FH Kaiserslautern: Einführung in die Simulation mit ORCAD 9

Transcription

Fachhochschule Kaiserslautern
Standort Zweibrücken
Studiengang Mikrosystemtechnik
Einführung in die Simulation
mit
ORCAD RELEASE 9
UR(t)
Uq
UC(t)
Version 2.0, Februar 2000
Professor Dipl.-Ing. Kurt Neumeier
Dipl.-Ing. Hubert Zitt
- ii 1 Vorwort
4
2 Einleitung
5
2.1
2.2
2.3
Allgemeines zu OrCAD Release 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Analysearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Gleichstrom-Arbeitspunkt-Analyse oder DC-Sweep . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Zeitanalyse oder Transient-Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Frequenzanalyse oder AC-Sweep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Simulationsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Ein einführendes Beispiel
3.1
3.2
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.1 Knoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.2 Bauteilbezeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.3 Schaltplaneingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Schaltplaneingabe mit Hilfe eines Texteditors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.1 Aufbau von CIR - Dateien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2.2 Schaltplan mit Texteditor eingeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.3 Berechnung von PSpice durchführen lassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.4 Simulationsergebnisse mit Probe grafisch darstellen . . . . . . . . . . . . . 13
4 Signalquellen
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
8
19
Urquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 Gleichspannungsquelle VDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 Gleichstromquelle IDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.3 Gleichspannungsquelle VSRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.4 Gleichstromquelle IRSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Sinusquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.1 Spannungsquelle mit sinusförmiger Ausgangsspannung VAC . . . . . . 20
4.2.2 Stromquelle mit sinusförmigen Ausgangsstrom IAC . . . . . . . . . . . . . 20
Pulsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.1 Spannungsquelle VPULSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3.2 Strompulsquelle IPULSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Gesteuerte Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquelle E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4.2 Spannungsgesteuerte Stromquelle G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4.3 Stromgesteuerte Spannungsquelle H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4.4 Stromgesteuerte Stromquelle F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Sonstige Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.5.1 Spannungs- und Stromquellen mit exponentiellem Spannungs- bzw.
- iii Stromverlauf VEXP / IEXP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.5.2 Spannungs- und Stromquellen mit stückweis linearem Verlauf VPWL /
IPWL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.5.3 Spannungs- und Stromquellen mit frequenzmoduliertem Ausgang
VSFFM / ISFFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.5.4 Spannungs- und Stromquellen mit ausklingendem sinusförmigen Verlauf
VSIN / ISIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Beispiel 1 - RC-Tiefpaß
5.1
5.2
5.3
Zeitverhalten beim Aufladevorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1.1 Zeitliche Verläufe der Spannungen und Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1.2 Energie- und Leistungsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Zeitverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2.1 Einschwingvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.2 Amplitude und Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3 Leistung (Mittelwertsfunktion AVG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.4 Effektivwert (Effektivwertfunktion RMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3.1 Amplituden und Phasengang (Funktionen dB und P) . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.2 Bode-Diagramm (zwei Plots, Abszissenvariable ändern) . . . . . . . . . . 43
5.3.3 Ortskurve (Funktion IMG und R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3.4 Komplexer Eingangswiderstand (Funktionen M und ABS) . . . . . . . . 45
6 Beispiel 2 - RLC-Reihenschwingkreis
6.1
6.2
6.3
27
47
Zeitverhalten beim Einschaltvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.1 Zeitliche Verläufe der Spannungen und Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.2 Kurvenschar der Spannungen (Parametric-Analysis) . . . . . . . . . . . . . 49
Zeitverhalten bei sinusförmiger Eingangsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Einführung in ORCAD RELEASE 9 für MS-WINDOWS
Fachhochschule Kaiserslautern, Standort Zweibrücken
1 Vorwort
Diese Kurzeinführung in das Simulationsprogramm ORCAD RELEASE 9 für WINDOWS soll
dem Benutzer einen groben Überblick über die Anwendungsmöglichkeiten und Bedienung des
Programms bieten. Der Neueinsteiger sollte mit dieser Einführung in der Lage sein, schon nach
sehr kurzer Einarbeitungszeit mit dem komplexen Programmpaket umgehen zu können. Aus
diesen Gründen wurde hier darauf verzichtet, alle Kommandos der einzelnen Software-Tools
vollständig zu beschreiben. Um tiefergehende Kentnisse über die Möglichkeiten von
ORCAD RELEASE 9 zu erlangen, wird an dieser Stelle auf die in englisch gehaltenen Benutzerhandbücher des Software-Herstellers verwiesen.
In diesem Skript wird u.a. anhand von verschiedenen Übungsbeispielen der prinzipielle Entwicklungsablauf von analogen Schaltungen beschrieben.
Zur besseren Orientierung sind im Skript wichtige Grundlagen, sowie häufig benutzte Befehle
und Shortcuts, fett dargestellt.
Für die Ausarbeitung dieses Skriptes bedanke wir uns bei Stephan Huppert.
Anregungen und Verbesserungsvorschläge bitte an Hubert Zitt ([email protected])
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2 Einleitung
2.1 Allgemeines zu ORCAD RELEASE 9
Das Softwarepaket ORCAD RELEASE 9 für WINDOWS geht aus seinem großen Vorfahr, dem
Netzwerkanalyseprogramm SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis )
hervor.
SPICE wurde 1972 an der University of California in Berkley, USA entwickelt. Seit dieser Zeit
wurde die Software immer weiterentwickelt. Die Firma MICROSIM entwickelte daraus die PCVersion
PSPICE.
Die
auf
dem
Markt
momentan
übliche
Benutzeroberfläche
MICROSOFT WINDOWS machte eine Anpassung von PSPICE unumgänglich. Es entstand das
DESIGN CENTER,
und
anschließend
das
DESIGN LAB 8.0.
Sein
Nachfolger
ist
ORCAD RELEASE 9.
Ab DESIGN CENTER VERSION 6.1 sind alle verfügbaren Tools vollständig unter WINDOWS integriert. Ab Version 6.1 wird ebenfalls die volle 32-Bit Datenbreite von WINDOWS genutzt. Dadurch ist ORCAD RELEASE 9 sowohl unter WINDOWS 3.1 als auch unter WINDOWS 95,
WINDOWS 98 und WINDOWS NT lauffähig.
Mit dem ORCAD RELEASE 9 ist neben rein analoger bzw. digitaler Schaltungssimulation, auch
die sogenannte Mixed Mode Schaltungssimulation möglich, die es erlaubt, Mischschaltungen
aus analoger und digitaler Technik zu simulieren.
ORCAD RELEASE 9 ist auf folgenden Plattformen lauffähig:
• IBM-PC WINDOWS 95/98 und WINDOWS NT ( wird an der Fachhochschule in
Zweibrücken eingesetzt )
• Sun-4 Sunview / Network
• HP9000 / 700 Network
ORCAD RELEASE 9 wird in Deutschland von folgenden Distributoren vertrieben:
Hoschar Systemelektronik GmbH
Albert Nestler Straße 7
D - 76131 Karlsruhe
Thomatronik
Brückenstraße 1
D - 83022 Rosenheim
Internet: http://www.hoschar.de
Internet: http://www.thomatronik.de
Distributor der Fachhochschule in Zweibrücken ist die Firma Hoschar Systemelektronik GmbH
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2.2 Analysearten
ORCAD RELEASE 9 bietet die Möglichkeit, mehrere Analysearten, wie z.B. Frequenzanalyse,
Zeitanalyse, Arbeitspunktanalyse, Rauschanalyse, Fourieranalyse, Worst-Case-Analyse und
noch einige mehr durchzuführen. Um den Rahmen dieser Kurzeinleitung nicht zu sprengen, sollen nur die wichtigsten beschrieben werden, nämlich:
• Gleichstrom-Arbeitspunkt-Analyse
• Zeitanalyse
• Frequenzanalyse
2.2.1 Gleichstrom-Arbeitspunkt-Analyse oder DC-Sweep
Mit dieser Simulationsmöglichkeit lassen sich u.a. Gleichspannungs- und Gleichstromquellen
simulieren. Auch ist der Einfluß von Temperatur- und/oder Spannungs- bzw. Stromschwankungen auf Bauteile simulierbar.
