Circuit-Simulation mit PSpice Demo

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1 Prakikum CircuiSimulaion Technische niversiä Ilmenau Fakulä für Informaik und Auomaisierung Insiu für Technische Informaik und Ingenieurinformaik Lehrgebie Mehodik des Hardwareenwurfs Dr. Ing. T. Vangelov CircuiSimulaion mi PSpice Demo zur Lehrveransalung CAEEnwurf diskrekoninuierlicher (Hardware)Syseme V9. ss00

2 Prakikum CircuiSimulaion Zielsellung und Allgemeine Hinweise Mi dem Prakikum CircuiSimulaion werden zwei Zielsellungen verfolg: Durch Vorlesung, Übung, Selbssudium und/oder anderweiig erworbene Kennnisse über elekronische Schalungen sollen verief und auf prakische Beispiele angewende werden. Der Sudierende soll mi modernen Werkzeugen zur Simulaion elekronischer Schalungen verrau gemach werden und deren Handhabung grundsäzlich kennenlernen. Für die CircuiSimulaion seh das Produk Orcad Family elease 9. Lie Ediion für Microsof Windows der Firma Cadence Design Sysems als DemoVersion des Disribuors Fa. Hoschar AG zur Verfügung. Zur Vorbereiung zu hause kann diese Sofware (eine CD) im Fachgebie Mehodik des Hardwareenwurfs ausgeliehen werden. Zur Insallaion von Orcad Family elease 9. Lie Ediion beachen sie folgende Hinweise: Legen sie die CD ins Laufwerk und saren sie das File Seup.exe falls dies noch nich auomaisch erfolg. Folgen sie den Anweisungen des Insallaionsprogramms. Im Fenser Selec Producs wählen sie die Sysembesandeile Capure und PSpice! Der Grundversuch gesae einen schnellen Einsieg in Grundfunkionen des äußers leisungsfähigen und sehr umfangreichen Simulaionssysems Orcad mi seinen Besandeilen Orcad Capure (Schalungsenwurf) und Orcad PSpice A/D (A/D Simulaion) anhand des Demonsraionsbeispiels "Busanordnung mi OpenCollecorGaern und Opokoppler". Aus ihm sind die grundsäzlichen Arbeisschrie zur grafischen Schalungseingabe und zur Analyse der Schalung im Zeibereich (Transienenanalyse) zu erkennen. Für weiergehende Informaionen wird auf die ensprechenden Handbücher und Fachlieraur sowie auf die umfangreiche OnlineHilfe des Sysems verwiesen. Grundlagen und weierführende Lieraur: // Online Manuals. DemoCD: EDA for Windows 5.4 (Orcad elease 9.) // Heinemann, ober: PSpice : Einführung in die Elekroniksimulaion ; Lehrgang, Handbuch, Kochbuch, Simulaionssofware mi europäischen Schalzeichen und Transisoren 3., erw. Aufl., München [u.a.] : Hanser, c00 /3/ Kurz, Güner: Elekronische Schalungen simulieren und versehen mi PSpice. Aufl., Würzburg : Vogel, 000 /4/ Beez, Bernhard: ElekronikAufgaben mi PSPICE : analoge und digiale Schalungen mi ausführlichen Lösungen für OrCAD Capure ; mehr als 00 Aufgaben ; mi 33 Tabellen Hrsg. von Oo Mildenberger, Braunschweig [u.a.] : Vieweg, 000 /5/ Graesser, Andreas ; Wiese, Jürgen: Analyse linearer elekrischer Schalungen : klassische und moderne Berechnungsmehoden; Simulaion mi PSpice und MATLAB Heidelberg : Huehig, 00 /6/ Anonakos, James: Simulaions for elecronic devices using PSpice Prenice Hall 00

3 Demonsraionsbeispiel: Prakikum CircuiSimulaion 3 CircuiSimulaion mi dem Simulaionssysem Orcad Capure/PSpice Busanordnung mi OpenCollecorGaern und Opokoppler Aufgabensellung Gegeben sei eine Busanordnung mi einem OpenCollecorGaer 7405 als Sender und drei Negaoren 7404 als Empfänger (Bild ). Neben der Einhalung der logischen Pegel und der zulässigen Srombelasung des Gaers 7405 muss zusäzlich der Minimalsrom I Fmin durch die LED des Opokopplers bei LPegel auf der Busleiung gesicher werden (Bemessung von ). Der Widersand dien als Messwidersand zur Besimmung von I LBS, und 3 is der Kollekor Widersand ( Pull p ) des Fooransisors. 4 is der Basisableiwidersand (dien zur Enladung der BasisEmierKapaziä während des Übergangs des Transisors vom leienden in den gesperren Zusand ). Für das vorliegende DemoBeispiel sind alle Widersandswere vorgegeben. Zu beachen sind auch die spezifischen Kennwere der verwendeen Bauelemene. Im Beispiel sind das im besonderen die Schalzeien des Opokopplers (µs... ms). Sie sind wesenlich größer als die Sysemschalzeien von TTLSchalkreisen, das zwing zu ensprechenden Angaben und Voreinsellungen für die Analyse (vgl. Pk..3). V3 DC = 5V TAN = AC = V IN A 7405 V = 0V V = 3.6V TD = 00us T = 5us TF = 5us PW = 0.5ms PE = 0.5ms 0 Y A 7404 Y 3A 7404 Bus Y3 4A k A4N5 3 0k OT DC = 6V AC = TAN = V 0 0 Bild Schalplan des DemoBeispiels "Busanordnung" Es is eine Simulaion der Schalung im Zeibereich (Transienenanalyse) mi dem Simulaionssysem Orcad Capure/ PSpice durchzuführen! Die Simulaionsergebnisse sind mi den erwareen Weren zu vergleichen!

