Projekt im Sommersemester 2001 zum Thema PSPICE. Einführung in die unterschiedlichen Analysearten

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1 Projekt im Sommersemester 2001 zum Thema PSPICE Einführung in die unterschiedlichen Analysearten Karen Wonigeit Iltisstrasse Kiel Matr. Nr.: Kurs: Kursleiter: Projektbearbeitung im Hauptstudium der beruflichen Fachrichtung Elektrotechnik/ Informatik StR Michael Schmiech

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 2 Was ist PSPICE?... 4 Analysearten... 6 Frequenzanalyse (AC- Sweep)... 6 Rauschanalyse (AC- Sweep)... 6 Zeitanalyse (Transient Analysis)... 6 Fourier- Analyse... 6 Gleichstrom-Arbeitspunkt-Analyse (DC- Sweep)... 6 Grundlagen... 7 Amplitudengang/ Frequenzgang... 7 Bandbreite... 7 Ortskurve... 8 Resonanzfrequenz... 8 Resonanzkurve... 8 Wie werden Schaltungen unter PSPICE erstellt? Start... 9 Reihenschwingkreis Eingabe der Bauteile Zeichnen der Leitungen zwischen den Bauteilen Umbenennen der Bauteile Bauteilwerte ändern Texte eingeben Vergabe von Alias für die Leitungen Parameterfunktion auswählen Wahl der Analysearten Analyseart AC Sweep (Wechselstrom- Kleinsignalanalyse) Analyseart Parametric (Parameter-Analyse) Speichern der Schaltung Starten der Simulation Graphisch Darstellung der Ergebnisse Messung a) Resonanzkurve Phasenverlauf

3 Amplitudengang Ortskurve Messung b) Resonanzkurven Performance Analyse Maximum und Bandbreite Differenzverstärkerschaltung Erstellen der Schaltung Analyseart DC Sweep (Gleichstromanalyse) Analyseart AC Sweep (Wechselstrom-Kleinsignalanalyse) Analyseart Transient (Zeitanalyse) Speichern der Schaltung Starten der Simulation Graphische Darstellung der Ergebnisse Darstellung der Kollektor- Emitterspannungen V(4) und V(5) DC- Sweep- Gleichstromanalyse AC- Sweep- Wechselstrom- Kleinsignalanalyse Frequenzgang Time Domain (Transient)- Zeitanalyse FFT- Schnelle Fouriertransformation Bestimmung der 3 db- Frequenz Literaturverzeichnis

4 Was ist PSPICE? PSPICE ist die PC-Version des Simulationsprogramms Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis. SPICE wurde an der Universität von Berkeley entwickelt und revolutioniert die professionelle Schaltungsentwicklung: SPICE konnte das Verhalten elektronischer Schaltungen präzise voraussagen bzw. simulieren, so daß die Entwicklungszeiten und Entwicklungskosten elektronischer Schaltungen reduziert wurden. SPICE lief aber nur auf aufwendigen Großrechnern. An den Einsatz am Arbeitsplatz eines normalen Technikers oder Ingenieurs war ursprünglich nicht zu denken. Inzwischen sind Personalcomputer aber bereits leistungsfähiger als die Großrechner zu Beginn der SPICE- Ära. Die ersten PSPICE- Versionen waren noch ausgesprochen benutzerunfreundlich, a- ber das Programm wurde Jahr für Jahr verbessert. Inzwischen ist PSPICE mit einem komfortablen Schaltplaneditor verknüpft worden, sowie dem Software- Oszilloskop PROBE zur Darstellung der Simulationsergebnisse auf dem Monitor. Nachdem PSPICE auch noch um die nötigen Zusätze für das Platinen-Layout ergänzt wurde, ist ein nahezu perfektes Werkzeug zur Entwurfsautomatisation entstanden, das unter einer gemeinsamen Benutzeroberfläche reibungslos arbeitet. Leider ist PSPICE ein amerikanisches Produkt, das zeigt sich bei den ausschließlich verwendeten US-Schaltzeichen für analoge und digitale Bauelemente. Die Firma MicroSim hat SPICE für den Einsatz auf dem PC präpariert und unter dem Namen PSPICE auf den Markt gebracht ist MicroSim eine Fusion mit OrCAD eingegangen wurde ORCAD von CADENCE DESIGN SYSTEMS übernommen. Seitdem ist OrCAD nur noch der Name einer Produktfamilie von CADENCE. Die kostenlose Testversion von OrCAD unterscheidet sich von der 20000,-DM teuren Vollversion nur in der Menge der zur Simulation verfügbaren Halbleitertypen, sowie im Umfang der simulationsfähigen Schaltungen. In der Testversion können Schaltungen mit maximal 50 Bauteilen, darunter bis zu 10 Transistoren und 3 Operationsverstärker, simuliert werden. Für die Ausbildung reicht das in fast allen Fällen aus. In PSPICE ist es möglich, durch zahlreiche in die Modelle eingebettete Parameter, wie z.b. Bauteiltoleranzen, die charakteristischen Eigenschaften eines Bauteils zu ändern, ohne dieses neu definieren zu müssen. Zusätzlich unterstützt PSPICE analoge und digitale Verhaltensmodellierung. So ist es möglich, das funktionale Verhalten 4