2.2.2 Zeitanalyse oder Transient-Analysis
Bei dieser Analyseart stehen nach der Berechnung alle Spannungen und Ströme als Funktion
der Zeit im vorher angegebenen Zeitintervall zur Verfügung. Als Option kann hier eine Fourieranalyse durchgeführt werden.
2.2.3 Frequenzanalyse oder AC-Sweep
Bei dieser Analyseart stehen nach der Berechnung alle Spannungen und Ströme als Funktion
der Frequenz im vorher angegebenen Bereich zur Verfügung. Im Rahmen der Frequenzanalyse
ist auch eine Rauschanalyse (Noise-Analysis) möglich. Der Simulator arbeitet dabei mit den
Kleinsignalparametern im Arbeitspunkt. Das Ergebnis enthält keine Information über etwaige
Amplitudenbegrenzungen, wie sie bei zu großer Eingangsamplitude bei meßtechnisch untersuchten Schaltungen vorkommen.
2.3 Simulationsablauf
Der Ablauf einer Simulation unter PSPICE gliedert sich in mehrere Schritte: Der erste Schritt besteht aus dem Erstellen einer Netzliste, die in einer Datei mit der Endung NET abgespeichert
wird. Die Netzliste kann von Hand mit Hilfe eines Texteditors erstellt werden, oder komfortabler mit einem grafischen Schaltplaneditor. Anschließend wird diese durch den eigentlichen Simulator PSPICE interpretiert und die gewünschten Berechnungen werden durchgeführt. Die
Ergebnisse werden von PSPICE in binärer Form in Dateien mit der Endung DAT abgespeichert,
bzw. in ASCII-Notation in Dateien mit der Endung OUT. Mit Hilfe des Postprozessors PROBE
können die Ergebnisse auf dem Bildschirm dargestellt und ausgewertet werden. Abbildung 2.1
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zeigt den Simulationsablauf in einer Grafik.
Schaltplaneingabe
und Eingabe der
Analysearten mit
Texteditor
Schaltplaneingabe
und Angabe der
Analysearten mit
ORCAD CAPTURE
Eingabe
Speichern als
Datei mit der
Endung CIR
Speichern als
Datei mit der
Endung SCH
Speichern
Manueller Start
von PSPICE aus
Betriebssystem
Laden der
CIR - Datei
Automatischer
Start von PSPICE aus
ORCAD CAPTURE
und automatisches
Generieren der
Netzliste in
NET-Datei
Simulation mit PSPICE
Ausgabe der Meßergebnisse in binärer
Form in DAT-Datei
Berechnung
vorbereiten
Berechnung
Ausgabe der Meßergebnisse in ASCII- Notation in OUT-Datei
Ausgabe
Automatischer Start
von PROBE aus PSPICE
+
Grafische Darstellung
der Meßkurven
Abbildung 2.1: Simulationsablauf
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3 Ein einführendes Beispiel
3.1 Allgemeines
Die Vorgehensweise bei der Simulation mit ORCAD PSPICE 9 soll anhand eines einfachen Widerstandsnetzwerkes veranschaulicht werden. Ziel ist es, dem Anwender die Möglichkeiten bei
der Schaltplaneingabe aufzuzeigen, die Syntax zur Beschreibung der elektronischen Bauteile
(Widerstand, Kondensator, Spule und Gleichspannungsquelle) anzugeben, sowie die Durchführung einer Gleichstromanalyse zu erklären
Abbildung 3.1: Übungsbeispiel Widerstandsnetzwerk
3.1.1 Knoten
Eine elektronische Schaltung besteht immer aus Bauteilen und Verbindungen die nach gewissen Regeln miteinander verknüpft sind. Die Verbindungspunkte, an denen zwei oder mehr Bauteile miteinander verbunden sind, bezeichnet man als Knoten. Diese Knotenpunkte im
Zusammenspiel mit dem Bauteilnamen und Bauteilwert werden benutzt um eine formelle Beschreibung der Schaltung zu erstellen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Schaltung auf einem
Digitalrechner zu simulieren. Die Schaltungsknoten werden üblicherweise mit positiven Zahlen
(einschließlich der Null) bezeichnet. Die Numerierung der Knoten ist mit einer einzigen Ausnahme frei wählbar. In PSPICE wird die Knotennummer Null immer als Bezugsknoten interpretiert, auf den alle Spannungen und Ströme bezogen werden. Daher bezeichnet man
diesen Knoten auch als Bezugsknoten. Eine komplette Beschreibung aller Knoten einer Schaltung nennt man Netzliste.
3.1.2 Bauteilbezeichnung
Jedes Bauteil in PSPICE wird durch einen eindeutigen reservierten Bezeichner identifiziert. Dieser Bezeichner kann durch weiteres Anhängen von Buchstaben oder Zahlen erweitert werden.
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Alle Bauteile besitzen eine festgelegte Anzahl an Knoten, die beschaltet werden müssen. Außerdem muß mindestens ein charakteristischer Bauteilwert angegeben werden, der wertmäßig
das Bauteil beschreibt. Eine Übersicht über die wichtigsten passiven Bauteile (Widerstand,
Kondensator, Spule) und die im Beispiel verwendete Gleichspannungsquelle, einschließlich ihrer Bezeichner und Einheiten, ist in Tabelle 3.1 gegeben.
Bauteil
PSpice-Name
Einheit
Ohmscher Widerstand
R
Ohm
Kondensator
C
Farad
Spule
L
Henry
Gleichspannungsquelle
VDC
Volt
Tabelle 3.1: PSPICE-Namen der Standardbauelemente
Um große bzw. kleine Zahlenwerte besser eingeben zu können, besteht die Möglichkeit, diese
durch reservierte Buchstaben abzukürzen, denen jeweils eine Zehnerpotenz zugeordnet ist. In
Tabelle 3.2 ist diese Zuordnung aufgelistet. Mit Ausnahme von Mega und Mikro entspricht
der PSPICE-Bezeichner dem ersten Buchstaben der Größenordnung.
Größenordnung
PSpice-Name
Zehnerpotenz
Tera
T
E12
Giga
G
E9
Mega
MEG
E6
Kilo
K
E3
Milli
M
E-3
Mikro
U
E-6
Nano
N
E-9
Piko
P
E-12
Femto
F
E-15
Tabelle 3.2: Abkürzungen für Größenordnungsangaben
3.1.3 Schaltplaneingabe
Die Schaltplaneingabe kann auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen. Die erste Eingabeart ist
das direkte Erstellen der Netzliste "von Hand" mit Hilfe eines Texteditors. Die grafische Schaltplaneingabe erfolgt mit dem Programm ORCAD CAPTURE 9. Mit diesem Programm wird der
Schaltplan am Bildschirm mit Hilfe von vorgebenen Bauteilen gezeichnet. Anschließend geneSeite 9
riert ORCAD RELEASE 9 daraus automatisch die Netzliste.
Nachfolgend werden am oben genannten Übungsbeispiel beide Arten der Schaltplaneingabe,
sowie die Simulation und die Darstellung der Simulationsergebnisse erklärt.
3.2 Schaltplaneingabe mit Hilfe eines Texteditors
Zur Simulation einer Schaltung benötigt man nicht notwendigerweise einen grafischen Schaltplaneditor zur Eingabe des Schaltplans, sondern es genügt ein einfacher Texteditor der in der
Lage ist, den Text in ASCII-Form, d.h. ohne zusätzliche Steuerzeichen, abzuspeichern. Mit diesem ist es möglich, die Schaltung nach festgelegten Regeln zu beschreiben. Die grundlegende
Vorgehensweise bei der Erstellung solch einer Textdatei wird anhand des oben genannten Beispiels eines Widerstandsnetzwerkes gezeigt.
Der Name, unter dem die Datei abgespeichert wird, ist frei wählbar und sollte, da er eine Beschreibung einer elektronischen Schaltung enthält, mit der Endung CIR (Abkürzung von circuit) abgespeichert werden.