4 4 Prakikum CircuiSimulaion Lösungsweg Zur Lösung seh das Produk Orcad Family elease 9. Lie Ediion der Firma Cadence Design Sysems als WindowsDemoversion der Fa. Hoschar AG zur Verfügung. Vollziehen Sie nun die nachfolgend beschriebenen Lösungsschrie an Ihrem Compuer nach!. Saren des Sysems Saren Sie aus Windows heraus das Capure Lie Ediion Schalungsenwurfsool in der Gruppe Orcad Family elease 9. Lie Ediion. Ersellen Sie ein neues Projek über File New Projec... Wählen Sie in dem dann folgenden Dialogfenser einen Namen, ein Verzeichnis und die Ar Ihres Projekes ( Analog or Mixed A/D) wie in Bild dargesell. Bild Fenser zur Ersellung eines neuen Projekes Name Tragen sie einen Namen im Dialogfenser New Projec ein Creae a New Projec sing Analog or Mixed A/D auswählen Locaion \OrcadLie\Prakikum Besäigen Sie über den OKBuon und wählen sie dann im folgenden Dialog: Creae a blank Projec. Daraufhin erscheinen 3 Teilfenser. Das Projec ManagerFenser ( Name.opj) beinhale eine Übersich über alle im Projek benuzen Daeien. Im Schemaic Page EdiorFenser (SCHEMATIC:PAGE) wird die Schalung eingegeben. Das Session LogFenser dien zur Ausgabe von Sysemmeldungen. Zwischenspeichern während der laufenden Schalplaneingabe (durchaus empfehlenswer) erfolg dann über Menü File Save.

5 . Grafische Eingabe des Schalplanes Prakikum CircuiSimulaion 5.. Auswahl der Bibliohek, Bauelemeneauswahl und Plazierung Über Place... Par... bzw. ShifP (vgl. Bild 3) können aus den angeboenen Biblioheken alle erforderlichen Bauelemenesymbole für den Schalplan (Schemaic) ennommen und anschließend frei plazier werden. Die Tabelle hilf Ihnen, die Namen der verwendeen Symbole in den vorhandenen Biblioheken zu finden (vgl. Schalung in Bild ). Bevor ein Bauelemen überhaup gewähl werden kann, muss die ensprechende Bibliohek eingebunden werden. m eine Bibliohek einzubinden, gehen Sie auf Add Library... und wählen Sie im Fenser Browse File die benöige Bibliohek aus (in dem voreingesellen Verzeichnis \OrcadLie\Capure\Library\Pspice). Wenn die Bibliohek unbekann is, ermieln sie diese über den Buon Par Search. Bild 3 Fenser zur Auswahl eines Bauelemenes Die Bauelemeneauswahl und der Plazierungsvorgang können nach folgenden Schrien erfolgen:. Das gewünsche Bauelemen wird in der Par Lis der akuellen Bibliohek ausgewähl (s. Bild 3) oder über: Place... Par... Par Search... bzw. ShifP... Par Search... gesuch.. Die richige Auswahl wird über OKKlick besäig. Das Bauelemen erschein als grafisches SchemaicSymbol uner dem Mauszeiger. Zum SchemaicSymbol gehören eine forlaufende Nummer des Bauelemenes (Par eference) und eine Werzuweisung (Value). 3. Mi einfachem MausKlick (linke Mausase) wird das Symbol auf dem Schemaic abgeleg. Jeder weiere einfache Klick bewirk den Aufruf des gleichen Bauelemeneyps sowie die forlaufende Nummerierung. Ein drücken der ESCTase beende diesen Vorgang und markier das zulez abgelege Bauelemen (Markierungsfarbe rosa Markierungsrahmen). Lageveränderungen (Verschieben, oieren, Spiegeln) eines Bauelemenes können vorgenommen werden, wenn es markier is (dazu nich markiere Bauelemene erneu anklicken). Ziehen auf eine andere Posiion im Schemaic is dann bei gedrücker Mausase möglich. Weier sind oaion und Spiegelung mi markieren Bauelemenen durchführbar: Edi oae bzw. Crl: oieren um 90 Edi Mirror... Horizonal bzw. H: Horizonal Spiegeln Edi Mirror... Verical bzw. V: Verikal Spiegeln

6 6 Prakikum CircuiSimulaion Das Verschieben eines, mehrerer oder aller Bauelemene is über das Ziehen eines ahmens möglich. Dazu wird bei gedrücker linker Mausase ein ahmen von links oben bis nach rechs unen über die gesame ausgewähle Bauelemenegruppe gezogen. Der ahmen muss alle beroffenen Elemene überdecken bzw. schneiden. Wird nun die Mausase losgelassen, sind alle Bauelemene rosa markier. Nach Anklicken im Innern des ahmens kann nun bei fesgehalener linker Mausase die markiere Bauelemenegruppe an die gewünsche Selle auf dem Schemaic gezogen werden. Lageveränderungen und viele andere Operaionen (wie z. B. Kopieren) mi einem Bauelemen können auch vorgenommen werden, indem man das Elemen markier, die reche Mausase beäig und die gewünsche Operaion auswähl. Beim Kopieren und Einfügen von Bauelemenen is auf die richige Nummerierung der Gaer zu achen (jedes Gaer muss einen anderen Par eference haben!) Anschlussklemmen werden über Place OffPageConnecor... plazier. In diesem Versuch wird als Connecor OFFPAGELEFT benuz. Das Massesymbol wird über Place Ground... ausgewähl. Für die Simulaion is es wichig, hier das Symbol 0 der Bibliohek SOCE auszuwählen (ggf. über Add Library... einbinden). Wird ein anderes Massesymbol verwende, muss unbeding der Name auf 0 geänder werden (Doppelklick auf das Symbol und bei Name vom Dialogfenser Propery Edior 0 eingeben)! Name des Bauelemenes Name des Symbols in der Bibliohek enhalen in der Bibliohek Widersand analog.olb Kondensaor C analog.olb Inverer 7405 eval.olb mi Eingang OpenCollecorAusgang Inverer 7404 eval.olb mi Eingang Gegenakausgang Opokoppler A4N5 eval.olb mi Fooransisorausgang Beriebsspannung VSC source.olb Pulsquelle VPLSE source.olb Tabelle : Bauelemene zum DemoBeispiel, Zuordnung zu Biblioheken im PlaceFenser