5 von Schaltungsblöcken durch mathematische Gleichungen und Funktionen zu beschreiben. Die Schaltungssimulation gestattet auf einfachste Art und Weise den funktionellen Test einer eingegebenen Schaltung, um z.b. Ausgangssignale auf verschiedene Eingangssignale zu erhalten, Capture ist das Hauptprogramm, durch den Start werden die folgenden Programmtools automatisch gestartet. Schematics, ist das Programmtool, welches für die graphische Eingabe des Schaltplanes verwendet wird. In diesem Tool wird die Schaltung für die Simulation vorbereitet. Die Bauteile aus der zu simulierenden Schaltung werden plaziert und wie gewünscht verdrahtet. Danach werden die Werte und sonstige Attribute der Bauteile den Modellen zugewiesen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Eingangssignale zu generieren. Danach muß der Anwender vorgeben, welche Analysen durchzuführen sind. An den Knoten, in denen die Spannungs- oder Stromverläufe zu überwachen sind, können sogenannte Marker gesetzt werden, die nach erfolgreicher Simulation in Probe angezeigt werden. Wenn die Simulation gestartet werden soll, muß PSPICE über folgende Punkte informiert sein: die Bauelemente in der Schaltung und wie sie verbunden sind (Netzliste), die zu den Bauteilen gehörenden Simulationsmodelle, welche Analyse durchgeführt werden soll, die Eingangssignale, mit denen die Schaltung getestet werden soll Nachdem PSPICE die Simulation durchgeführt hat, gibt Probe die Ergebnisse graphisch auf dem Bildschirm aus. Auf diese Weise kann das Verhalten der Schaltung visualisiert und die korrekte Funktion der Schaltung überprüft werden. Welche Daten auf dem Bildschirm darstellbar sind, hängt von der gewählten Analyse ab. 5

6 Analysearten OrCAD PSPICE bietet die Möglichkeit mehrerer verschiedener Analysearten, wie z.b. Fourieranalyse, Rauschanalyse, Arbeitspunktanalyse, Frequenzanalyse und einige mehr. Im folgenden beschreibe ich kurz die am häufigsten benötigten Analysearten, wie die Frequenz- (AC Sweep), Zeit- (Transient), Fourier- und Gleichspannungs- (DC Sweep) Analyse. Frequenzanalyse (AC- Sweep) Es wird das Verhalten einer Schaltung als Funktion der Frequenz berechnet. Nach erfolgter Berechnung stehen alle Spannungen und Ströme der Schaltung im betrachteten Frequenzbereich zur Verfügung und können graphisch dargestellt und ausgedruckt werden. Rauschanalyse (AC- Sweep) Bei der Rauschanalyse wird einer unabhängigen Quelle eine Rauschquelle hinzugefügt. Zeitanalyse (Transient Analysis) Bei der Zeitanalyse wird das Verhalten einer gegebenen Schaltung als Funktion der Zeit berechnet. Nach erfolgter Berechnung stehen alle Spannungen und Ströme der Schaltung im betrachteten Zeitbereich zur Verfügung. Vor einer Zeitanalyse wird der Arbeitspunkt der Schaltung berechnet. Wird dieser Parameter angewählt, so wird eine genaue Liste der Ergebnisse in eine Datei geschrieben. Wenn gewünscht, kann PSPICE die Berechnung des Arbeitspunktes (bias point calculation) überspringen und beginnt direkt mit der Analyse zur Zeit t =0. Fourier- Analyse PSPICE bietet auch die Möglichkeit einer Fourier- Analyse. Gleichstrom-Arbeitspunkt-Analyse (DC- Sweep) Diese Bezeichnung ist leicht irreführend. Mit dieser Analyseart lassen sich in erster Linie veränderbare Gleichspannungs- und Gleichstromquellen simulieren. Eine andere Möglichkeit ist die Änderung von Betriebstemperaturen oder Gleichstromquellen von Bauteilen, wie beispielweise des Transportsättigungsstromes I S eines Transistors. 6

