaison, il faut partir de la connexion qui n’en a pas, ici CMB5 .

Figure 17 - Réalisation d'un lien multiple

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15 4.4.3. Insertion de points d’observations à l’oscilloscope

On peut insérer des points d’observation sur des connexions du schéma. Le comportement de ces variables apparaîtra sur l’oscilloscope au fur et à mesure de l’évolution du système dans le temps

4.4.3.1. Insertion d’un point d’observation

Pour insérer un point d’observation on sélectionne une liaison avec le bouton droit de la souris et on choisit la commande « insert view point » de la fenêtre contextuelle.

« View point » apparaît à la fois sur le schéma, et à gauche de la fenêtre de l’oscilloscope.

4.4.3.2. Nommage d’un point d’observation

En cliquant deux fois sur « Viewpoint », une fenêtre de texte apparaît et vous pouvez remplacer le texte « Viewpoint » par le texte de votre choix, par exemple « Entrée1 » ou « C1 » (Cf. Figure 14). Le même texte apparaît automatiquement dans la fenêtre de l’oscilloscope.

Exemple :

Sur la Figure 18 apparaissent des points d’observation avant et après nommage.

Figure 18 - Points d'observation à l’oscilloscope avant et après renommage Points d’observation

renommés Points d’observation

avant renommage

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16

5. Simulation d’un circuit logique

5.1. Généralités sur ce mode ?

5.1.1. Objectif du mode

Ce mode permet d’agir sur les entrées du circuit, et de voir changer les valeurs des sorties des circuits logiques.

Si certaines entrées viennent de générateurs d’horloge, ceux-ci se mettent en route dés que vous êtes passés en mode simulation.

5.1.2. Comment passer dans ce mode

Ce mode est alternatif au mode « création », on y passe donc de la même façon, avec la même commande, soit au moyen de l’icône (Cf. Figure 19) , soit au moyen du raccourci menu (Cf. 4.1.2 page 7).

Figure 19 - Commande de passage en mode "Simulation"

5.2. Comment réaliser une simulation ?

On peut réaliser une simulation entièrement « manuelle », ou en utilisant des horloges.

5.2.1. Simulation entièrement « manuelle ».

Dans la simulation « manuelle », tous les signaux sont contrôlés par l’opérateur au moyen des interrupteurs.

Il peut donc à sa guise créer les changements de variables et observer l’effet de ces changements.

C’est ce mode de simulation que l’on pourra utiliser pour observer la table de vérité d’une porte.

(Cf. Figure 7).

C’est également le mode de simulation que l’on utilisera quand on étudiera finement le comportement d’une bascule (incidence des horloges, des forçages, etc…).

5.2.2. Simulation avec horloges

La simulation avec horloge sera utilisée dés que le circuit fait intervenir des registres ou des compteurs, avec une certaine complexité.

Notes alors que les générateurs de signaux d’horloges se mettent en route dés que vous passez en mode simulation. On peut les contrôler en apparition et en fréquence (Cf. 5.3).

Dans tous les cas, la seule façon commode de voir les signaux est d’utiliser l’oscilloscope.

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17 5.3. Comment contrôler les horloges

Vous pouvez contrôler l’application de ces horloges aux circuits, au moyen de portes de blocage insérées entre les circuits et le générateur.

5.3.1. Contrôle de l’application des horloges

La Figure 20 montre un exemple de compteur dont on contrôle l’horloge de comptage au moyen d’une porte.

Figure 20 - exemple de contrôle de l'application d'une horloge Horloge de base

Porte de contrôle

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18 5.3.2. Contrôle de la vitesse des horloges

Vous pouvez également agir sur la période d’une horloge en contrôlant le rapport entre le niveau haut et le niveau bas de l’horloge, selon le principe suivant :

§ En sélectionnant une horloge avec le bouton droit de la souris, une fenêtre contextuelle apparaît.

§ Sélectionnez la ligne « Option »

§ Une fenêtre apparaît (Cf. Figure 21) :

Figure 21 - Fenêtre de contrôle de la forme des horloges

§ Vous pouvez choisir la durée de chaque niveau «haut » et « bas » indépendamment.

L’unité de durée du simulateur (UT) est fixe, et le nombre que vous choisissez pour la durée de chaque niveau est un multiple de cette unité.

Ainsi, si vous choisissez 1 pour le niveau haut et 1 pour le niveau bas, la période durera 2 UT. La fréquence de cette horloge sera donc de 1/2UT.