7 Prakikum CircuiSimulaion 7.. Verdrahung Die nach o.g. Schrien plazieren Bauelemene müssen durch Leiungen verbunden ("verdrahe") werden. Dazu sind im einzelnen folgende Schrie nöig:. Über das Menü Place Wire bzw. ShifW erschein ein Zeichenkreuz uner dem Mauszeiger.. Markieren Sie durch linken MausKlick den Anfangspunk einer Leiungsverbindung. Bei Ziehen der Maus enseh eine Linie, die die Leiung symbolisier. Jedes erneue Klicken markier einen Knickpunk oder das Ende des Leiungsabschnies. 3. Das Ende einer Leiung muß durch ein Doppelklicken gekennzeichne werden, falls es nich mi einem Bauelemen oder einer anderen Leiung verbunden wird. Daraufhin können weiere Verbindungen eingezeichne werden! Is die Verdrahung beende, wird durch Drücken der ESCTase (oder durch echsklicken und End Wire wählen) der Verbindungsmodus verlassen und das Kreuz nimm wieder die Gesal des Mauszeigers an. Dabei bleib das leze Leiungssegmen rosa markier. Eine Leiung muss an einem Bauelemen bzw. an einem besehenden Leiungssegmen beginnen und (ypisch an einem anderen) enden! Eine Leiung kann auch mi einer Anschlussklemme abgeschlossen werden. Der Verlauf is sandardmäßig orhogonal und rase auf dem sichbaren grauen Gier ein. Das kann geänder werden, indem bei Markieren des Anfangspunkes die ShifTase gehalen wird, so daß Leiungen in jede ichung zeigen und auch außerhalb des asers liegen können. Verschieben und oieren bzw. Spiegeln erfolg wie uner Pk... beschrieben...3 Angabe von Bauelemeneeigenschafen (Properies) Während oder nach der Plazierung der Bauelemenesymbole auf dem Schemaic müssen so genanne Properies für einige Bauelemene (z.b. eference, Value, u. a. Kennwere) eingeragen werden. Über Edi Properies... oder CrlE oder durch Doppelklick auf ein Bauelemen öffne man das Dialogfenser Propery Edior des markieren Elemenes (Bild 4). Wählen Sie in der Lise Filer by: die Opion OrcadPSpice. Darin können bauelemeneabhängig ggf. nur wenige bzw. sehr viele Properies zu sezen sein. Bei vielen Bauelemenen sehen die Properies auch im Schemaic und können dor veränder werden! Bild 4 Dialogfenser für die ProperyEinragung

8 8 Prakikum CircuiSimulaion Bild 4 zeig sellverreend das Dialogfenser für die im Beispiel verwendee Pulsquelle VPLSE. Dabei sind für die Eingabe von Bedeuung (vgl. auch Bild 5): V Anfangswer der Pulsspannung V Endwer der Pulsspannung (Spannungswer währen der Pulszei PW) TD Anfangsverzögerungszei für den Beginn der Pulsfolge bezogen auf = 0 T Zeidauer der Pulsflanke bei Übergang von V nach V TF Zeidauer der Pulsflanke bei Übergang von V nach V PW Pulsbreie (Zeidauer des Impulses) PE Periode Die Elemene VSC,, C, und OFFPAGELEFT sind ebenfalls mi Properies zu versehen. Die Properies der akiven Bauelemene (Schalkreise, Transisoren,...) sowie 0 (Masse) müssen nich veränder werden. Das Sysem sell ensprechende DefaulWere zur Verfügung. V TD T PW PE TF V TD T PW PE TF V V V V < V V V > V Bild 5 Pulsdefiniion in PSPICE (einzuragen in die Maske nach Bild 4)..4 Schemaic ändern Für Änderungen vorgegebener Schemaics (Korrekuren, andere Bauelemene,...) bzw. zur Schalungsverifikaion sehen im Menü Edi verschiedene Möglichkeien zur Verfügung: Edi Cu (CrlX) schneide markiere Symbole aus und kopier sie in die Zwischenablage Edi Copy (CrlC) kopier markiere Symbole in den Zwischenablage Edi Pase (CrlV) füg den Inhal der Zwischenablage (beliebig of) in den Schalplan ein Enfernen von markieren Bauelemenen erreich man auch einfach durch Beäigung der Tase Enf (delee).