7 Grundlagen Amplitudengang/ Frequenzgang Der Frequenzgang gibt das übertragene Frequenzband an. Untere und obere Grenzfrequenz entsprechen den Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung u 2 70% der maximalen Ausgangsspannung bei mittlerer Frequenz erreicht. Abbildung 1 Verstärker, Frequenzgang Die untere Grenzfrequenz ist meist von den Koppelgliedern abhängig. Z. B. der Eingangskondensator bildet mit dem Eingangswiderstand einen Hochpaß. Die obere Grenzfrequenz wird hauptsächlich durch die in der Schaltung vorhandenen querliegenden Schaltkapazitäten und durch die Kapazität der Bauelemente beeinflußt. Die sich auf Grund der Scheinwiderstände in der Schaltung ergebenen Phasenverschiebungen werden bei Verstärkern häufig in Abhängigkeit von der Frequenz angegeben. Tiefere Frequenzen z.b. die untere Grenzfrequenz weist + 45 Phasenverschiebung auf, während die obere Grenzfrequenz-45 Phasenverschiebung hat. Die unterschiedlich gute Übertragung einzelner Frequenzbereiche wird auch als lineare Verzerrung bezeichnet. (Benz, Bönsch, Rödler,1977: 227f) Bandbreite Im Zusammenhang mit einem Schwingkreis definiert man die Bandbreite als dasjenige Frequenzintervall, innerhalb dessen die auf das Maximum normierte Resonanzkurve größer oder gleich 1 ist. 2 7

8 Güte beim Schwingkreis Als Güte bezeichnet man das Verhältnis Resonanzfrequenz zur Bandbreite. Je schmaler die Resonanzkurve ist, desto höher ist also die Güte. Abbildung 2 Phasenverlauf I/I o in Abhängigkeit von a) ν und b) Ω Ortskurve Wird in einer Wechselstromschaltung ein Parameter, z.b. die Frequenz oder irgend ein Schaltelement, geändert, so ändert sich auch das Zeigerdiagramm. Eine Ortskurve ist nun diejenige Kurve, die die Lage der Endpunkte irgendeines Zeigers bei Änderung des Parameters beschreibt. Resonanzfrequenz Jedes schwingfähige System besitzt mindestens eine charakteristische Frequenz, die sog. Resonanzfrequenz, mit der es schwingt, wenn es eine gewisse Anfangsenergie hat und sich dann selbst überlassen bleibt. Ein System, das vor außen mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, zeigt besonders große Schwingungsamplituden, es befindet sich in Resonanz. Resonanzkurve Trägt man irgendeine Zustandsgröße eines schwingfähigen Systems, z. B. die Spannung am Kondensator eines Schwingkreises oder der maximalen Ausschlag eines Federpendels in Abhängigkeit von der Frequenz der anregender Größe konstanter Amplitude auf, so erhält man die sog. Resonanzkurve, die bei der Resonanzfrequenz entweder ein Maximum oder ein Minimum aufweist. (Pregla 1990:759ff) 8

9 Wie werden Schaltungen unter PSPICE erstellt? Zur Erstellung und Berechnung der Beispielschaltungen wird die Studentenversion von PSPICE mit dem Unterprogramm Capture Student verwendet. 1. Start Das Programm Capture Student wird über das Start Menü von Windows gestartet: Abbildung 3 Starten des Programms PSPICE Nachdem Capture Student gestartet wurde, erscheint der folgende Bildschirm: 9

