PSPICE Gliederung

PSPICE
Einführung in die
Elektroniksimulation
Gliederung
1 Installation Studentenversion PSPICE 9.1
2 Zeichnen von Schaltplänen
3 Gleichstrom-Simulation
4 Die Transienten-Analyse (PSPICE als Oszilloskop)
5 Der AC-Sweep (Frequenzgänge)
6 Einstieg in die Digital-Simulation
Literatur: R. Heinemann: PSpice, Einführung in die Elektroniksimulation, Carl Hanser
Verlag München Wien, 2004.
57
2
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Zeichnen von Schaltplänen
Schematics aus dem Menü PSpice Student anklicken, es öffnet sich das Arbeitsfeld des
Schaltplan-Editors.
Speichern unter Ueb, ohne .sch, das automatisch ergänzt wird.
Mittels Draw in der oberen Menüleiste und Get New Part öffnet sich der Part Browser
Basic. Durch Anklicken der Schaltfläche Libraries gelangt man zu den Bibliotheken der
Bauelemente Library. Für die erste Schaltung wird die Bibliothek ANALOG.SLB
ausgewählt. Sie bietet die elementaren Bauelemente Widerstand R, Kapazität C und
Induktivität L.
Um z.B. einen Widerstand auf das Arbeitsfeld zu bringen, R einfärben und mit OK zum
Part-Browser zurückkehren. Nach Schließen durch Close erscheint das Schaltzeichen auf
der Arbeitsfläche und lässt sich beliebig verschieben. Ein Markieren von R (linke
Maustaste, rote Färbung) platziert das Bauelement und erlaubt Löschen mit Entf. Eine
Vervielfältigung durch die linke Maustaste wird durch die rechte beendet.
Drehung von Bauelementen durch Tasten <Strg><r>.
Bei Widerständen, Kondensatoren und Spulen hat der linke bzw. der untere Anschluss
(gedreht) die 1 als Bezeichnung, der andere Pin die Bezeichnung 2.
Zum Zeichnen der Verbindungslinien im Menü Draw das Wire (Draht) aktivieren. Mit
dem Bleistift geht man auf den Anschluss (Klick linke Maustaste) und führt die Linie zum
nächsten Bauelement (eine Ecke ist möglich), mit Klicken ist die Verbindung hergestellt.
Bei mehreren Ecken ist jeweils ein Klick erforderlich.
Das Symbol für die Masse findet man unter dem Namen AGND (Analog Ground) in der
Bibliothek PORT.SLB. Sie ist unbedingt erforderlich, da die Spannungen an den Knoten
gegen Masse gemessen werden.
Eine Gleichspannungsquelle VDC findet man in der Bibliothek Source.slb. Einstellen der
Gleichspannung DC=10V nach Doppelklick auf das Schaltzeichen.
Durch Doppelklick auf Namen und Wert der Bauelemente lassen sich Modifikationen
vornehmen.
Die Norm verlangt, dass Bauteilnamen und –werte links oder oberhalb der Schaltzeichen
stehen.
Löschspuren bei Schematics beseitigt man mit der Auffrischungsfunktion View/Redraw.
58
3
Gleichstrom-Simulation
Es werden die stationären Strom- Spannungsverhältnisse in dem Schaltkreis bestimmt (keine
Zeitabhängigkeit). Spannungen an den Knoten gegen Masse heißen Potenziale, die Spannung
über einem Bauelement ergibt sich als Differenz der Potenziale der beiden Anschlüsse.
Potenziale und Strom der Reihenschaltung Ueb.sch:
•
Menü Analysis öffnen und Simulation durch Simulate starten. Es öffnet sich das ProbeFenster, das gleich wieder geschlossen werden kann.
Zur Anforderung der Ergebnisse (falls nicht angezeigt) im Menü Analysis das Display
Results on Schematic wählen und darin die Optionen Enable, Enable Voltage und Enable
Current markieren (quittiert durch Haken).
Die Anzeige kann übersichtlicher werden, wenn man unerwünschte Angaben löscht,
indem diese Angaben markiert und mit der Taste <Entf> gelöscht werden. Es wird auch
die Stromrichtung angezeigt.