9 ..5 Vorbereiung zur Simulaion Prakikum CircuiSimulaion 9 Sichern Sie am Ende Ihrer Schalplaneingabe über File Save das erzeuge Schemaic! Das Simulaionssysem biee eine Möglichkei die eingegebene Schalung nach besimmen elekrischen Krierien (Elecrical ule Check, EC) zu prüfen. Dazu wählen sie im Projec ManagerFenser ihr Design (SCHEMATIC) aus und saren im Menü Tools Design ules Check. Nuzen sie dabei die voreingesellen Opionen im nachfolgend erscheinenden Fenser Design ules Check und klicken sie auf OK. Im Falle einer Fehleranzeige werden Sie darauf aufmerksam gemach: Sie finden eine genauere Fehlerbeschreibung im Session LogFenser. Darüber hinaus werden die Fehlerquellen im Schemaic besonders markier (grüne Punke). Gegebenenfalls kann die Korrekhei der Nezlise auch über PSpice Creae Nelis geprüf werden. Die Eingabe und Verifikaion des Schalplanes is i.a. ein ieraiver Prozess. Ensprechend sind die Schrie nach den Punken....5 ggf. mehrfach zu wiederholen..3 Schalungssimulaion.3. Voreinsellungen, Wahl der Analysear Bevor man mi der Simulaion beginn, müssen über PSpice New Simulaion Profile einige Voreinsellungen vorgenommen werden. Dazu wird zunächs ein Name für das Simulaionsprofil gewähl. Im anschließenden Dialogfenser Simulaion Seings wird im Folder Analysis uner Analysis ype: der Einrag Time Domain (Transien) ausgewähl (Bild 6). In Bild 6 sind bereis sinnvolle Were für das DemoBeispiel angegeben, die Sie bie auch an Ihrem Compuer so einragen. un o ime: seh für das gewähle Simulaionszeiinervall. Sinnvolle Were sind u.a. direk von den Parameern der Pulsquelle VPLSE abhängig. Für den in Bild 4 gezeigen Wer PE (Periode) solle mindesens eine volle Periode des Zeiverlaufes der Spannung von VPLSE gewähl werden. Die BerechnungsSchriweie wird vom Sysem auomaisch gewähl. ner Maximum sep size is keine Eingabe erforderlich. Bild 6 Voreinsellungen für die Transienenanalyse

10 0 Prakikum CircuiSimulaion.3. Simulaionslauf saren Akivieren Sie PSpice un, um die Simulaion zu saren. Es erfolg auomaisch ein ECCheck und das NelisFile wird noch einmal erzeug. Es öffne sich das PSpice A/DAnalysefenser Probe window, die Simulaion läuf. Das Forschreien der Simulaion kann im rechen uneren Teilfenser verfolg werden (Time Sep, Time und End). Im uneren linken Teilfenser werden die gerade ablaufenden Akionen angezeig. Falls die Were im oben erwähnen Dialogfenser Simulaion Seings (PSpice Edi Simulaion Profile) richig eingegeben wurden, läuf die Darsellung der Simulaionsergebnisse auomaisch an. Über das Menü Trace Add Trace... muss eine Auswahl der darzusellenden Signale geroffen werden. Nach erfolgem OKKlick werden die Zeiverläufe sichbar (Bild 7). Die Auswahl der darzusellenden Signale kann auch durch die Opion Markers ganz effizien erfolgen (s.pk..3.4). Bild 7 PSpice A/DAnalysefenser Probe window mi dem Eingangssignal IN (Pulsquelle V) und dem Ausgangssignal OT (Kollekor des Ausgangsransisors des Opokopplers).3.3 Schalungsverifikaion Anhand der dargesellen Simulaionsergebnisse (Signalverläufe) kann die Schalung auf korreke Funkion geprüf werden. Falls die Ergebnisse nich den Erwarungen ensprechen, muss das Projek (Schalung, Bauelemeneparameer, Tessignale usw.) evl. korrigier werden.

11 Prakikum CircuiSimulaion Über WindowsTaskumschalung (AlTab) gelang man zurück zu Orcad Capure. Dor kann man z. B. durch DoppelKlick auf im Schemaic sichbare Bauelemeneparameer Dialogfenser für zugehörige Weränderungen öffnen. Der o.g. Weg (Abschni..3) zur Änderung von Properies über Edi Properies... oder CrlE is genauso möglich, wenn zuvor durch einfaches Anklicken das ensprechende Symbol im Schemaic markier wurde. Änderungen der Schalungssrukur (andere bzw. zusäzliche Bauelemene) erfolgen nach den Ausführungen in Abschni Auswerung mi Hilfe der CursorFunkion m einzelne exake Spannungswere aus der grafischen Darsellung (Probe window) zu ennehmen, is es möglich die CursorFunkion über den Menüpunk Trace Cursor Display oder durch einen Klick auf den Buon Toggle Cursor in der Symbolleise zu akivieren. Daraufhin öffne sich das Fenser Probe Cursor und es erscheinen zwei Fadenkreuze in der Grafik (überlapp im Koordinaenursprung). Nun is es möglich jedem Cursor eins der dargesellen Signale zuzuordnen. Die Signalnamen befinden sich unerhalb der Zeiachse und sind durch Markierungssymbole verschiedener Farben auswählbar. Klick auf ein Markierungssymbol mi der linken Mausase wähl Cursor Klick auf ein Markierungssymbol mi der rechen Mausase wähl Cursor Jez kann mi dem jeweiligen Cursor (durch Halen der linken bzw. rechen Mausase in der Grafik) das Signal abgease werden, dabei werden im Fenser Probe Cursor in der linken Spale die Zei und in der rechen die ensprechende Signalampliude der akuellen Cursorposiionen sowie deren Differenz angezeig..3.4 Arbeien mi dem MarkersMenü Zur Arbeiserleicherung sind so genanne Marker (Markierungen) vorgesehen. Durch Einragung von Markierungen in das Schemaic kann man das sons bei jedem Simulaionslauf nowendig werdende erneue Auswählen von anzuzeigenden Signalen vermeiden bzw. den Aufwand dafür reduzieren. Im Menü PSpice Markers... finde man eine Auswahl von MarkerTypen. Zum Beispiel: EinfachKlick auf Volage Level verwandel den Cursor in das MarkerSymbol, welches auf dem Schemaic genau wie ein Bauelemenesymbol an den gewünschen "Messsellen" mehrfach abgeleg werden kann. PSpice A/D zeig dann die so markieren Signale nach jedem Simulaionslauf mi ihren Spannungszeiverläufen auomaisch an. Beim Einsaz von Markern des Typs Curren Ino Pin werden Sromzeiverläufe angezeig usw. Zur Vorbereiung klick man bei den Simulaions Seings (PSpice Edi Simulaion Profile) auf den Buon Probe Window und bei Show wähl man All markers on open schemaics. Für die bessere Erkennung der Messsellen können die Leiungssegmene in unmielbarer Nähe der eingesezen Marker über den Menüpunk Place Ne Alias... mi Namen versehen werden. Vorsich: Leiungen und Anschlussklemmen mi dem gleichen Namen werden elekrisch mieinander verbunden (kurzgeschlossen).