3.2.1 Aufbau von CIR - Dateien
Der schematische Aufbau einer CIR-Datei zeigt Abbildung 3.2. Beim Erstellen einer solchen
Datei sind folgende Punkte unbedingt zu beachten:
• PSPICE unterscheidet nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung
• die erste Zeile enthält immer einen Kommentar (meistens Schaltungsnamen)
• die letzte Anweisung muß die ".END" - Anweisung sein
• es dürfen zur Schaltungsbeschreibung keine Umlaute verwendet werden
• die Zeichen "*" und ";" sind reservierte Zeichen und dürfen nicht in Bauteilnamen verwendet werden
• Steueranweisungen beginnen mit einem Punkt
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Überschrift
Schaltungsbeschreibung
Modelle
Steuerbefehle
„.END“ - Anweisung
Abbildung 3.2: Schematischer Aufbau einer CIR-Datei
Die erste Zeile interpretiert PSPICE immer als Kommentar und ignoriert deren Inhalt. Sie enthält
meistens den Schaltungsnamen bzw. eine Kurzbeschreibung der Schaltungsfunktion. Im Gegensatz zum normalen Kommentar kann in der ersten Zeile auf die Eingabe eines einleitenden
Kommentarzeichens verzichtet werden. In nachfolgenden Zeilen muß ein Kommentar, der
in der ersten Spalte beginnt, entweder mit einem der Zeichen "*" oder ";" eingeleitet werden. Zu beachten ist, daß nach einer Befehlsanweisung ein Kommentar nur durch das ";"
- Zeichen eingeleitet werden darf.
Bei der Schaltungsbeschreibung darf pro Zeile nur ein Bauteil einschließlich Angaben
über Knoten und Bauteilwert stehen. Namen, Knotennummer und Bauteilwert werden
durch eine oder mehrere Leerzeichen bzw. Tabulatorzeichen voneinander getrennt. Sollte
eine Eingabezeile über eine Bildschirmzeile hinausgehen, so ist sie in der nächsten Zeile mit einem "+" Zeichen weiterzuführen.
Der Bauteilnamen beginnt immer mit dem PSPICE-spezifischen Bauteilbezeichner, der durch
anfügen von Zahlen oder Buchstaben ergänzt werden kann. Bei der Angabe der Knotennummern muß immer die für das aktuelle Bauteil gültige Modellbeschreibung beachtet werden, da ein Vertauschen der Knoten eine Vorzeichenumkehr in der Strom- bzw.
Spannungsrichtung bewirkt, was unter Umständen zu einem Nichtfunktionieren in der Schaltung führen kann. Die Angabe des Bauteilwertes erfolgt in amerikanischer Notation, d.h.
als Dezimaltrennzeichen wird ein Punkt verwendet.
Im Anschluß an die Schaltungsbeschreibung folgen Angaben über die durchzuführenden Analysen. In diesem Beispiel wird nur die DC-Analyse durchgeführt. Im Vergleich zu den Bauteil-
Seite 11
anweisungen wird jede Analyseanweisung durch einen vorangestellten Punkt eingeleitet.
Den Abschluß einer CIR-Datei bildet die Anweisung ".END". Alle nachfolgenden Befehlsbzw. Steueranweisungen werden von PSPICE ignoriert.
3.2.2 Schaltplan mit Texteditor eingeben
Vor der Eingabe sollten im Schaltplan alle Knoten durchlaufend numeriert werden. Als Bezugspunkt der Schaltung wird der Masse-Anschluß der Spannungsquelle gewählt. Dieser Knoten erhält somit die Knotennummer 0. Abbildung 3.1 zeigt die vollständig durchnumerierte
Schaltung.
Die Eingabe erfolgt mit dem Editor NOTEPAD, der zum Zubehör von WINDOWS gehört. Zum
Starten des Editors wird aus dem Menü START / PROGRAMME / ZUBEHÖR der Eintrag EDITOR
ausgewählt.
In das leere Eingabefenster wird die nachfolgende Netzliste eingegeben:
Widerstandsnetzwerk
* Dateiname
: rnetz.cir
* Autor
: Huppert Stephan, MST 6
* Datum
: 98/03/16
* Letzte Aenderung : 98/03/19
* Schaltungsbeschreibung
R_R1 1 2 12 ; Widerstand R1
V_V1 1 0 DC 10 ; Spg.quelle
mit 12 Ohm
mit 22 Ohm
mit 33 Ohm
V1 12 Volt
(Knoten
(Knoten
(Knoten
(Knoten
1
2
2
1
->
->
->
->
2)
0)
0)
0)
* Analysearten
* Lineare Gleichspg.analyse, V1 variiert von 0.5V bis 20V
* Schrittweite 0.5V
.DC LIN V_V1 0.5V 20V 0.5V
.PROBE ; Messwerte in DAT-File ablegen
.END
Bevor diese Netzliste PSPICE zugeführt werden kann, muß sie unter einem Namen, z.B.
rnetz.cir, auf der Festplatte abgespeichert werden. Hierzu wählt man aus dem FILE-Menü im
NOTEPAD-Fenster den Menüpunkt SPEICHERN UNTER aus und trägt im Eingabefeld Dateiname
rnetz.cir ein. Aus dem Eingabefeld Dateityp wählt man den Eintrag ALLE DATEIEN (*.*) aus.
Durch Betätigen der RETURN-Taste bzw. Linksklick auf den Button SPEICHERN wird die Datei
auf die Festplatte geschrieben.
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3.2.3 Berechnung von PSPICE durchführen lassen
Die eigentliche Berechnung der Schaltung erfolgt mit dem Programm PSPICE. Um den Simulator zu starten wählt man aus dem START-Menü des Betriebssystems den Menüpunkt
PROGRAMME / ORCAD RELEASE 9 / PSPICE.
Abbildung 3.3: Startbildschirm von PSPICE
Zuerst muß die abgespeicherte Netzliste rnetz.cir von der Festplatte in PSPICE eingelesen werden. Hierzu wählt man aus dem Menü FILE den Menüpunkt OPEN aus und trägt in dem Eingabefeld Dateiname den Namen rnetz.cir ein. Durch Auswahl der Schaltfläche RUN in der
Symbolleiste bzw. durch Auswahl des gleichnamigen Menüpunktes aus dem Menü
SIMULATION / RUN beginnt der Simulationslauf. Zuerst findet eine Überprüfung der Netzliste
auf Syntaxfehler statt. Die Ergebnisse speichert PSPICE in binärer Form in einer Datei mit dem
gleichen Namen wie das CIR-File, jedoch hat diese Datei die Endung DAT. In einer weiteren
Datei mit der Endung OUT protokolliert PSPICE Datum, Uhrzeit, Dauer, Art der Berechnung
und auf Wunsch werden die Simulationsergebnisse in lesbarer ASCII-Notation ausgegeben.
Die grafische Darstellung der Meßergebnisse erfolgt mit einem weiteren Programm, dem Postprozessor PROBE. Nach erfolgreicher Berechnung wird PROBE automatisch gestartet. Man kann
PROBE auch direkt aus PSPICE heraus durch Anwahl des Menüpunktes FILE / RUN PROBE starten.
3.2.4 Simulationsergebnisse mit PROBE grafisch darstellen
PROBE ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Visualisierung der Meßergebnisse. Neben der grafischen Darstellung der Ergebnisse können diese auch mit den Grundrechenarten (z.B. Leistung
an einem Bauteil U*I) bzw. höheren mathematischen Funktionen weiterverarbeitet werden.
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Tabelle Seite 14 zeigt eine Auflistung der mathematischen Funktionen und die zugehörigen
PROBE Befehle.
Funktion
Beschreibung
ABS(x)
Betrag
SGN(x)
Signumfunktion
SQRT(x)
Quadratwurzel
EXP(x)
e-Funktion
LOG(x)
Logarithmus zur Basis e
LOG10(x)
Logarithmus zur Basis 10
M(x)
Magnitude (Größe)
P(x)
Phase in Grad
R(x)
Realteil einer komplexen Größe
IMG(x)
Imaginärteil einer komplexen Größe
G(x)
Gruppenlaufzeit in Sekunden
PWR(x,y)
Betrag von x hoch y
SIN(x)
Sinus von x im Bogenmaß
COS(x)
Cosinus von x im Bogenmaß
TAN(x)
Tangens von x im Bogenmaß
ATAN(x)
Cotangens von x im Bogenmaß
D(x)
Ableitung von x nach der Abszissenvariablen
S(x)
Integral von x über dem Bereich der Abszissenvariablen
AVG(x)
AVG(x,d)
Mittelwert von x über dem Bereich der Abszissenvariablen
Mittelwert (von x-d bis x) über dem Bereich der Abszissenvariablen
RMS(x)
Effektivwert (Root - Mean - Square) von x
DB(x)
Betrag in dB (dezibel)
MIN(x)
Minimalwert von x
MAX(x)
Maximalwert von x
ARCTAN(x)
Arcustangens von x im Bogenmaß
Tabelle 3.3: Arithmetische Funktionen in Probe
Nach dem Start von PROBE muß noch die Datei mit den Meßwerten des letzten Simulationslaufs
in den Speicher geladen werden. Hierzu wählt man aus dem Menü FILE den Menüpunkt OPEN,
Seite 14
und wählt aus dem erscheinenden Dialogfenster die entsprechende Datei aus.