Si vous choisissez 1 pour le niveau haut et 9 pour le niveau bas, la période durera 10 UT. La fréquence de cette horloge sera donc de 1/10UT.

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6. Autres options du logiciel

Le logiciel comporte aussi quelques commandes facilitant l’utilisation, accessibles parmi les raccourcis de la Figure 22.

Figure 22 - Options d'affichage

6.1. Gestion de l’affichage

6.1.1. Fonctions Windows standard

Comme sur tous les systèmes « Windows », la taille des fenêtres peut être ajustée en sélectionnant et en tirant les bords.

6.1.2. Contrôle du zoom de la partie Circuit

Les commandes A, B, C, D permettent de contrôler le zoom de la fenêtre du circuit.

- A lui rend sa dimension initiale au moment de la création (à vérifier).

- B permet d’ajuster le facteur de zoom de l’affichage du circuit, de telle sorte que le circuit occupe la totalité de la surface visible de la zone circuit.

- C et D permet de faire varier le facteur de zoom en plus ou en moins.

6.1.3. Affichage du circuit plein écran

E permet d’afficher le circuit seul, sans les autres parties de la fenêtre, sur toute la surface de l’écran.

6.2. Gestion des options

Le menu « properties » (F sur la Figure 22) permet de contrôler certains paramètres du logiciel : - le pas de la grille d’affichage des circuits,

- le pas et les dimensions de l’oscilloscope, Essayez-vous même rapidement !

A B C D E

F

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7. Exemples

Voici quelques exemples de circuits logiques : 7.1. Portes de base

Le circuit suivant (Figure 23) permet d’observer la table de vérité des portes de base.

Réalisez-le et faites les tables de vérité des différentes portes. Identifiez les portes définies en cours (OU, ET, NAND, NOR, OU-EXCLUSIF).

Figure 23 - Circuit d'essai des portes de base

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21 7.2. Mémoire élémentaire

La Figure 24 montre la simulation d’une mémoire élémentaire, et l’observation des signaux à l’oscilloscope.

Figure 24 – Détail de la simulation d'une mémoire élémentaire

Sur le schéma de l’oscilloscope les courbes se déroulent dans le temps de gauche à droite.

Le déroulement de la manipulation a été le suivant :

Phase 1 : On démarre la simulation avec la commande d’effacement (C0). La mémoire s’initialise à 0. On enlève la commande d’effacement.

Phase 2 : On exerce une commande d’écriture (C1), mais trop courte. Le système se met à osciller parce que la mémorisation n’a pas le temps de se faire

Phase 3 : On met une commande d’écriture correcte (suffisamment longue). La mémoire change d’état et mémorise correctement l’écriture.

Phase 4 : On met une commande d’effacement correcte. La mémoire change d’état et mémorise correctement.

Phase 2 Phase 1

Phase 3 Phase 4

Déroulement du temps

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22 7.3. Bascule

Réalisez le circuit de la figure Figure 25 et identifiez la bascule (D, RS, JK ? Maitre-Esclave ou non ?)

Figure 25 - Circuit d'essai d'une bascule

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23 7.4. Compteur binaire

Réalisez le schéma de la Figure 26 , et observez le comportement du compteur binaire directement en observant les lampes et les LED, et aussi en utilisant l’oscilloscope (Cf. Figure 27).

7.5. Affichage décimal

7.6. Diviseur de fréquence

7.7. Horloge programmable

Figure 26 - Essai du compteur binaire

Figure 27 - Compteur binaire vu à l'oscilloscope

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24

8. Licence et Implantation

Ce logiciel est gratuit. Son implantation se fait en lançant le fichier « DigitalSimulatorV2.3.2 ».

9. Glossaire

- « Sélectionner »

Sélectionner un élément c’est amener le curseur de la souris sur cet élément, et appuyer sur le bouton gauche de la souris. Généralement, l’élément sélectionné change de forme ou de couleur, ou devient entouré d’un cadre, selon les situations.

« Traîner »

Traîner un élément dans une fenêtre, ou d’une fenêtre à l’autre, consiste à : 1 Amener le curseur sur l’élément.

2 Appuyer sur le bouton gauche (ou parfois droit, essayez !) et déplacer la souris en maintenant le bouton appuyé.

Relâcher le bouton de la souris. L’objet traîné reste la.

Cet objet peut être aussi bien une zone de texte qu’un composant, ou un lien.

« Liaison »

Une liaison est une connexion ou encore un lien, entre les points d’entrée ou de sortie de deux modules ou d’un même module.

Figure

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References

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