12 Prakikum CircuiSimulaion!!! Hinweise zur Prakikumsvorbereiung: Erläuern Sie die Funkion der Schalung. Skizzieren Sie die wesenlichen Zeiverläufe qualiaiv. Überprüfen Sie die Sinnfälligkei der angegebenen Widersandswere. Machen Sie sich mi den im Pk. angegebenen Arbeisschrien zur Schalungseingabe, verifikaion und simulaion verrau.

13 CAE CircuiSimulaion K. CircuiSimulaion digialer Schalungen K Monoflops Monoflops sind Kippschalungen mi einem sabilen und einem mea bzw. quasisabilen Zusand (nivibraor). Der quasisabile Zusand kann nur für eine begrenze Zei, die sogenanne Verweiloder Halezei H, eingenommen werden. Wird ein Monoflop durch einen Eingangsimpuls in diesen Zusand gebrach, so kipp der Ausgang nach Ablauf der Halezei in den sabilen Zusand zurück. Im Ineresse seiler Ausgangsflanken (unabhängig von der Seilhei des Eingangssignales) werden meis rückgekoppele Kippschalungen zur ealisierung eingesez. Das monosabile Verhalen wird dabei durch zeiabhängige ückführungen erreich (Verzögerungsglieder, CBeschalung). Typische Anwendungsfälle für Monoflops sind z. B. die Erzeugung breier Ausgangsimpulse zur Anseuerung elekromechanischer Einheien und die Laufzeikonrolle in Überwachungseinheien. K. Monoflop mi Logikgaern Ein Monoflop läß sich z. B. aus zwei NAND oder zwei NOGaern aufbauen. Bild K. zeig zwei Schalungsvarianen mi NANDGaern. e & Q e D C e & Q Q H L T e e & C Q e D & Q S Q T T Bild K.: Monoflops mi NANDGaern und Differenzierglied, Zeiverläufe Im uhezusand gil: Q = L, Q = H, e = H, e = L (Widersand ensprechend bemessen!). Mi einer HLFlanke an e schale der Ausgang Q auf HPegel. Dieser Spannungssprung ( Q ) wird in voller Höhe über den Kondensaor C auf den Eingang e überragen (e = H), und der Ausgang Q schale auf LPegel. Über die ückkopplung wird dieser Zusand gehalen, auch wenn das Eingangssignal e wieder in den uhezusand zurückkehr (Bild K., Zeiverläufe). Der Kondensaor C wird nun über den Widersand und den Ausgang Q aufgeladen. Die Spannung am Eingang e wird dabei in ichung ihres saionären Weres (LPegel) abgebau. Nach Ablauf der Halezei T = H erreich die Spannung an e den Wer e = S (mschalschwelle des Gaers). Der Ausgang Q schale zurück auf Q = H. Der Ausgang Q behäl den HPegel, bis am Eingang e = H aufri. Ein neuer Zeivorgang kann nach der Erholzei E = 4 3 gesare werden.

14 K. CAE CircuiSimulaion Der Zusand e = H, Q = L exisier nich, dami is die Gleichspannungskopplung von Q auf den Eingang des zweien Gaers in Bild K. (oben) überflüssig, beide angegebenen Schalungen haben das gleiche Zeiverhalen. Für die Spannung am Eingang e gil: e ()= el Q e C. ( für die Aufladung: Q = Q H Q L ) Daraus folg T = H = C ln Q S el. Voraussezung für die beschriebene Funkion is, daß die saionäre Spannung an e den maximalen EingangsLPegel nich überschreie. Dami is eine Bemessungsvorschrif für den Widersand gegeben: [ elmax I elmax. Die Diode D in den angegebenen Schalungen verhinder negaive Überspannungen am Eingang e und verkürz gleichzeiig die Erholzei. Äquivalene Schalungen können mi NOGaern realisier werden. K. Monoflops mi speziellen Schalkreisen Wesenlich bessere und sabilere Eigenschafen lassen sich mi inegrieren MonoflopSchalkreisen erreichen, die in den verschiedenen Schalkreisfamilien angeboen werden (z. T. mi Kompensaion von Temperaur und Beriebsspannungseinflüssen, sabile und genaue mschalschwellen). Durch Anschalen eines exernen CGliedes ( = k...m,c= nf...0 F) lassen sich Halezei en in großen Bereichen einsellen (ypisch H = 0 ns s). Geeignee Schalkreise sind z. B. : { LSTTL: 74LS, 74LS3, LM 555; { CMOS: CD 4538, 74HCT3, ICM C 6 5 V 8 S > Q > /Q GND C C ES OT 3 H = C ln 3 H T Bild K.: Monoflop mi Timer 555