Abbildung 3.4: Meßwertdatei in Probe laden
Darstellung von Meßkurven
Durch Auswahl des Icons ADD TRACE in der Iconleiste bzw. durch Auswahl des gleichnamigen
Menüpunktes aus dem Menü TRACE / ADD TRACE, öffnet sich ein Dialogfenster, in dem PROBE
alle Ströme und Spannungen der Schaltung auflistet. Durch Anklicken von einem oder mehreren Einträgen werden diese in das Eingabefeld TRACE EXPRESSION übernommen. Durch Anklicken des OK-Buttons wird das Dialogfenster geschlossen und die ausgewählten
Meßwertkurven werden im Plotfenster angezeigt.
Um im oben genannten Beispiel die Teilströme durch die einzelnen Widerstände darzustellen,
wird wie folgt vorgegangen:
• ADD TRACE-Icon anklicken bzw. TRACE / ADD TRACE anwählen
• In Auswahlliste I(R_R1), I(R_R2), I(R_R3) anklicken
• OK-Button anklicken
PROBE-Notation für die Messung von Spannungswerten bzw. Stromwerten
Spannungsmessung
PROBE-Notation
Beispiel
Spannung an einem Bauteil
(Zweipol)
V ( Name des Zweipol )
V( R1 )
Spannung an einem Knoten gegen
Masse
V ( Knotennummer ) oder
V ( Knotennummer , 0 )
V(2)
V ( 2,0 )
Spannung zwischen zwei Knoten
V ( Knotennummer1 , Knotennummer2 )
V ( 1,2 )
Tabelle 3.4: PROBE-Notation für Spannungsmessung
Seite 15
Bei der Angabe von zwei Knotennummern ist zu beachten, daß PROBE die erste Knotennummer als den positiven Anschluß und die zweite Knotennummer als den negativen Anschluß interpretiert, was bei einer Vertauschung zu negativen Ergebnissen führt.
Strommessung
Probe-Notation
Strom durch ein Bauteil (Zweipol)
I ( Name des Zweipol )
Beispiel
I ( R1 )
Tabelle 3.5: PROBE-Notation für Strommessung
Rechenoperationen mit PROBE durchführen
Um Rechnungen mit PROBE durchzuführen wird im Dialogfenster ADD TRACE im Texteingabefeld TRACE EXPRESSION die gewünschte Formel eingegeben. PROBE versteht die in
Tabelle 3.3 aufgeführten arithmetischen Operationen.
Formeln können auf zwei Arten erstellt werden:
1. Auswahl der Operanden und Operatoren durch Mausklick aus der Auswahlliste
FUNCTIONS OR MACROS im Fenster ADD TRACE
2. Eingabe „von Hand“ im Textfeld TRACE EXPRESSION
Um z.B. die Summe der Teilströme durch R2 und R3 zu berechnen, gibt man folgendes im Textfeld ein:
I(R2) + I(R3)
Cursorfunktionen
PROBE bietet zur genaueren Auswertung der Kurven die Möglichkeit maximal zwei Cursor (Fadenkreuze) einzublenden. Die Cursor werden dabei automatisch an die ausgewählte Kurve angeheftet, d.h. es ist nur möglich, Werte der entsprechenden Kurve zu ermitteln. Die
Cursorfunktion wird entweder durch Anklicken des Cursor-Icons oder durch Auswahl des Menüpunktes TRACE / CURSOR / DISPLAY (Shortcut: STRG SHIFT C) ein- bzw. ausgeblendet.
Die Kurve an die der Cursor angeheftet wird, wird durch Anklicken des Kurvensymbols
unterhalb des Plotfensters ausgewählt. Welcher der beiden Cursor angeheftet wird, wählt
man durch Anklicken mit der linken bzw. rechten Maustaste.
Seite 16
Hierbei gilt:
Linke Maustaste
Cursor 1
Rechte Maustaste
Cursor 2
Die zu den Cursor gehörenden Meßwerte werden in einem eigenen Fenster eingeblendet.
Abbildung 3.5 zeigt das Fenster mit den Meßwerten für die Ströme durch R2 und R3 bei einer
Eingangsspannung von 10 V.
Abbildung 3.5: Cursormesswerte
Mehrere Plotfenster
Möchte man jede Kurve in einem eigenen Plotfenster darstellen, z.B. bei einem Bodediagramm,
dann wird durch die Auswahl des Menüpunktes PLOT / ADD PLOT TO WINDOW ein weiteres
Plotfenster auf dem Bildschirm eingefügt. Beim Hinzufügen neuer Kennlinien ist jetzt zu beachten, daß diese in dem zur Zeit aktuellen Plotfenster, dargestellt werden. Welches Plotfenster aktuell ausgewählt ist, erkennt man an dem Wort SEL>> links neben dem Plotfenster.
Aktiviert wird das aktuelle Plotfenster durch Linksklick auf das Fenster. Das aktuelle Plotfenster kann durch den Menübefehl PLOT / DELETE PLOT wieder entfernt werden.
Seite 17
Operation
Menüpunkt
Plotfenster hinzufügen
PLOT / ADD PLOT TO WINDOW
Plotfenster löschen
PLOT / DELETE PLOT
Shortcut
Tabelle 3.6: Plotfenster hinzufügen bzw. löschen
Achsenskalierung ändern
Die Skalierung der Achse läßt sich, durch Anklicken des Icons LOG X AXIS bzw. LOG Y AXIS
zwischen linearer und logarithmischer Achseneinteilung umschalten. Bei einem Doppelklick
auf die X- bzw. Y-Achse öffnet sich ein Dialogfenster, indem die Achseneinteilung, sowie die
Achsenvariable geändert werden kann. Nachfolgend sind diese Fenster für die Abszisse und Ordinate dargestellt.
Abbildung 3.6: X- bzw. Y-Achsenskalierung ändern
Operation
Menüpunkt
Shortcut
X-Achse skalieren
PLOT / AXIS SETTINGS
Y-Achse skalieren
PLOT / AXIS SETTINGS
Y-Achse hinzufügen
PLOT / ADD Y AXIS
STRG Y
Y-Achse löschen
PLOT / DELETE Y AXIS
SHIFT CTRL Y
Tabelle 3.7: Achseneinstellung ändern
Seite 18
4 Signalquellen
ORCAD CAPTURE stellt in der Bibliothek source.olb verschiedene Quellen zur Verfügung. Diese
werden wie andere Bauteile (Widerstände, Kondensatoren usw.) mit dem Befehl PART aus dem
Menü DRAW (Shortcut: SHIFT-P) aufgerufen. Man unterscheidet:
4.1 Urquellen
Urquellen sind ideale Spannungs- bzw. Stromquellen mit beliebiger Spannung bzw. Strom und
Innenwiderstand null bzw. unendlich. Diese Quellen sind nicht für eine Zeitanalyse geeignet.
Einschaltvorgänge können damit also nicht dargestellt werden.
4.1.1 Gleichspannungsquelle VDC
Attribut
DC
Optional bei
obligatorisch
Bedeutung
Gleichspannungsanteil in Volt
4.1.2 Gleichstromquelle IDC
Attribut
DC
Optional bei
obligatorisch
Bedeutung
Gleichstromanteil in Ampere
4.1.3 Gleichspannungsquelle VSRC
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Tran
Gleichspannungsanteil
AC
DC/Tran
Wechselspannungsanteil
TRAN
AC/DC/Tran
Phase in Grad bei Wechselspannung
Anmerkung: Diese Quelle ist, wie bereits erwähnt, nicht für eine Zeitanalyse geeignet. Für die
AC-Analyse liefert die VSRC eine sinusförmige Spannung, deren Frequenz aber
nicht angegeben werden kann. Die Quelle eignet sich z.B. zur Analyse von ÜberSeite 19
tragungsgliedern, deren Verhalten in einem Bode-Diagramm dargestellt wird. Da
eine Zeitanalyse nicht möglich ist, kann der zeitliche Verlauf der Spannung nicht
angezeigt werden.
