Laborprotokoll Analysemethoden

Thomas Riedelsperger, Andreas Unterweger
ÜTLB-Protokoll
Laborprotokoll Analysemethoden
2.1 Bias Point Detail
Es sollten per Bias Point Detail alle
Ströme und Spannungen von der
Schaltung
aus
Punkt
4.3
der
Spannungsteiler-Übung mittels PSpice
bestimmt werden.
Dazu wurde die Schaltung in PSpice
entworfen, getestet und anschließend per
Bias Point Detail alle Ströme und
Spannungen eingeblendet.
Wichtig: Ground darf nicht vergessen
werden (unten im Bild) da die Schaltung
ansonsten nicht funktioniert.
2.2.1 Transientenanalyse
Zuerst wurde ein RC-Tiefpass als Schaltung in PSpice entworfen (siehe linkes Bild),
anschließend wurde eine Wechselspannungsquelle mit folgenden Parametern eingefügt
(siehe rechtes Bild; fertiger Schaltungsaufbau):
Spannungsquelle VSIN (Zum Eintragen der Werte Doppelklick auf Spannungsquelle)
• DC = Gleichspannungsanteil (0 V für reinen Sinus)
• AC = Wechselspannungsanteil (hier 1 V)
• VOFF (off wie offset) = Gleichspannungsoffset (hier 0 V)
• VAMPL = Amplitude (hier 1 V)
• Frequenz = 10kHz
• TD = Delaytime (hier 0)
• DF = Dämpfungsfaktor (hier 0)
Das Setup muss für diese Analysemethode natürlich angepasst werden: Bias Point Detail
wird deaktiviert, Transient wird aktiviert. Folgende Einstellungen werden nun gesetzt:
Finaltime = 1ms (10 fache Periodendauer; hier 10 kHz).
07.01.2004
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Um einen „schönen“ Sinus zu erhalten müssen die Einstellungen im Fenster, in dem die
beiden Spannungen dargestellt werden (Eingangs- und Ausgangsspannung), angepasst
werden. Als Step Ceiling werden 100 ns gewählt:
1.0V
0.5V
0V
-0.5V
-1.0V
0s
0.2ms
V(ein)
0.4ms
0.6ms
0.8ms
1.0ms
V(aus)
Time
Da der Kondensator einige Zeit zum Aufladen benötigt, wird die Ansicht erst bei 0,8ms
begonnen. In dieser Ansicht kann man auch die Phasenverschiebung der Schwingungen
sehr schön beobachten:
1.0V
0.5V
0V
-0.5V
-1.0V
800us
V(ein)
850us
900us
950us
1000us
V(aus)
Time
Anschließend wurden 5 Messwerte in die vorgegebene Tabelle übernommen und daraus
das Bodediagramm erstellt:
f
kHz
Uein
V
1
5
10
100
1000
1
1
1
1
1
Phi
Uaus
dt
H(Ua/Ue) V(20*lgH)
V
us
dB
°
0,9956
15
0,9956
-0,03830224
-5,4
0,904502
14 0,904502
-0,87180937
-25,2
0,727
12
0,727
-2,76931178
-43,2
0,105878
2,32 0,105878
-19,5038854
-83,52
0,01062 0,248459
0,01062
-39,4775097 -89,44524
Erläuterungen zum Rechengang: H wird aus dem Quotienten Ua/Ue berechnet; V als 20
mal der dekadische Logarithmus von H. Die Berechnung der Phasenverschiebung Phi
leitet sich aus folgender Formel her: dt/T = phi/360° phi = 360*dt/T = 360°*dt*f,
wobei dt in Mikrosekunden und damit *10-6 gerechnet werden muss.
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Aus dieser Tabelle kann das Bodediagramm (Verstärkung
Phasenverschiebung über Frequenz) erstellt werden:
über
Frequenz
bzw.
Bode-Diagramm
0
Verstärkung, dB
1
10
100
1000
-10
-20
-30
-40
-50
Frequenz, kHz
Bode-Diagramm
Phasenverschiebung,
Grad
0
1
10
100
1000
-20
-40
-60
-80
-100
Frequenz, kHz
2.2.2 AC-Analyse
Für diese Analyse wird das Setup erneut modifiziert:
• Decade
• Start 100
• End 1000k
Die letzten beiden Einstellungen sind für den Frequenzbereich, der analysiert werden soll
(100Hz – 1000kHz), relevant.
Durch das Entfernen der Spannungskurven und das Hinzufügen der Kurve
dB(V(aus)/V(ein)) ergibt sich folgendes Bild:
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0
-10
-20
-30
-40
100Hz
DB(V(aus)/V(ein))
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
Frequency
Dieses Bild entspricht einem Bodediagramm, dessen zweiten Teil (Phasenverschiebung)
man durch die Kurve –P(V(aus)/V(ein)) und das Einblenden einer zweiten y-Achse erhält:
1
0
2
0d
-10
-20
-50d
-30
-40
>>
-100d
100Hz
1
DB(V(aus)/V(ein))
1.0KHz
2
P(V(aus)/V(ein))
10KHz
100KHz
1.0MHz
Frequency
Fast Fourier Transformation
Für diese Art der Analyse muss zuerst der Schalungsentwurf etwas abgeändert werden:
als Spannungsquelle wird nun eine solche verwendet, die Rechtecksimpulse erzeugt.
Konfiguriert wird die Spannungsquelle wie
folgt:
•
•
•
•
TR = Rise time (0)
TF = Default time (0)
PW = Pulse With (0,05 ms)
PER = Periodendauer (0,1 ms)
Die
so
erzeugte
Rechtecksschwingung
erzeugt
folgende
Kurven:
Rechtecksschwinung
(oben
grün),
Sprungantwort (oben rot) und durch Fast Fourier ein Frequenzspektrum (unten):
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500mV
0V
-500mV
750us
V(ein)
800us
850us
900us
950us
1000us
V(aus)
Time
800mV
600mV
400mV
200mV
0V
0Hz
20KHz
40KHz
60KHz
80KHz
100KHz
120KHz
140KHz
V(ein)
Frequency
Da PSpice nicht unendlich genau integrieren kann sind anstatt der streng diskreten
Werte “Dreiecke” zu sehen.
4. Kontrollfragen
Die Kurve „knickt“ bei der Eckfrequenz (Omega-g) nach unten weg. Die Eckfrequenz
berechnet sich durch 1/(R*C).
Die Steilheit der Kurve beträgt 20dB/Dekade, was sich wie folgt bestimmen lässt: die
y-Achse im Bodediagramm kann durch eine 20*log(F) [dB]-Achse ersetzt werden,
wobei sich ein Abfall von 20dB pro Markierung auf der x-Achse (Dekade) ergibt.
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