•
•
Das Output-File
•
Starten der Simulation durch Simulate im Menü Analysis bzw. durch Anklicken der
Schaltfläche Simulate.
• Aus dem Probe-Fenster (probe – untersuchen) öffnen des Output-Files mittels View und
Output-File.
In der Schematics Netlist jedes Bauelement mit Angaben:
•
•
Typ des Bauelements (z.B. V für Spannungsquellen),
Name des Bauteils auf dem Schaltplan (z.B. RL),
Namen der Knoten, an die es angeschlossen ist,
Dimension des Bauteils (z.B. k – kΩ, u – μF).
Der Masse-Knoten heißt immer 0, die übrigen Knotennamen in der Reihenfolge der
Platzierung. Die Numerierung beginnt bei $N_0001.
In der Schaltung Ueb.sch ist $N_0001 der linke Knoten von Rv, $N_0002 sein rechter
Knoten.
59
•
Unter Schematics Aliases gibt es eine Alias-Liste der Reihenschaltung, z.B. erhalten die
mit Rv verbundenen Knoten ($N_0001 und $N_0002) zwei neue Namen, die Alias-Namen
Rv:1 und Rv:2.
• PSpice bietet Alias-Namen der Knotennamen für die Nutzung im Probe-Fenster.
- Spannung zwischen Knoten $N_0001 und Masse:
V($N_0001)
V(U1:+)
V(Rv:1)
• Spannung zwischen Knoten $N_0002 und Masse:
V($N_0002)
V(Rv:2)
V(RL:2).
4
Transienten-Analyse
Zeitabhängige elektrische Vorgänge werden mit der Transienten-Analyse untersucht. Sie ist
Simulation im üblichen Sinne als dynamischer Prozess. Untersuchungsgegenstand ist die
Schaltung RC-Schalt.sch. Der Kondensator wird zunächst über R1 aufgeladen und nach dem
Umschalten wieder entladen.
Neu ist hier der Umschalter Sw_perChange aus der Bibliothek MISC.SLB mit folgenden
Parametern (Doppelklick):
Nach Ablauf von t_D=5ms zum ersten mal Umschalten von 1 nach 2. Anschließend würde
der Schalter t_2=5gs (160 Jahre) in der Lage 2 bleiben und wechselt danach wieder zu 1. Die
Umschaltzeit beträgt hier t_switch=1us, d.h. 1μs.
•
•
•
•
•
Der Kondensator soll anfangs ungeladen sein, d.h. das Attribut IC=0 ist zu setzen.
Zur Vorbereitung der Simulation das Fenster Analysis Setup öffnen und die Schaltfläche
Transient anklicken.
In das Menü die Final Time: 10ms und das Step Ceiling: 1us als maximale Schrittweite
eintragen (ceiling – obere Grenze). Abschließend Fenster Transient mit OK schließen und
danach das Fenster Analysis Setup mit Close.
Starten der Simulation durch die Schaltfläche Simulate, es öffnet sich das Probe-Fenster.
Es soll uc(t) dargestellt werden.
Im Menü Trace das Untermenü Add Trace öffnen und die Option Subcircuits ausschalten.
Von den Spannungen V(C1:2) am oberen Pin des Kondensators auswählen. Es erscheint
die gewählte Zeitfunktion zwischen 0V und +1V.
60
•
Eine zweite y-Achse fügt man ein, indem im Menü Plot das Add Y Axis aktiviert wird. Die
gerade aktive y-Achse ist mit dem Zeichen >> markiert. Wechsel durch Anklicken der
nicht-aktiven y-Achse. Der Strom I(R1) soll zusätzlich angezeigt werden.
Anhand der RC-Reihenschaltung soll gezeigt werden, wie die Spannung über einem
Bauelement dargestellt werden kann. Als Spannungsquelle jetzt ein Sinus-Generator. File:
RC_Sin.sch
• Im Attributfenster folgende Einstellungen vornehmen:
FREQU=1kHz (Frequenz), VAMPL=1V (Amplitude),VOFF=0 (Offsetspannung). DF, TD
und PHASE können auf den voreingestellten Werten bleiben, die Attribute DC und AC
61
haben für die Transienten-Analyse keine Bedeutung und können leer bleiben. Die Werte
der Attribute VAMPL und FREQU sollen im Schaltplan sichtbar sein.