4.1.4 Gleichstromquelle IRSC
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Tran
AC
DC/Tran
Tran
AC/DC/Tran
Phase in Grad bei Wechselspannung
4.2 Sinusquellen
Sinusquellen sind ideale Quellen mit sinusförmiger Ausgangsspannung bzw. Strom, beliebiger
Phase und Innenwiderstand null bzw. unendlich.
4.2.1 Spannungsquelle mit sinusförmiger Ausgangsspannung VAC
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Tran
Gleichspannungsanteil in Volt (Offset)
ACMAG
DC/Tran
Wechselspannungsanteil in Volt
(Effektivwert)
ACPHASE
AC/DC/Tran
Phase der Wechselspannung in Grad
4.2.2 Stromquelle mit sinusförmigen Ausgangsstrom IAC
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Tran
Gleichstromanteil in Ampere (Offset)
AC
DC/Tran
Wechselstromanteil in Ampere (Effektivwert)
Seite 20
4.3 Pulsquellen
Mit Pulsquellen bezeichnet man Quellen mit einstellbarer Pulsform, wie z.B.Rechteck, Dreieck,
Sägezahn usw.
4.3.1 Spannungsquelle VPULSE
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Trat
AC
DC/Tran
V1
obligatorisch
Anfangsspannungswert in Volt
V2
obligatorisch
Spitzenspannungswert in Volt
TD
AC/DC/Tran
Verzögerungszeit beim Start
TR
AC/DC/Tran
Anstiegszeit
TF
AC/DC/Tran
Abfallzeit
PW
AC/DC/Tran
Pulsbreite
PER
AC/DC/Tran
Periodendauer
4.3.2 Strompulsquelle IPULSE
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
AC/DC/Tran
AC
DC/Tran
I1
obligatorisch
Anfangsstromwert in Ampere
I2
obligatorisch
Spitzenstromwert in Ampere
TD
AC/DC/Tran
TR
AC/DC/Tran
Anstiegszeit
TF
AC/DC/Tran
Abfallzeit
PW
AC/DC/Tran
Pulsbreite
PER
AC/DC/Tran
Periodendauer
Seite 21
U
V2
V1
TD
TR
PW
TF
t
PER
Abbildung 4.1: Parameter bei Pulsquellen
Beispiele für Sprungfunktionen
• Dirac-Stoß ( δ -Stoß)
Der Dirac-Stoß wird mit der Spannungspulsquelle VPULSE realisiert. Bei mehreren
Dirac-Stößen sollte die Periodendauer so lang gewählt werden, daß bei erneutem Auslösen eines Impulses das System sich wieder in Ruhe befindet; hier wurden 4s
gewählt. Folgende Einstellungen sollten vorgenommen werden:
V1 = 0, V2 = 1k, TD = 1, TR = 1n, TF = 1n, PW = 1m, PER = 4
• Einheitssprung ( σ -Funktion)
Der Einheitssprung wird ebenfalls mit einer Spannungspulsquelle realisiert. Folgende
Werte sollten eingestellt werden:
V1 = 0, V2 = 1, TD = 1, TR = 0.1n, TF = 0.1n, PW = 4, PER = 8
Seite 22
4.4 Gesteuerte Quellen
Unter gesteuerten Quellen versteht man ideale Quellen, deren Ausgangsgröße von einer Steuerspannung und einem Koeffizienten bzw. einem Steuerstrom und einem Koeffizienten abhängig sind. Folgende Varianten sind möglich:
4.4.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquelle E
Funktion
Ausgangsspannnung = Eingangsspannung * Steuerfaktor
Anschluß
Links: Steuergröße (Eingang)
Rechts: Ausgang
4.4.2 Spannungsgesteuerte Stromquelle G
Funktion
Ausgangsstrom = Steuerspannung * Steuerleitwert (in Siemens)
Anschluß
Rechts: Ausgang
4.4.3 Stromgesteuerte Spannungsquelle H
Funktion
Ausgangsspannung = Steuerstrom * Steuerwiderstand (in
Ohm)
Anschluß
Rechts: Ausgang
4.4.4 Stromgesteuerte Stromquelle F
Funktion
Ausgangsstrom = Steuerstrom * Steuerfaktor
Anschluß
Rechts: Ausgang
Seite 23
4.5 Sonstige Quellen
4.5.1 Spannungs- und Stromquellen mit exponentiellem Spannungs- bzw. Stromverlauf
VEXP / IEXP
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
DC/ACTran/
AC
DC/Tran
V1 / I1
obligatorisch
Anfangsspannung / Anfangsstrom
V2 / I2
obligatorisch
Spitzenspannung / Spitzstrom
TD1
DC/ACTran
TC1
DC/ACTran
Anstiegszeitkonstante
TD2
DC/ACTran
Abfallverzögerung
TC2
DC/ACTran
Abfallzeitkonstante
4.5.2 Spannungs- und Stromquellen mit stückweis linearem Verlauf VPWL / IPWL
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
obligatorisch
Zusätzliche Gleichspannungs- bzw.
Gleichstromquelle
AC
DC/Tran
Zusätzliche Wechselspannungs- bzw.
Wechselstromquelle
T1
obligatorisch
Zeitpunkt T1
V1 / I1
obligatorisch
Spannungs- bzw. Stromwert zum Zeitpunkt T1
T2
obligatorisch
Zeitpunkt T2
V2 / I2
obligatorisch
Spannungs- bzw. Stromwert zum Zeitpunkt T2
Tn
obligatorisch
Zeitpunkt Tn
Vn / In
obligatorisch
Spannungs- bzw. Stromwert zum Zeitpunkt Tn
Seite 24
U
V3
V2
V1
T4
V4
T1
T2
t
T3
Abbildung 4.2: Parameter bei Quellen mit stückweis linearem Verlauf
4.5.3 Spannungs- und Stromquellen mit frequenzmoduliertem Ausgang VSFFM / ISFFM
Die Ausgangsgröße kann mathematisch durch folgende Formel beschrieben werden:
V = V Off + V Ampl ⋅ sin ( 2 ⋅ π ⋅ FC ⋅ t + MOD ⋅ sin ( 2 ⋅ π ⋅ FM ⋅ t ) )
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
DC/AC/Tran
AC
DC/Tran
VOFF /
IOFF
obligatorisch
Gleichspannungs- / Gleichstromanteil
VAMPL /
IAMPL
obligatorisch
Spitzenspannungs- / Spitzenstrom
FC
obligatorisch
Trägerfrequenz
MOD
obligatorisch
Modulationsgrad
FM
obligatorisch
Modulationsfrequenz
Seite 25
4.5.4 Spannungs- und Stromquellen mit ausklingendem sinusförmigen Verlauf VSIN /
ISIN
Attribut
Optional bei
Bedeutung
DC
DC/AC/Tran
AC
DC/Tran
VOFF /
IOFF
obligatorisch
Gleichspannungs- / Gleichstromanteil
VAMPL /
IAMPL
obligatorisch
Spitzenspannungs- / Spitzenstromanteil
FREQ
obligatorisch
Frequenz
TD
DC/AC/Tran
Verzögerung beim Start
DF
DC/AC/Tran
Dämpfungsfaktor
PHASE
DC/AC/Tran
Phase
Seite 26
5 Beispiel 1 - RC-Tiefpaß
Im folgenden Beispiel soll ein RC-Tiefpaß erster Ordnung mit Hilfe von ORCAD RELEASE 9
untersucht werden. Abbildung 5.1 zeigt den Schaltplan mit Angabe der entsprechenden Bauteilewerte. Ziel ist es, den Verlauf der Kondensatorspannung uC(t), der Spannung am Widerstand
uR(t) und des Stromes i(t) darzustellen. Weiterhin soll die Zeitkonstante τ sowie das Zeit- und
Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung dargestellt werden. Gegebenenfalls
sind verschiedene typische Werte aus den Diagrammen abzulesen.