10 Abbildung 4 Start- Bildschirm Capture Student 10

11 Reihenschwingkreis Als erstes Beispiel dient ein Reihenschwingkreis. Das Schaltbild enthält einen Widerstand Rs, der variabel ist. Dadurch ergeben sich Schwingkreise mit unterschiedlicher Güte. Die Analysen sollen a) für die Widerstände 0, 50 und 500 Ohm und b) für die Widerstandsreihe 0 bis 500 Ohm mit der Schrittweite 50 Ohm durchgeführt werden. Abbildung 5 Reihenschwingkreis Um den Reihenschwingkreis zu erstellen, muß ein neues Projekt erstellt werden, hierfür muß unter dem Hauptmenü File das Unterprogramm New gewählt werden. Es erscheint ein Auswahlmenü, in dem Project angeklickt werden muß: Abbildung 6 New Project Es erscheint ein Menüfenster, in das der Name des zu erstellenden Projektes sowie der Speicherort eingetragen werden muß. Um die erstellte Schaltung später auch zu berechnen, sollte wie im folgenden Bild zu sehen, Analog or Mixed A/D gewählt werden und das Ganze mit dem OK Feld bestätigt werden. 11

12 Abbildung 7 New Project Im darauf folgenden Bildschirm wird eingegeben, ob das neu entstehende Projekt auf einem bestehenden basieren soll oder ganz neu erstellt wird. Für unser Beispiel wählen wir Create a blank project und bestätigen es mit dem OK- Feld. Abbildung 8 Basis der Schaltung 12

13 2. Eingabe der Bauteile Durch Anklicken des New Part Feldes auf der Symbolleiste am linken Rand, wird das Dialogfenster Place Part geöffnet. In diesem Dialogfenster werden die Bauteile ausgewählt. Falls keine oder nicht alle Bauteile in der Part List erscheinen, müssen (weitere) Bauteilbibliotheken geladen werden. Abbildung 9 Place Part Hierfür muß das Feld Add Library angeklickt werden: Abbildung 10 Add Library 13

14 Es können dann die jeweiligen Bibliotheken nach einander geladen werden. Im Fenster Libraries werden die geladenen Bauteilbibliotheken angezeigt, im obigen Beispiel ist nur die Bibliothek ANALOG geladen. Abbildung 11 Place Part Wenn der Name oder der Anfangsbuchstabe bekannt ist, kann im Eingabefeld Part der Name eingetragen werden. Es besteht auch die Möglichkeit das gewünschte Teil in der Par List zu suchen und anzuklicken. Für unser Beispiel geben wir R für den Widerstand ein und klicken danach die Schaltfläche OK an. An der Stelle des Cursors befindet sich nun der Widerstand. Diesen an die gewünschte Stelle bewegen und durch Drücken der linken Maustaste plazieren. Danach den zweiten Widerstand durch ein weiteres Drücken der linken Maustaste plazieren. Der dritte Widerstand wird durch Drücken der rechten Maustaste und Anwahl des Menüpunktes Rotate, um 90 gedreht und wie gehabt plaziert. Wenn keine weiteren Widerstände plaziert werden sollen, wird der Vorgang durch Drücken der rechten Maustaste und Wahl des Menüpunktes End Mode beendet. Den Kondensator C und die Spule L -wie für den Widerstand R beschriebenim Dialogfenster Place Part auswählen und durch Drucken der linken Maustaste plazieren. 14