•
Nach Analysis /Setup das Fenster Transient öffnen und als Final Time: 4ms eintragen, für
Step Ceiling: 4u (d.h. 4μs).
•
Anstatt der Potenziale an den Klemmen von R1 lässt sich die Spannung über dem
Widerstand als Differenz der Knotenpotenziale V(R1:1)-V(R1:2) darstellen.
Durch Doppelklick auf Leitungsabschnitte lassen sich den Potentialen dort weitere AliasNamen zuordnen. Hier werden die Namen in und out zusätzlich verwendet. Sie erscheinen
anstelle von V($N_0001) und V($N_0002) in der Liste Add Trace.
•
62
•
PSpice zählt Ströme positiv, wenn sie von Pin 1 zu Pin 2 fließen. Das ist zu beachten,
wenn man Strom und Spannung über dem Kondensator betrachtet. Das wäre hier der
Strom von unten nach oben - wegen der Rotation um 90 Grad im mathematisch positiven
Sinne, angezeigt werden soll aber der Strom von oben nach unten –I(C1).
Strom- und Spannungsverlauf über dem Kondensator
•
Wegen i = C du/dt für den Kondensator und Sinusverlauf der Spannung u = um sin ωt hat
der Strom i = Cumω cos ωt eine Phasenverschiebung von –π/2 gegenüber seiner
Spannung.
63
5
Der AC-Sweep (Frequenzgänge)
Die AC-Analyse (Alternating Current, Wechselstrom) setzt voraus, dass die zu untersuchende
Schaltung linear ist. Alle RLC-Schaltungen sind linear, nichtlineare Kennlinien werden
automatisch um den Arbeitspunkt durch Tangenten ersetzt. Der AC-Sweep verwendet
sinusförmige Quellen mit einer Reihe von diskreten Frequenzen zur Bestimmung von
Amplituden- und Phasengängen. In der AC-Analyse werden alle Gleichspannungsquelle
durch Kurzschlüsse, alle Gleichstromquellen durch unendlich große Widerstände ersetzt.
Beispiel ist die RC-Schaltung RC_AC2.sch mit Sinus-Quelle VSIN aus der Bibliothek
SOURCE.SLB:
•
•
Öffnen des Fensters Analysis/Setup und danach der Schaltfläche AC Sweep... Im Fenster
AC Sweep and Noise Analysis den Frequenzbereich von 10 Hz bis 999 kHz (Werte 10
und 999k) mit insgesamt 10000 Punkten und linearer Frequenzfolge wählen.
Nach der Simulation V(C1:2) in Probe darstellen. Zur Darstellung des Amplitudengangs
im Menü Plot die Option Axis Settings... aufrufen, dann X Axis und unter Scale die Option
Log für eine logarithmisch skalierte Frequenzachse.
Einfach logarithmische Darstellung des Amplitudengangs
64
Doppelt logarithmische Darstellung des Amplitudengangs
•
•
•
Durch Betätigen der Schaltfläche mit der stilisierten logarithmischen x-Achse Wechsel
zwischen linear und logarithmisch. Doppelt logarithmische Darstellung durch Schaltfläche
mit stilisierter logarithmischer y-Achse.
Eine logarithmische Verteilung der Datenpunkte kann erforderlich sein. Beispiel: RCSchaltung mit R = 1000 Ω. Der erste Datenpunkt ist bei 10 Hz, der nächste erst hinter 100
Hz, so dass ein Knick in der einfach logarithmischen Darstellung entsteht, File:
RC_1000.sch Im Menü AC Sweep and Noise Analysis jetzt Decade markieren und als
Punkte pro Dekade Pts/Decade 100 wählen. Das wären bei den vorgesehenen 5 Dekaden
500 Punkte und ein glatter Verlauf. File: RC_1000a.sch
Diagramme aus verschiedenen Simulationen lassen sich gemeinsam darstellen.
Ausgangsgrafik ist der Verlauf von RC_AC2.SCH (halblogarithmisch). Hierzu im Menü
File des Probe-Fensters den Befehl Append aktivieren und das File RC_1000a.dat öffnen,
um den Amplitudengang mit dem Widerstand R1 = 1000 Ω hinzuzufügen.