UR(t)
i(t)
UC(t)
Uq
Abbildung 5.1: RC-Tiefpaß mit Quelle VPULSE
Seite 27
5.1 Zeitverhalten beim Aufladevorgang
Die Simulation wird mit folgenden Bauteileparametern durchgeführt:
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
159 Ω
C
C
1 µF
VPULSE
DC
AC
V1
0V
V2
10 V
TD
0.1 ms
TR
0 ms
TF
0 ms
PW
10 ms
PER
20 ms
Tabelle 5.1: Bauteilwerte
5.1.1 Zeitliche Verläufe der Spannungen und Ströme
Um die zeitlichen Verläufe der Teilspannungen und des Stromes darstellen zu können, wird die
Analyseart TIME DOMAIN (TRANSIENT) ausgewählt und folgende Parameter eingestellt:
Simulationsart
Time Domain (Transient)
Attribut
Wert
Start saving data after
20 ns
Run to Time
1.5 ms
Maximum step size
1 µs
Tabelle 5.2: Simulationsart / Simulationsparameter
Zeitlicher Verlauf der Spannung uC(t)
Seite 28
Abbildung 5.2: Kondensatorspannung uC(t)
Zeitlicher Verlauf der Spannung uR(t)
Abbildung 5.3: Widerstandsspannung uR(t)
Zeitlicher Verlauf des Stromes i(t)
Seite 29
Abbildung 5.4: Stromverlauf i(t)
Bestimmung der Zeitkonstanten τ
Nach der Zeit 1 τ beträgt die Spannung am Kondensator ca. 63% des Endwertes. Die Zeitkonstante τ läßt sich mit den Cursorfunktionen von PROBE leicht ermitteln.
Im Beispiel entsprechen 63% einer Spannung uC(t) = 6,3V. Man sucht mit dem Cursor den Zeitpunkt, an dem die Kondensatorspannung 6,3V erreicht hat, und kann dann auf der Abszisse,
bzw. im Cursorfenster, den entsprechenden Zeitpunkt ablesen.
Da der Einschaltvorgang nicht zum Zeitpunkt t=0s gestartet wurde, sondern erst bei t=0.1ms,
muß die Differenz dieser Werte gebildet werden. Es ergibt sich eine Zeitkonstante von
τ = 0.159ms.
Seite 30
Abbildung 5.5: Bestimmung von τ
5.1.2 Energie- und Leistungsbetrachtungen
Leistung
Aus der Vorlesung ist bekannt, daß sich die Leistung als Produkt aus Spannung und Strom berechnet. In PROBE kann man solche Funktionen im Fenster ADD TRACE und MODIFY TRACE im
Textfeld TRACE EXPRESSION eingeben. Das Fenster MODIFY TRACE läßt sich durch ein
Doppelklick auf den Kurvennamen öffnen.
Seite 31
Abbildung 5.6: Leistungskurve
Energie
Der Betrag der im Kondensator gespeicherten Energie entspricht der Fläche unter der Leistungskurve. Um diesen Flächeninhalt darzustellen, muß das Integral über diese Funktion berechnet werden. In PROBE existiert hierzu die Integralfunktion S.
Syntax
Bedeutung
S( <math. Ausdruck> )
Flächeninhalt unter einer Kurve berechnen
Beispiel
S( V(2) * I(C1) )
Um den Wert für die gespeicherte Energie im Kondensator zu berechnen, gibt man folgenden
Ausdruck im Textfeld TRACE EXPRESSION ein.
S( V(2) * I(C1) )
Da PROBE numerisch integriert, und somit für jeden Zeitschritt einen Wert errechnet, erhält man
eine Kurvendarstellung des Integrals, aus welcher zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Wert des Integrals über die Cursorfunktionen ermittelt werden kann. Der Endwert der Kurve nähert sich
asymptotisch dem Wert, den man über nachfolgende Formel erhält.
1
1
2
2
W = --- ⋅ C ⋅ U = --- ⋅ 1µF ⋅ ( 10V ) = 50µWs
2
2
Seite 32
Abbildung 5.7: Energiekurve
5.2 Zeitverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung
Für diese Simulationsart wird die Quelle VDC durch eine VSIN ersetzt. Die Bauteileparameter
sind in Tabelle 5.1 dargestellt.
UR(t)
UC(t)
UQ(t)
Abbildung 5.8: RC-Tiefpaß mit Quelle VSIN für Zeitanalyse
Seite 33
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
159 Ω
C
C
1 µF
VSIN
DC
AC
VOFF
0V
VAMPL
10 V
FREQ
1000 Hz
TD
0
DF
0
PHASE
0
Tabelle 5.3: Bauteilewerte
Simulationsart
Attribut
Wert
20 ns
Run to time
5 ms
Maximum step size
10 µs
5.2.1 Einschwingvorgang
Sind in einer elektronischen Schaltung Energiespeicher (Kondensatoren oder Spulen) vorhanden, so kommt es bei Schaltvorgängen zu Einschwingvorgängen. Um diese zu kompensieren
bietet ORCAD PSPICE eine Möglichkeit die Energiespeicher mit Startwerten, sogenannten Initial Conditions (IC), zu belegen. Abbildung 5.9 zeigt den Einschwingvorgang des RC-Tiefpasses bei anfangs energielosem Kondensator.
Seite 34
Abbildung 5.9: Unkompensierter Einschwingvorgang
Um diesen Einschwingvorgang zu kompensieren wird zuerst der Spannungswert ermittelt, mit
dem man den Kondensator "vorladen" muß, damit es zu keinem Einschwingen kommt. Man ermittelt hierzu die Differenzspannung am Nulldurchgang der Quellenspannung zur Kondensatorspannung. Zu beachten ist, daß man eine Sinuswelle auswählt, bei der kein
Einschwingvorgang mehr vorhanden ist (z.B. letzte Sinuswelle). Als Ergebnis erhält man einen
Spannungswert von -5 V. Diesen Spannungswert trägt man in ORCAD CAPTURE bei den Bauteilewerten des Kondensators unter dem Attribut IC ein. Abbildung 5.10 zeigt den Spannungsverlauf ohne Einschwingvorgang.
Seite 35
Abbildung 5.10: Kompensierter Einschwingvorgang
5.2.2 Amplitude und Phase
Spannungsverläufe uq(t), uR(t), uC(t)
Abbildung 5.11: Spannungsverläufe uq(t), uR(t), uC(t)
Spannungsverlauf uC(t) und Stromverlauf iC(t)
Um in einem Diagramm unterschiedliche Größen darzustellen bietet PROBE die Möglichkeit für
jede Größe eine eigene Ordinate mit geeigneter Skalierung anzugeben. Man wählt hierzu im
Seite 36
Menü PLOT den Eintrag ADD Y-AXIS (Shortcut STRG - Y) aus. PROBE fügt automatisch die
neue Ordinate in das Diagramm ein und numeriert die Achsen. Welche Achse für welche Kurve
gültig ist, erkennt man an den Nummern vor den Kurvennamen (vgl. Abbildung 5.12).
Um die Achsenskalierung zu ändern, klickt man die entsprechende Achse doppelt an.
Daraufhin öffnet sich das Dialogfenster Y-AXIS SETTINGS, in dem die gewünschten Einstellungen vorgenommen werden können. Dies gilt analog auch für die Abszisse.
Fügt man eine neue Kurve ein, so hat für diese Kurve die Y-Achse Gültigkeit, welche durch das
Symbol >> gekennzeichnet ist. Durch Linksklick auf eine Y-Achse wird die jeweilige Ordinate
ausgewählt.
Abbildung 5.12: Spannungsverlauf uC(t) und Stromverlauf iC(t)
5.2.3 Leistung (Mittelwertsfunktion AVG)
Leistung am Kondensator
Um den arithmetischen Mittelwert einer Größe zu bestimmen bietet Probe die Funktion AVG
an. Mathematisch gesehen wird dabei folgendes Integral gelöst:
t+T
1
X = --T
∫
x ( t ) dt
t
Seite 37
Syntax
Bedeutung
Beispiel
AVG ( <math. Ausdruck> )
Arithmetischer Mittelwert berechnen
AVG( V(2) * I(C1) )
In Abbildung 5.13 ist der Verlauf der Blindleistung und der dazugehörige Verlauf des arithmetischen Mittelwertes dargestellt. Für die Leistung am Kondensator ergibt sich für t → ∞ ein
arithmetisches Mittel von Null (reine Blindleistung).