15 Als Spannungsquelle wird VSRC (Bauteilbibliothek source.slb) im Dialogfenster Place Part eingegeben und die Schaltfläche OK angeklickt. Durch Drücken der linken Maustaste wird die Spannungsquelle plaziert. Zuletzt müssen noch das Bauteil AGND wie die anderen Bauteile aufgerufen und plaziert werden. Die Bauteile können nun noch verschoben werden, um sie wie in Abbildung 5 anzuordnen. Durch Anklicken des zu verschiebenden Bauteils erhält dieses eine andere Farbe. Den Mauszeiger auf das so markierte Bauteil bewegen und die linke Maustaste gedrückt halten. Das Bauteil kann nun mit gedrückter Maustaste verschoben werden. Wenn das Bauteil die gewünschte Position hat, Maustaste loslassen. 3. Zeichnen der Leitungen zwischen den Bauteilen Nach Anklicken des Wire Feldes auf der Symbolleiste am linken Rand nimmt der Mauszeiger die Form eines Fadenkreuzes an. Nun kann eine Leitung gezogen werden. Hierzu bewegt man die Mitte des Kreuzes auf die Stelle, an der die Leitung beginnen soll. Durch Anklicken wird der Leitungsanfang festgelegt. Um ein Leitungsstück fertigzustellen, muß die linke Maustaste einmal gedrückt werden. Danach kann gleich das nächste Stück gezeichnet werden. Dadurch kann eine Leitung um 90 abgewinkelt werden. Das Zeichnen einer Leitung wird durch Klicken der rechten Maustaste und Wahl des Menüpunktes End Wire beendet. 4. Umbenennen der Bauteile Die Bauteile werden automatisch von Schematics in aufsteigender Reihenfolge (also R1, R2 usw.) bezeichnet. Diese Bezeichnungen können geändert werden, indem man die Bezeichnung doppelt anklickt. Daraufhin erscheint das Dialogfenster Display Properties. Hier kann die Bezeichnung im Feld Value eingegeben werden. 15

16 Abbildung 12 Display Properties Mit OK wird die Eingabe abgeschlossen. Auf diese Weise werden nacheinander die Bezeichnungen R1, R2 und R3 in Rv, Rs und Rm, L1 in Ls, Cl in Cs und Vi in V0 geändert. Diese Bezeichnungen können durch Anklicken an die gewünschte Stelle geschoben werden. Die Bezeichnung wird dann umrandet abgebildet. Wenn der Mauszeiger (Pfeil) auf die umrandete Bezeichnung zeigt, kann diese mit gedrückter linker Maustaste an die gewünschte Stelle verschoben werden. 5. Bauteilwerte ändern Zum Ändern der Bauteilwerte müssen diese doppelt angeklickt werden. Daraufhin erscheint das Dialogfenster Display Properties. Hier wird der gewünschte Wert für das Bauteil eingegeben. Durch Klicken auf die Schaltfläche OK wird die Eingabe abgeschlossen. Folgende Werte müssen für die Bauteile des Reihenschwingkreises eingegeben werden: Bauteil Eingabe im Eingabefeld Rv 5 Ohm Rin 10 Ohm Cs 5.2 nf Ls 10 mh Rs {Rwiderstand} Um den Wert der Spannungsquelle einzugeben, ist das Feld Vac bzw. Vdc doppelt anzuklicken. Es erscheint wieder das Dialogfenster Display Properties, in dem die Gleichspannungs- (Vdc) und Wechselspannungswerte (Vac) eingetragen werden können. Bei Vac wird 1Vac und bei Vdc 0Vdc eingetragen. Das Dialogfenster wird durch Klicken auf die Schaltfläche OK geschlossen. 16

17 6. Texte eingeben auf der Symbolleiste am linken Rand, er- Nach Anklicken des Place Text Feldes scheint folgendes Fenster: Abbildung 13 Place Text In der Eingabezeile Text den gewünschten Schriftzug eingeben. Nach Beenden der Eingabe (Klicken auf die Schaltfläche OK) muß der Text an der gewünschten Stelle plaziert werden. Hierzu wird der Rahmen, der anstelle des Mauszeigers erscheint, an die Stelle, an der der Text stehen soll, bewegt und die linke Maustaste angeklickt. Die Größe der Schrift (im Dialogfenster unter Font Change änderbar) kann bei 7 belassen werden, da dies der Größe der Bauteilbeschriftungen entspricht. 7. Vergabe von Alias für die Leitungen Den einzelnen Leitungen bzw. Knoten werden Bezeichnungen (alias) zugeordnet. In diesem Beispiel sind dies Zahlen in aufsteigender Reihenfolge, beginnend mit 0, die bereits der Leitung, an der der Massepunkt AGND angeschlossen ist, zugeordnet. Durch Anklicken des Place Alias auf der Symbolleiste am linken Rand, wird das Dialogfenster Place Net Alias geöffnet. In der Eingabezeile Alias ist die Bezeichnung (in diesem Beispiel 1 bis 5) einzugeben. Die Eingabe wird durch OK abgeschlossen. 17