Ergebnisse von RC_AC2.sch und RC_1000a.sch
65
6
Digital-Simulation - PSpice als statischer Logik-Analysator
•
Zeichnen Sie die folgende Schaltung mit den digitalen Bauelementen aus der Bibliothek
EVAL.SLB. Das Label out durch Doppelklick auf das Leitungsstück eintragen, Speichern
der Schaltung unter Digi1.sch.
Die Spannungen U1, U2 und U3 lassen sich wahlweise auf die TTL-Pegel L = 0 V oder L
=5 V setzen. Damit findet eine Logikanalyse statt.
Eine Transienten-Analyse mit Default-Setup aktivieren, indem im Fenster Analysis Setup
die kleine Fläche vor Transient einen Haken bekommt und Analysis Setup gleich wieder
verlassen wird. Die Simulation starten und Probe-Fenster schließen. In Schematics zur
Anzeige der Pegel die Schaltfläche V betätigen.
•
•
•
Gemischte Digital- Analogschaltung mit Treiberbaustein für eine Anzeigelampe
(Innenwiderstand R1 = 200 Ω) am Ausgang des X-OR-Glieds und logischen Signalquellen
Digi4a.sch.
•
Ohne Treiberbaustein 7405 würde die Spannung 2,075 V betragen, Spannungen zwischen
0,8 V und 2 V gelten in der TTL-Technik als unbestimmte Zustände. Außerdem besteht
die Forderung, einen TTL-Störabstand von 0,4 V einzuhalten. Danach wären am Ausgang
des X-OR-Gliedes mindestens 2,4 V erforderlich.
66
Dynamische Digital-Simulation: Zeitablaufdiagramme
Zwei hintereinander geschaltete Negatoren werden durch eine Impulsfolge VPULSE aus der
Bibliothek SOURCE.SLB aktiviert. Die Quelle liefert periodische 5 V-Impulse mit einer
Pulsweite PW = 0,5 ms und der Periodendauer PER = 1 ms. Übergänge in einer
Mikrosekunde (TR = TF = 1μs). File: Digi5.sch
•
Die Knoten werden mit ein, Mitte und aus gekennzeichnet, vor der Auswahl Subcircuit
Nodes und Currents entfernen.
An den Knoten, wo analoge und digitale Bauteile zusammen kommen, auch digitale Anzeige
ein$AtoD, Mitte und aus$DtoA.
Behandlung unbestimmter Schaltzeitpunkte
Anstiegszeit und abfallende Flanke dauern jetzt 0,2 ms. Dabei durchläuft das Eingangssignal
den digital unbestimmten Ambiguity-Bereich zwischen 0,8 V und 2 V. Hier zu einem
unbekannten Zeitpunkt der Zustandswechsel. File: Digi5a.sch
67
Im Probe-Fenster werden Ambiguity-Bereiche digital durch Parallelogramme, analog durch
konstante Spannung markiert.
Digital-Spannungquellen
Erzeugung eines 1-Bit-Stimulussignals mit der digitalen Stimulusquelle STIM1 aus der
Bibliothek SOURCES.SLB: Das Attributfenster lässt 16 Kommandos zu, z.B.
Command1=0ms 0 (0-Signal), Command2=0.5ms R (Ambiguity – Anstieg), Command3=1ms
1 (1-Signal), Command4=1.5ms 0, Command5=4ms Z (hochohmig), Command6=4.5ms 0,
Zeitintervall: 0 bis 5 ms, File: Digi6.sch
68
Besteht ein Stimulussignal aus der Aneinanderreihung gleichlanger Zeitabschnitte
(Timesteps) oder ganzzahliger Vielfacher davon, so kann dann die Anzahl der Timesteps
eingetragen werden, nach denen das betreffende Kommando erfolgen soll.
Erzeugung eines periodischen Taktsignals
Häufig werden periodische Taktsignale benötigt. Sie lassen sich mit dem Element DigClock
aus der Bibliothek SOURCE.SLB leicht erzeugen. File: DigiClock.sch
Attribute: ONTIME=1ms, OFFTIME=2ms, Zeitintervall: 0 bis 10 ms
69