Abbildung 5.13: Blindleistung / Arithmetischer Mittelwert am Kondensator
Leistung am Widerstand
Für die Leistung am Widerstand ergibt das arithmetische Mittel für t → ∞ einen positiven Wert
(Wirkleistung).
Seite 38
Abbildung 5.14: Wirkleistung / Arithmetischer Mittelwert am Widerstand
5.2.4 Effektivwert (Effektivwertfunktion RMS)
Um den Effektivwert von Größen bestimmen zu können bietet PROBE die Funktion RMS (engl.
Root-Mean-Square) an. Mathematisch gesehen handelt es sich hierbei um die Lösung des folgenden Integrals:
t+T
X Eff =
--1T
∫
2
x ( t ) dt
t
Syntax
RMS( <math. Ausdruck> )
Bedeutung
Effektivwert berechnen
Seite 39
Beispiel
RMS( V1 )
Abbildung 5.15: Eingangsspannung / Effektivwert der Eingangsspannung
1
Wie zu erkennen ist, nähert sich die Kurve für den Effektivwert für t → ∞ dem Wert ------- des
2
Spitzenwertes.
5.3 Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung
Zur Untersuchung des Frequenzverhaltens wird die Simulationsart AC-SWEEP eingestellt (vgl.
Tabelle 5.3).
UR(t)
UQ(t)
UC(t)
Abbildung 5.16: RC-Tiefpaß mit Quelle VSIN für Frequenzanalyse
Seite 40
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
159 Ω
C
C
1 µF
VSIN
DC
AC
10 V
VOFF
0V
VAMPL
10 V
FREQ
1000 Hz
TD
0
DF
0
PHASE
0
Simulationsart
AC Sweep / Noise
Attribut
Wert
AC Sweep Type / Logarithmic
Decade
Pts./Decade
200
Start Freq.
10 Hz
End Freq.
100 kHz
5.3.1 Amplituden und Phasengang (Funktionen dB und P)
Hinweis: Die Werte für R1 und C1 sind so gewählt, daß die Eckfrequenz des Tiefpasses bei
fEck = 1kHz liegt.
Amplitudengang
Üblicherweise wird bei der Darstellung vom Amplitudengang die Ordinate in dB (dezibel) aufgetragen. Die Umrechnung erfolgt mit folgender Formel:
X dB = 20 ⋅ log x
Seite 41
PROBE führt bei Verwendung der Funktion DB diese Umrechnung automatisch durch.
Syntax
DB( <math. Ausdruck> )
Bedeutung
Größen in dezibel darstellen
Beispiel
DB( V(2) / V(1) )
Abbildung 5.17: Amplitudengang in dB / Eckfrequenz
Phasengang
Um den Verlauf der Phase darzustellen wird von PROBE die Funktion P bereitgestellt. Diese
Funktion berechnet den Phasenwert nach folgender Formel:
Im ( X )
ϕ = arc tan --------------Re ( X )
Syntax
P( <math. Ausdruck> )
Bedeutung
Phase berechnen und darstellen
Seite 42
Beispiel
P( V(2) / V(1) )
Abbildung 5.18: Phasengang / Eckfrequenz
5.3.2 Bode-Diagramm (zwei Plots, Abszissenvariable ändern)
Unter einem Bodediagramm versteht man die Darstellung von Amplitudengang und Phasengang in einem Diagramm, jedoch wird jede Kurve in einem eigenen Koordinatensystem gezeichnet. Üblicherweise wird der Amplitudengang oben und der Phasengang unten dargestellt.
Möchte man ein Bodediagramm mit PROBE realisieren, so trägt man zuerst den Phasengang auf
und wählt anschließend aus dem Menü den Punkt PLOT / ADD PLOT TO WINDOW aus. PROBE
fügt nun im oberen Teil des Bildschirms ein neues Plotfenster ein.
Ein neues Diagramm erscheint in dem aktuell ausgewählten Plotfenster. Man erkennt das aktuelle Plotfenster an der Markierung >> SEL links neben der Ordinate. Durch Linksklick in den
Plotbereich wechselt man das aktuelle Fenster. Die Cursorfunktionen stehen nur in dem zur Zeit
aktiven Plotfenster zur Verfügung.
Häufig findet man das Bodediagramm nicht über der Frequenz als unabhängige Variable aufgetragen, sondern über der Kreisfrequenz ω. In PROBE läßt sich die X-Achsenvariable durch
Doppelklick auf die Abszisse ändern. Es erscheint das Dialogfenster AXIS SETTINGS mit aktivierter Registerkarte X-AXIS. Durch Anklicken des Buttons AXIS VARIABLE erscheint ein weiteres Dialogfenster mit verschiedenen Auswahlmöglichkeiten für die unabhängige Variable. Im
Textfeld TRACE EXPRESSION sind auch mathematische Ausdrücke erlaubt.
Seite 43
Abbildung 5.19: Bodediagramm RC-Tiefpaß
Um z.B. statt der Frequenz f die Kreisfrequenz ω darzustellen, gibt man im Textfeld
TRACE EXPRESSION folgenden mathematischen Ausdruck ein:
2 * pi * Frequency
5.3.3 Ortskurve (Funktion IMG und R)
Bei der Ortskurvendarstellung werden der Real- und Imaginärteil getrennt auf den Achsen aufgetragen. Der Realteil trägt man über der X-Achse auf, und der Imaginärteil wird auf der YAchse aufgetragen.
Da ORCAD PSPICE die numerischen Berechnungen komplex durchführt, stehen der Realteil
und Imaginärteil getrennt zur Verfügung. Durch die Funktionen IMG (=Imaginärteil) und R
(=Realteil) kann PROBE auf diese Werte zugreifen.
Für die Darstellung der Ortskurve wählt man als unabhängige Variable den Realteil. Der Imaginärteil wird als abhängige Variable dargestellt.
Syntax
Bedeutung
Beispiel
IMG( <math. Ausdruck> )
Imaginärteil berechnen
IMG( V(2) / V(1) )
R( <math. Ausdruck> )
Realteil berechnen
R( V(2) / V(1) )
Seite 44
Zu beachten ist, daß die Ortskurve in einem linearen Diagramm dargestellt wird, d.h. die XAchse wie auch die Y-Achse müssen linear skaliert sein.
Abbildung 5.20: Ortskurve
5.3.4 Komplexer Eingangswiderstand (Funktionen M und ABS)
Der komplexe Widerstand Z berechnet sich als Quotient aus der komplexen Eingangsspannung
U q und dem komplexen Gesamtstrom I . Möchte man anstelle des komplexen Widerstandes
nur den Betrag darstellen, so bietet PROBE die Funktionen M bzw. ABS an. Diese berechnen
nach folgender Formel den Betrag der Größe und stellen ihn dar.
X =
2
( Re { X } ) + ( Im { X } )
Syntax
2
Bedeutung
Beispiel
M( <math. Ausdruck> )
Betrag berechnen
M( V(2) / V(1) )
ABS( <math. Ausdruck> )
Betrag berechnen
ABS( V(2) / V(1) )
Abbildung 5.21 zeigt den Imaginärteil, den Realteil und den Betrag des komplexen Eingangswiderstandes der Schaltung.
Seite 45
Abbildung 5.21: Komplexer Eingangswiderstand
Seite 46
6 Beispiel 2 - RLC-Reihenschwingkreis
Im zweiten Beispiel soll ein RLC-Reihenschwingkreis mit Hilfe von ORCAD CAPTURE untersucht werden. Abbildung 6.1 zeigt den Schaltplan mit Angabe der entsprechenden Bauteilewerten. Ziel ist es, die zeitlichen Verläufe der Spannungen und Ströme darzustellen. Weiterhin soll
eine Parameterschar der Kondensatorspannung dargestellt werden, mit dem Widerstandswert
R1 als Scharparameter. Außerdem soll das Zeit- und Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung simuliert werden.
UR
UQ
UL
UC
Abbildung 6.1: RLC-Reihenschwingkreis mit Quelle VPULSE
Seite 47
6.1 Zeitverhalten beim Einschaltvorgang
Die Simulation wird mit den in Tabelle 6.1 aufgelisteten Bauteilewerte durchgeführt.