18 Abbildung 14 Place Net Alias 8. Parameterfunktion auswählen Hierbei handelt es sich um ein definiertes Symbol, das durch Anklicken des New Part Feldes geöffnet werden kann. Das Symbol PARAM ist in der Bibliothek special.slb enthalten und wird wie in 2. beschrieben ausgewählt und plaziert. Danach ist das Symbol doppelt anzuklicken, um folgende Attribute einzugeben: NAME Rwiderstand VALUE 1fOhm Der Wert 0 Ohm für den variablen Widerstand führt zu Schwierigkeiten, deshalb wird der sehr kleine Wert 1 Femtoohm gewählt. Die Eingabe erfolgt durch Anklicken des Attributes und Eingabe bei Value. Das Dialogfenster wird durch Anklicken der Schaltfläche OK geschlossen. Die eingegebenen Attribute erscheinen unterhalb des Symbols PARAMETERS und können wie die Bezeichnungen der Bauteile verschoben werden. 9. Wahl der Analysearten Durch Anklicken des Hauptmenüpunktes PSPICE und dessen Untermenüpunkt New Simulation Profile wird das Dialogfenster Analysis Setup geöffnet. Es werden die gewünschten Analysearten aktiviert. Für das Beispiel des Reihenschwingkreises ist AC Sweep/Noise und Parametric Sweep zu aktivieren. 18

19 Abbildung 15 Setup Analyse Abbildung 16 Simulation Settings Analyseart AC Sweep (Wechselstrom- Kleinsignalanalyse) Durch Anklicken von AC Sweep erscheint das Dialogfenster AC Sweep Type. Bei AC Sweep Type wird Linear gewählt. Die ausgewählte Option Linear wird durch einen schwarzen Punkt im Kreis markiert. Danach sind noch die Parameter für die Wechselstrom- Kleinsignalanalyse bei Sweep Parameters einzugeben: 19

20 Messung a) Start Frequency: 10k End Frequency: 100k Total Pts.: Messung b) Start Frequency: 10k End Frequency: 100k Total Pts.: 2000 Die Eingabe wird durch Anklicken der Schaltfläche OK abgeschlossen. Analyseart Parametric (Parameter-Analyse) Durch Anklicken von Parametric Sweep erscheint das Dialogfenster Parametric. Bei Sweep Var. Type die Option Global Parameter und bei Sweep Type die Option Value List durch Anklicken wählen. Bei Name ist Rwiderstand einzugeben. In der Rubrik Sweep type muß für Messung a) die Value List aktiviert und 1f eingetragen werden. Für Messung b) wird Linear aktiviert und folgendes eingegeben: Start Value: 1f End Value: 500k Increments: 50 ( 0 Ohm wird vom Programm nicht akzeptiert, daher ist 1fOhm einzugeben). Der Wert 0 Ohm führt zu Schwierigkeiten. Die Eingabe wird durch Anklicken der Schaltfläche OK abgeschlossen. 20

21 Abbildung 17 Simulation Settings Parametric Sweep 10. Speichern der Schaltung Durch Wahl des Hauptmenüpunktes File und dessen Untermenüpunkt Save wird die Schaltung gespeichert. Hierzu bei Dateiname: AC sweep eingeben und die Schaltfläche OK anklicken. 11. Starten der Simulation Durch Anklicken des Hauptmenüpunktes PSPICE und dessen Untermenüpunkt Run wird die Simulation gestartet. Das Programm Probe wird automatisch nach der Simulation gestartet und die Datei AC sweep-schematic1-ac sweep.dat mit den Simulationsergebnissen geladen. Die verschiedenen Dateien, die von PSPICE bei der Simulation erzeugt werden, sehen für den Reihenschwingkreis wie folgt aus: 21

