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Informatik

Schaltungen digital simulieren

Mit einem digitalen Werkzeug baut man eine Schaltung am Bildschirm auf und probiert alle Eingänge durch.

  • ca. 11 Minuten
  • Klasse 9
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann beschreiben, wie man eine Schaltung simuliert.
  • Ich kann alle Eingangskombinationen testen und die Ausgabe notieren.
  • Ich kann Abweichungen vom erwarteten Ergebnis finden.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst diese Lektion: Sensoren, Verarbeitung, Aktoren

Eine Simulation ist ein Modell. Auf dem Bildschirm baut man die Schaltung aus Gattern, Schaltern und einer Lampe auf. Man verändert die Schalter und beobachtet die Lampe. Das ist ungefährlich und schnell. Echte Bauteile könnten durch Fehler kaputtgehen. Mit Netzspannung (230 Volt) darf man nie experimentieren. Versuche mit echten Bauteilen nur mit ungefährlicher Kleinspannung und unter Aufsicht.

So gehst du vor: Erst legst du Eingänge und Ausgang an. Dann fügst du die Gatter ein und verbindest sie. Danach schaltest du alle Kombinationen der Reihe nach durch. Bei drei Eingängen sind das 8, bei zwei sind es 4. Du trägst die Ausgabe in ein Protokoll ein. Zum Schluss vergleichst du das Protokoll mit der erwarteten Wahrheitstabelle. Jede Abweichung zeigt einen Fehler.

Protokoll der Simulation des Treppenlichts
DBerwartet (UND)gemessengleich?
0000ja
0101nein
1001nein
1111ja

Das Protokoll auswerten

  1. Erwartet ist D UND B. Die Spalte „gemessen“ zeigt, was die Schaltung wirklich ausgibt.
  2. In den Zeilen 01 und 10 stimmen „erwartet“ und „gemessen“ nicht überein.
  3. Dort gibt die Schaltung eine 1 aus, erwartet war eine 0.
  4. Fehler: Es wurde ein ODER-Gatter statt eines UND-Gatters eingebaut.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Schaltung aufbauen.

Alle Fälle testen.

Mit der Tabelle vergleichen.

Ein Beispiel

Beispiel

Ein Flugsimulator übt das Fliegen ohne Risiko. Eine Schaltungssimulation prüft eine Schaltung ohne Risiko.

Schritt für Schritt

Wir finden die Abweichung im Protokoll.

  1. Zeile 00: gleich.
  2. Zeile 01: erwartet 0, gemessen 1. Abweichung.
  3. Zeile 10: erwartet 0, gemessen 1. Abweichung.
  4. Zeile 11: gleich.

Mit einem Bild erklärt

SchrittAufgabe
1Eingänge und Ausgang anlegen
2Gatter einfügen und verbinden
3Alle Kombinationen testen
4Protokoll mit der Tabelle vergleichen

Zur Grundlage zurück

Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Wie viele Kombinationen muss man bei zwei Eingängen testen?

Zeig mir den ersten Schritt

Rechne 2 hoch 2.

Lösung ansehen

Lösung: 4

2 hoch 2 ist 4.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

In wie vielen Zeilen weicht das Protokoll im Beispiel ab?

Zeig mir den ersten Schritt

Suche die Zeilen mit „nein“.

Lösung ansehen

Lösung: 2

Es sind die Zeilen 01 und 10, also 2.

Tipp: Teste immer alle Kombinationen. Ein Test mit nur einer Kombination kann den Fehler übersehen.

Merksatz: Simulieren: aufbauen, alle Kombinationen testen, protokollieren, mit der Tabelle vergleichen.

Typischer Fehler: Viele testen nur ein oder zwei Fälle. Fehler zeigen sich oft in einer einzelnen Zeile.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Warum ist eine Simulation sinnvoll?
Lösung ansehen

Lösung: Man kann Schaltungen ohne Risiko ausprobieren.

Frage 2 Wie viele Kombinationen muss man bei drei Eingängen testen?

Zeig mir den ersten Schritt

Rechne 2 hoch 3.

Lösung ansehen

Lösung: 8

2 hoch 3 ist 8.

Frage 3 Es genügt, eine einzige Eingangskombination zu testen.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 4 Wann darf man mit Netzspannung (230 Volt) experimentieren?
Lösung ansehen

Lösung: Gar nicht, das ist lebensgefährlich.

Geschafft

Eine Simulation ist ein Modell der Schaltung am Bildschirm. Man testet alle Eingänge und vergleicht das Protokoll mit der erwarteten Tabelle.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Logische Schaltungen

Kurz erklärt, 61 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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