15 Einige ypische Daen (LM 555): v Versorgungsspannung v Ausgangsspannung v Ausgangssrom CAE CircuiSimulaion K.3 CC = (4,5... 6) V 3L = 0,3 V 3H = CC,7 V bei I 3 = 00 ma I 3zul < 00 ma v Schwellwere bei CC = 5 V: { Triggerschwelle T = 5,0 V (Hinw.: = Spannung am Pin ) { Schalschwelle 6T = 0,0 V { ückschwelle 4T = 0,56 V v Dynamische Kennwere: { Ansiegszei r = 90 ns { Abfallzei f = 70 ns v Im ESETZusand lieg der Ausgang (Pin 3) auf LPegel und der Enladeransisor is gesäig. K.3 eriggerbare Monoflops In den oben beschriebenen Monoflopschalungen wird die measabile Phase von der akiven Flanke des ersen Seuerimpulses ausgelös. Weiere Impulse innerhalb der Halezei H bleiben wirkungslos. Soll die Halezei ers vom lezen Impuls einer Impulsgruppe an gerechne werden, so müssen sogenanne reriggerbare Monoflops eingesez werden. Jeder ankommende Impuls am Triggereingang sez das Monoflop in den quasisabilen Zusand zurück bzw. häl es in diesem Zusand. Der Ausgang schale dami ers um die Halezei H verzöger nach dem lezen Impuls einer Impulsgruppe in den sabilen uhezusand zurück. Typische Anwendungen reriggerbarer Monoflops sind Laufkonrollen für Mooren, für Programmzyklen (wachdogschalungen) usw. Bild K.3 zeig ein reriggerbares Monoflop mi dem TimerSchalkreis 555; dabei wird die Eigenschaf als PräzisionsSchmiTrigger ausgenuz. Zur Enladung des Kondensaors C muß ein exerner Transisor T verwende werden. e e b T C 6 5 CC V 8 S > Q > /Q GND ES OT TIGGE 5 CONTOL VOLTAGE 6 THESHOLD 5 cex e OT H cc Bild K.3: eriggerbares Monoflop mi dem TimerSchalkreis 555

16 K.4 CAE CircuiSimulaion Zur Funkionsweise der Schalung: Seig die Kondensaorspannung über den Wer 5 = 3 CC, so wird das Flipflop rückgesez und dami der Ausgang OT auf iefes Poenial geschale ( 3 = L). Wird der exerne Transisor T über einen Triggerimpuls e leiend, enläd sich der Kondensaor C, und die Spannung = 6 sink uner die Triggerschwelle T. Das Flipflop wird gesez, und der Ausgang geh auf hohes Poenial. Mi jedem weieren Triggerimpuls innerhalb der Halezei H wird dieser Anfangszusand des quasisabilen Zusandes wieder hergesell. Mi den spezifischen Weren des Schalkreises ergib sich die Halezei näherungsweise zu H = C ln 3. Aufgaben zur Schalungssimulaion: Überprüfen Sie die ordnungsgemäße Funkion der Schalungen aus den folgenden Aufgaben durch Simulaion mi dem CircuiSimulaor PSpice. Für die bessere Veranschaulichung der Simulaionsverläufe sollen die Zeidauer der TesEingangssignale und das Simulaionszeiinervall (un o ime) ensprechend gewähl und angepaß werden, z.b. sind einige Impulse bzw. Perioden des Eingangssignals ausreichend als Simulaionszeiinervall. Aufgabe : Mi Gaern des TTLSchalkreises 7400 und einem CGlied soll ein Monoflop nach Bild K.(unen) realisier werden. Die Kennwere der Gaer (wie z.b.: OH, OL, S, I IL usw.) sind der Tafel zu ennehmen. Aufgabe : Ein Monoflop mi dem TimerSchalkreis 555 nach Bild K. soll bei CC = 5 V eine Halezei H = 00 ms besizen. Wählen Sie den Ladewidersand so, daß der Ladesrom I L im mschalpunk den Wer I L = 0,5 ma erreich. Aufgabe 3: Mi dem TimerSchalkreis 555, einem exernen Schalransisor T ( CEX [ 0, V) und einem CGlied (, C) wird ein reriggerbares Monoflop nach Bild K.3 als Überwachungsschalung für eine Impulsfolge am Eingang e realisier. Sie soll das Überschreien eines maximalen Impulsabsandes i max ( H ) signalisieren. Bemessen Sie den exernen Widersand bei C = F und CC = 5 V für i max = ms!