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
10 Ω
C
C
12.5 µF
L
L
5 mH
VPULSE
DC
AC
V1
0V
V2
10 V
TD
1 ms
TR
0 ms
TF
0 ms
PW
10 ms
PER
20 ms
Tabelle 6.1: Bauteilwerte
6.1.1 Zeitliche Verläufe der Spannungen und Ströme
Um die zeitlichen Verläufe der Teilspannungen und des Stromes darstellen zu können, wird die
Analyseart TIME DOMAIN (TRANSIENT) ausgewählt und folgende Parameter eingestellt:
Simulationsart
Attribut
Wert
20 ns
Run to time
10 ms
Maximum step size
10 µs
Seite 48
Spannungsverlauf
Abbildung 6.2: Spannungsverlauf während des Einschaltvorganges
Stromverlauf
Abbildung 6.3: Stromverlauf während des Einschaltvorganges
6.1.2 Kurvenschar der Spannungen (Parametric-Analysis)
Mit Hilfe der Parametric-Analyse ist es möglich ein "variables Bauteil" einzufügen. Durch diese
Simulationsart läßt sich z.B. der Einfluß von Bauteiltoleranzen simulieren. Als Ergebnis erhält
man eine Kurvenschar mit dem gewählten Bauteilwert als Scharparameter.
Seite 49
In diesem Beispiel soll der Widerstandswert R im Bereich von 5Ω bis 50Ω in Schritten von 5Ω
variiert werden.
Zuerst wird in ORCAD CAPTURE der Bauteilwert von dem Widerstand R1 durch einen Variablenbezeichner ersetzt. Im Beispiel wird der Namen RVAR angegeben. Anschließend wird aus
der Bibliothek SPECIAL das "Bauelement" PARAM ausgewählt. In den Einstellungen hierzu fügt
man einen neuen Bauteilparameter durch anklicken des Buttons NEW hinzu. Im erscheinenden
Dialogfenster trägt man im Textfeld PROPERTY NAME den gewählten Variablennamen RVAR
ein.
Abbildung 6.4: Add New Property
Auf der Registerkarte PORTS im Fenster PROPERTY-EDITOR wird der neu erstellte Bauteilparameter aufgelistet. Diesem Parameter muß jetzt ein Default-Bauteilwert zugeordnet werden.
Abbildung 6.5 zeigt ein Param-Bauteil mit einem neu hinzugefügten Bauteilparameter RVAR
mit einem Defaultwert von 10Ω. Maximal können drei Parameter pro Param-Bauteil definiert
werden.
Abbildung 6.5: Property-Editor
In den Simulationseinstellungen muß nun noch der Punkt PARAMETRIC SWEEP ausgewählt werSeite 50
den. Abbildung 6.6 zeigt das zugehörige Dialogfenster mit den entsprechenden Eintragungen.
Abbildung 6.6: Simulationseinstellungen für Parameter-Analyse
Nach erfolgreicher Simulation wird automatisch PROBE gestartet. In einer Liste werden alle Ergebnisse für jeden Simulationsdurchlauf aufgelistet. Durch Anklicken lassen sich die gewünschten Simulationsergebnisse in PROBE übernehmen. Standardmäßig sind alle Einträge
markiert, und durch Linksklick auf den OK-Button übernimmt PROBE alle Ergebnisse.
Abbildung 6.7: Parameterergebnisse auswählen
Abbildung 6.8 zeigt den Spannungsverlauf am Kondensator bei Variation des Widerstandswertes R1 zwischen 5Ω und 50Ω in 5Ω Schritten.
Seite 51
Abbildung 6.8: Kondensatorspannung als Kurvenschar
6.2 Zeitverhalten bei sinusförmiger Eingangsgröße
Zur Untersuchung des zeitlichen Verhaltens bei sinusförmiger Eingangsspannung wird die
Pulsspannungsquelle durch die sinusförmige Spannungsquelle VSIN ersetzt (vgl. Tabelle 6.3).
UR
UL
UQ
UC
Abbildung 6.9: RLC-Reihenschwingkreis mit Quelle VSIN
Seite 52
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
10 Ω
C
C
12.5 µF
L
L
5 mH
VSIN
DC
AC
VOFF
0V
VAMPL
10 V
FREQ
1000 Hz
TD
DF
PHASE
Simulationsart
Attribut
Wert
20 ns
Run to time
10 ms
Maximum step size
10 µs
Zeitliche Verläufe von uR(t) uL(t), uC(t) und i(t)
In Abbildung 6.10 sind die Spannungsverläufe an den Bauelementen, sowie die Eingangsspannung dargestellt. Deutlich zu erkennen ist das Einschwingverhalten der Schaltung, sowie die
Phasenverschiebungen der einzelnen Teilspannungen.
Seite 53
Abbildung 6.10: Spannungs- und Stromverläufe bei sinusförmiger Anregung
Ausschnittsvergrößerung im eingeschwungenen Zustand
Abbildung 6.11: Ausschnittvergrößerung
Seite 54
6.3 Frequenzverhalten bei sinusförmiger Eingangsspannung
Die im Kapitel 6.2 gewählten Bauteilewerte können in diesem Abschnitt beibehalten werden.
Als Simulationsart wird die AC-Analyse gewählt. Die zugehörigen Simulationsparameter sind
in Tabelle 6.5 aufgeführt.
Bauteil
Attribut
Wert
R
R
10 Ω
C
C
12.5 µF
L
L
5 mH
VSIN
DC
AC
10 V
VOFF
0V
VAMPL
10 V
FREQ
1000 Hz
TD
DF
PHASE
Simulationsart
AC
Attribut
Wert
AC Sweep Type
Decade
Points./Decade
101
Start Frequency
10 Hz
End Frequency
10 kHz
Seite 55
RLC-Glied als Tiefpaß
Abbildung 6.12: Bodediagramm - RLC-Glied als Tiefpaß
RLC-Glied als Hochpaß
Abbildung 6.13: Bodediagramm - RLC-Glied als Hochpaß
Seite 56
RLC-Glied als Bandpaß
Abbildung 6.14: Bodediagramm - RLC-Glied als Bandpaß
Seite 57
Anhang
Die wichtigsten Bauelemente
Ohmscher Widerstand R
Bauteil
PSPICE - Namen
Ohmscher Widerstand
R
Einheit
Ohm
Kondensator C
Bauteil
PSPICE - Namen
Kondensator C
C
Einheit
Farad
Spule L
Bauteil
PSPICE - Namen
Spule (ideal)
L
Einheit
Henry
Gleichspannungsquelle VDC
Bauteil
PSPICE - Namen
Gleichspannungsquelle
VDC
Einheit
Volt
Sinusspannungsquelle VSIN
Bauteil
PSpice - Namen
Sinusspannungsquelle
Seite 58
VSIN
Einheit
Volt / Hertz
Größenordnungen
Größenordnung
PSPICE - Name
Exponent
Tera
T
E12
Giga
G
E9
Mega
MEG
E6
Kilo
K
E3
Milli
M
E-3
Mikro
U
E-6
Nano
N
E-9
Piko
P
E-12
Femto
F
E-15
Seite 59
Mathematische Funktionen
Funktion
Beschreibung
ABS(x)
Betrag
SGN(x)
Signumfunktion
SQRT(x)
Quadratwurzel
EXP(x)
Exponent
LOG(x)
Logarithmus zur Basis e
LOG10(x)
Logarithmus zur Basis 10
M(x)
Magnitude (Größe)
P(x)
Phase in Grad
R(x)
Realteil einer komplexen Größe
IMG(x)
Imaginärteil einer komplexen Größe
G(x)
Gruppenlaufzeit in Sekunden
PWR(x,y)
Betrag von x hoch y
SIN(x)
Sinus von x im Bogenmaß
COS(x)
Cosinus von x im Bogenmaß
TAN(x)
Tangens von x im Bogenmaß
ATAN(x)
Cotangens von x im Bogenmaß
D(x)
Ableitung von x nach der Abszissenvariablen
S(x)
Integral von x über dem Bereich der Abszissenvariablen
AVG(x)
AVG(x,d)
Mittelwert von x über dem Bereich der Abszissenvariablen
Mittelwert (von x-d bis x) über dem Bereich der Abszissenvariablen
RMS(x)
Effektivwert (Root - Mean - Square) von x
DB(x)
Betrag in dB (dezibel)
MIN(x)
Minimalwert von x
MAX(x)
Maximalwert von x
Seite 60

FH Kaiserslautern: Einführung in die Simulation mit ORCAD 9

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