22 AC SWEEP-SCHEMATIC1.NET * source AC SWEEP R_Rv N00113 N V_V2 N DC 0Vdc AC 1Vac L_Ls N00383 N mH R_Rs N00386 N00389 {Rwiderstand} R_Rm 0 N C_Cs N00389 N n.PARAM Rwiderstand=1f AC SWEEP-SCHEMATIC1.ALS.ALIASES R_Rv Rv(1=N =N00383 ) V_V2 V2(+=N =0 ) L_Ls Ls(1=N =N00386 ) R_Rs Rs(1=N =N00389 ) R_Rm Rm(1=0 2=N00392 ) C_Cs Cs(1=N =N00392 ).ENDALIASES 22

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24 Graphisch Darstellung der Ergebnisse Messung a) Resonanzkurve Nach der Simulation erscheint das Dialogfenster Available Selections, in dem die Datensätze ausgewählt werden können, die für die weiteren Darstellungen verwendet werden sollen. Für den Reihenschwingkreis sollen alle Datensätze (alle drei Widerstandswerte) verwendet werden. Abbildung 18 Available Selections Zur graphischen Darstellung der Ströme durch den Widerstand Rm in Abhängigkeit des Widerstandes Rs (Schwingkreisgüte) müssen die entsprechenden Kurven ausgewählt werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Abbildung 19 Trace 24

25 Im folgenden Bildschirm kann nun I(Rm) eingeben oder durch Anklicken auswählt werden. Durch Anklicken der Schaltfläche OK wird das Dialogfenster Add Traces geschlossen. Abbildung 20 Add Traces Es erscheint folgende graphische Darstellung (Abbildung 22), in der die Maxima der Kurven bestimmt werden müssen. 1. Eine Kurve durch Anklicken des zugehörigen Symbols in der linken Ecke anwählen. 2. Das Toggle Cursor Symbol anklicken. 3. Nun das Symbol Maximum Value anwählen. 4. Der Wert A1 stellt den Maximalwert der gewählten Kurve dar. 5. Die nächste Kurve anwählen und A1 zeigt diesen Maximalwert. Für den Reihenschwingkreis wurden folgende Maximalwerte gemessen: Kurve Rs Y-Wert (Maximum) 1 0 Ohm 66,666 ma 2 50 Ohm 15,385 ma Ohm 1,9418 ma 25

26 6. I(Rm) unterhalb des Plotfensters anklicken. 7. Mit der Entf-Taste oder durch Anwahl des Untermenüpunktes Delete All Traces (Hauptmenü Trace) werden die Kurven wieder gelöscht. 8. Die Y- Achse doppelt anklicken. Im Dialogfenster Y Axis Settings die Option User Defined bei Data Range anklicken, 0 bis 1.1 eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Abbildung 21 Skalierung Y- Achse 9. Um die normierte Ausgabe der Ströme durch den Widerstand Rm in Abhängigkeit des Widerstandes Rs (Resonanzkurve) darzustellen, muß der Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace ausgewählt werden. I(Rm) des jeweiligen Widerstandes muß durch den maximalen Wert geteilt werden. Im Menü Add Traces muß dies folgendermaßen eingegeben werden: I(Rm)@1/66.666mA I(Rm)@2/15.385mA I(Rm)@3/ mA Das Ganze mit dem OK Feld bestätigen. 10. Das Text Label Symbol anklicken. Im Dialogfenster Text Label nacheinander Rs = 0 Ohm, Rs = 50 Ohm und Rs = 500 Ohm eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Den Text jeweils an die entsprechende Kurve bewegen und die linke Maustaste drücken. 26

27 11. Im Hauptmenü Window und dessen Untermenü Title kann der Name der Graphik geändert werden. Im Dialogfenster Modify Window Title den gewünschten Titel für die Grafik eingeben und Schaltfläche OK anklicken. 12. Es entsteht Abbildung Zum Drucken der Graphik das Drucker Symbol anklicken. 27