17 CAE CircuiSimulaion K.5 Kennwere bei CC = 5V und = 5 o C TTLBaureihen LS00 74ALS00 74F00 Eingangsspannung IL max 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V IH min,0 V,0 V,0 V,0 V Ausgangsspannung OL max 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V OH min,4 V,7 V,7 V,4 V Schwellspannung * S min, V, V,4 V Eingangssrom I IL max,6 ma 0,4 ma 0, ma 0,6 ma bei IL = OLmax I IH max 0,04 ma 0,0 ma 0,0 ma 0,0 ma bei IH = OHmin Ausgangssrom I OL max 6 ma 8 ma 8 ma 0 ma bei OL = OLmax I OH max 0,4 ma 0,4 ma 0,4 ma,0 ma bei OH = OHmin Speisesrom I CCH yp/max / ma 0,/0,4 ma 0,/0, ma (je Gaer) I CCL yp/max 3/5,5 ma 0,6/, ma 0,4/0,75 ma Verzögerungszei DLH yp/max / ns 9/5 ns 4/ ns,0/ ns DHL yp/max 7/5 ns 0/5 ns 5/ ns Impulsflanke LH yp 0 ns 9,5 ns 5 ns (am Ausgang, %) HL yp 5 ns 6 ns 5 ns (meis bei C L = 5 pf) Speisespannung mgebungsemperaur CC (4, ,5) V ( ) C (4,5... 5,5) V * bei Gaern mi SchmiTriggerEingängen liegen die ypischen Were von S bei:,7 V,6 V für LHFlanke 0,9 V 0,8 V für HLFlanke bei MonoflopIS gil:,4 V,55 V für LHFlanke,4 V,35 V für HLFlanke Tafel : Saische und dynamische Kennwere von TTLBaureihen (NANDGaer

18 CAE CircuiSimulaion V 4. CircuiSimulaion analoger Schalungen V 4 Insrumenaionsversärker Viele Sensoren können die Meßgröße nur als kleines elekrisches Srom bzw. Spannungssignal abbilden, dem häufig auch noch Gleichaksörungen überlager sind. Zur Versärkung dieser Signale werden spezielle Versärker verwende ( Insrumenaionsversärker, Isolaionsversärker ). Insrumenaionsversärker sind Differenzversärker mi sehr großem Eingangswidersand zur Vermeidung von "Belasungsfehlern" der Signalquelle und sehr hoher Gleichakunerdrückung. Isolaionsversärker rennen zusäzlich noch den Eingangskreis galvanisch vom Ausgangskreis. Weiere allgemeine Anforderungen an Insrumenaionsversärker sind: { Lineare und genaue Versärkung der Differenzeingangsspannung, { Einsellbarer Versärkungsfakor (über einen Widersand), { Niedrige Drif und geringes auschen, { Kurze Einschwingzeien (Muliplexberieb). V 4. Differenzversärker mi OPV Wird gleichzeiig an beiden Eingängen eines OPV eine Signaleinspeisung vorgenommen, so enseh eine Differenzversärker bzw. Subrahierschalung (Bild 4.). { Bei geeigneer Bemessung der Widersände wird uner Annahme hinreichend idealer OPV nur die Differenz der Eingangssignale mi dem Fakor V versärk. D 3 4 o o = o = V ( ) für V = = 4 3 Bild 4.: Differenzversärker mi OPV, Grundschalung Subrahierer bzw. Differenzversärkerschalungen mi hochohmigen "Elekromeer"Eingängen zeig Bild 4.. Sie finden auch als Insrumenaionsversärker Anwendung (vgl. Abschni 4.3). * 3 3 o o * o = 3 ( ) o = ( ) Bild 4.: nsymmerische und symmerische Differenzversärkerschalungen mi OPV

19 V 4. CAE CircuiSimulaion { Voreilhaf an beiden Schalungen is, daß im Falle eines Differenzversärkers der gewünsche Versärkungsfakor mi nur einem Widersand "programmier" werden kann. Sie werden als sogenanne PGA (programmable gain amplifier) sowohl als monolihische als auch hybride Schalkreise angeboen. { is als exerner (Präzisions)Widersand vom Anwender einzusezen { Die symmerische Versärkerschalung is bezüglich der Widersandsbemessung ewas voreilhafer als die unsymmerische Schalung. V 4. Endliche Gleichakunerdrückung Bei nichinverierenden und bei DifferenzversärkerSchalungen mi OPV ri eine sogenanne Gleichakausseuerung auf. Sie wird im wesenlichen durch nsymmerien in der Differenzeingangssufe der OPV hervorgerufen. Dabei gil: gl l e bzw. D = e e gl. gl { Im Ersazschalbild kann die Gleichakausseuerung durch eine Spannungsquelle G in eihe zu einem der beiden OPVEingänge nezwerkgerech erfaß und beschrieben werden. Typische Were sind glmax =! 5 V und G = (GGleichakunerdrückung, CM). { Mi seigender Frequenz sink die Gleichakunerdrückung G eines OPV. Die Gleichakausseuerung kann zu erheblichen Fehlern führen und muß bei Anwendungen mi hohen Genauigkeisanforderungen berücksichig werden { Bei kleinen Differenzspannungen am Eingang können wegen der Gleichakversärkung eines realen OPV große Fehler aufreen. { Auch Abweichungen (im % %o Bereich) von den idealen Widersandsverhälnissen V = = 4 3 zur ealisierung der Differenzversärkung in der Grundschalung nach Bild 4. bewirken eine Verringerung der Gleichakunerdrückung G und dami einen Ausgangsfehler. Für = V, 4 3 = V und = = gl erhäl man die wirksame Gleichakversärkung der DifferenzversärkerGrundschalung nach Bild 4. zu V gl = V und dami für die Gleichakunerdrückung G = V V gl = V( V). Bei konsaner Versärkung V is bei idealen OPV die Gleichakunerdrückung G umgekehr proporional zur Toleranz der Widersandsverhälnisse. { G wird unendlich, wenn die Widersandsverhälnisse exak gleich sind. { Andererseis kann bei realen OPV die endliche Gleichakunerdrückung durch geringfügige Variaion des Widersandsverhälnisses 4 3 angehoben werden. Bei realen Versärkern kann eine Gleichakspannung einen berächlichen Ausgangsfehler bewirken. { Infolge der unvermeidbaren nsymmerien im echnologischen Aufbau wird die Gleichakspannung gl in eine Differenzspannung zwischen den Eingangsanschlüssen des Versärkers umgesez, die sich dem Nuzsignal überlager und die Messung verfälsch (GleichakGegenakKonversion). { Zusäzlich wirk gl als GleichakEingangssignal am Versärker und kann einen Fehler im Ausgangssignal hervorrufen (Forderung nach hoher Gleichakunerdrückung, CM).

20 CAE CircuiSimulaion V 4.3 V 4.3 Insrumenaionsversärker Typisch reen bei der Meßwererfassung Gleichaksörquellen in Form von Gleichspannungen ( Erdsröme ) und Wechselspannungen mi Nezfrequenz ( einschließlich Oberwellen ) auf. Zur fehlerfreien Verarbeiung werden sogenanne Insrumenaionsversärker eingesez. Sie müssen eche Differenzversärker sein, denn Versärker mi unsymmerischer Eingangssufe können Differenzsignale nich von Gleichaksignalen rennen ( Bild 4.3 a). e gl O e D e e e 3 gl 4 O a) inverierender Versärker b) Differenzversärker Bild 4.3: Zur Auswirkung von Gleichaksörungen in OPVSchalungen ner Annahme idealer OPV erhäl man für die Ausgangsspannungen O in den beiden Schalungen: o = ( e gl ) o = V( e e ) mi V = = 4 3. { Daraus is deulich die Gleichakunerdrückung des Differenzversärkers zu erkennen. Bild 4.4 zeig die Verhälnisse uner Beachung der GleichakEingangswidersände r e und r e sowie des Differenzeingangswidersandes r d des Operaionsversärkers. Für den Versärker wird dabei die symmerische Schalung nach Bild 4. angenommen ( G Versärkungseinsellung). { Die Signalquelle e der im Bild 4.4 angegebenen Schalung muß gleichsrommäßig mi Masse verbunden sein, dami der Eingangsruhesrom des Versärkers fließen kann ( 3 ). e i 3 3 D r e r d gl G r e V o L I gl 3 i 6 Bild 4.4: Zur Auswirkung von Gleichaksörungen bei realen Differenzversärkern

21 V 4.4 CAE CircuiSimulaion Zur Ermilung der durch Konversion ensehenden Differenzspannung kann die Admianzmarixgleichung des Eingangskreises der Schalung verwende werden. Dazu wird die Gleichakquelle gl in eine Sromquelle I gl = y i gl umgewandel ( i Isolaionswidersand der Signalquelle, Sensor). y d y y e y d y y d y d y y e y y y y y y 3 y i 3 = 0 0 I gl. y (y d y y e )y y d y (y d y y e )y y d = I gl N, = I gl N. Dabei seh N für die Sysemdeerminane der Admianzmarix Y. Für die Differenz (konveriere Spannung) erhäl man y y e y y e Dgl = = I gl N = gl y y i N r e r e. Aus dieser Gleichung für die Fehlerspannung Dgl und Bild 4.4 lassen sich prinzipielle Lösungen ableien, um den Ausgangsfehler klein zu halen: a. Meßfühler möglichs isolier monieren ( i d ). b. OPV mi hoher Gleichakunerdrückung und großen Gleichakeingangswidersänden einsezen. c. Insrumenaionsversärker einsezen oder zumindes die Verbindungsleiungen am Ausgang (5) und zur Sysemerde (6) galvanisch rennen. d. Poenialausgleichsleiungen zwischen Sysemerde (6) und Fußpunk (3) der Signalquelle e. e. Abgeglichene Brücke mi = re r e und OPV mi hoher Gleichakunerdrückung realisieren. Ökonomisch sind nur die Forderungen b. (evl. in Verbindung mi e.) und c. zu realisieren. Die besen Ergebnisse werden mi Isolaionsversärkern erziel (CM > 50 db, r gl > 0 ). { Die galvanische Trennung wird dabei miels Überrager oder mi Opokopplern erreich. Der Aufwand für diese Isolaionsversärker is relaiv hoch, ebenso ihr Preis. Aufgaben zur Schalungssimulaion: A Besimmen Sie die Werebereiche für die Ausgangsspannungen der beiden Versärkerschalungen nach Bild 4.3 bei folgenden Angaben: gl =! V, e = D = Vsin mif= = 0 khz, Versärkung V = 5. Die Beriebsspannungen der OPV A74 beragen = = 5 V. Überprüfen Sie Ihr Ergebnis durch Simulaion der beiden Schalungen für die gegebenen Kennwere. A Für die Schalungen aus Aufgabe A is die Gleichaküberragung für gl = Vsin bei verschwindenden Eingangsspannungen e = 0 ( D = 0) für f = 50 Hz und f = 00 Hz zu simulieren (Nezfrequenz und Oberwellen). A3 Überprüfen Sie durch Simulaion die Besimmungsgleichung für die Versärkung der symmerischen Differenzversärkerschalung nach Bild 4.. Hinweise zur Vorbereiung: { Machen Sie sich mi der Funkion der Schalungen anhand der zum Versuch angegebenen Grundlagen verrau und berechnen Sie die Were der Widersände. { Leien Sie die Besimmungsgleichungen der verwendeen Versärkerschalungen in allgemeiner Form ab.