28 Abbildung 22 28

29 Abbildung 23 29

30 Phasenverlauf Nach der Simulation erscheint das Dialogfenster Available Selections, in dem die Datensätze ausgewählt werden können, die für die weiteren Darstellungen verwendet werden sollen. Für den Reihenschwingkreis sollen alle Datensätze verwendet werden. Zur graphischen Darstellung des Phasenverlaufes muß wie folgt vorgegangen werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Im Dialogfenster Add Traces P(I(Rm))+180 eingeben. Die Funktion P() befindet sich im rechten Teil des Fensters.( +180 verschiebt die Phasenkurve um 180 in einen positiven Bereich) und Schaltfläche OK anklicken. Abbildung 24 Funktion Phase Zur besseren Darstellung die Skalierung der X- Achse ändern. Im Dialogfenster X Axis Settings (Doppelklick auf die Achse) die Option User Defined bei Data Range anklicken, 10kHz bis 100kHz eingeben, und unter Scale log anwählen. Das Ganze mit der Schaltfläche OK beenden. Zum Beschriften der Graphik das Text Label Symbol anklicken. Im Dialogfenster Text Label nacheinander Rs = 0 Ohm, Rs = 50 Ohm und Rs = 500 Ohm eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Den Text jeweils an die entsprechende Kurve bewegen und die linke Maustaste drücken. 30

31 Den gewünschten Titel im Dialogfenster Modify Window Title (im Hauptmenü Window und dessen Untermenü Title) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht Abbildung 25. Die Graphik wird über das Anklicken des Druckersymbols gedruckt. Amplitudengang Nach der Simulation erscheint das Dialogfenster Available Selections, in dem die Datensätze ausgewählt werden können, de für die weiteren Darstellungen verwendet werden sollen. Für den Reihenschwingkreis sollen alle Datensätze verwendet werden. Zur graphischen Darstellung des Phasenverlaufes muß wie folgt vorgegangen werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Im Dialogfenster Add Traces, log(i(rm)) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Zur besseren Darstellung die Skalierung der X- Achse ändern. Im Dialogfenster X Axis Settings (Doppelklick auf die Achse) die Option User Defined bei Data Range anklicken, 10KHz bis 40KHz eingeben, und für die Y- Achse -2 bis -8. Das Ganze mit der Schaltfläche OK beenden. Zum Beschriften der Graphik das Text Label Symbol anklicken. Im Dialogfenster Text Label nacheinander Rs = 0 Ohm, Rs = 50 Ohm und Rs = 500 Ohm eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Den Text jeweils an die gewünschte Stelle bewegen und die linke Maustaste drücken. Den gewünschten Titel im Dialogfenster Modify Window Title (im Hauptmenü Window und dessen Untermenü Title) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht Abbildung 26. Die Graphik wird über das Anklicken des Druckersymbols gedruckt. 31

32 Abbildung 25 32

33 Abbildung 26 33

34 Ortskurve Nach der Simulation erscheint das Dialogfenster Available Selections, in dem die Datensätze ausgewählt werden können, de für die weiteren Darstellungen verwendet werden sollen. Für den Reihenschwingkreis soll nur der Datensätze mit Rs = 0 Ohm verwendet werden. Abbildung 27 Available Selections Zur graphischen Darstellung der Ortskurve müssen die entsprechenden Kurven ausgewählt werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Abbildung 28 Trace Im folgenden Bildschirm muß aus dem rechten Teil die Funktion Img() ausgewählt werden. In die Klammern wird die Funktion V(2,3) eingetragen. Durch Anklicken der Schaltfläche OK wird das Dialogfenster Add Traces geschlossen. 34

35 Abbildung 29 Add Traces Um die Skalierung der X- Achse zu ändern, muß diese doppelt angeklickt werden. Im Dialogfenster X Axis Settings bei Scale die Option Linear anklicken. Der Punkt im Kreis markiert die aktive Option und die Schaltfläche Axis Variable anklicken. Im Dialogfenster X Axis Variable (sieht wie das Add Traces (Abbildung 29) aus) muß die Funktion R() auf der rechten Seite ausgewählt werden. In die Klammern wird die Funktion V(2,3) eingetragen V(2,3). Zum Beenden die Schaltfläche OK anklicken. Im Dialogfenster X Axis Settings die Option User Defined bei Data Range wählen und -90V bis 90V eingeben und die Schaltfläche OK anklicken. Im Dialogfenster Y Axis Settings die Option User Defined anklicken und -5V bis 100V eingeben und die Schaltfläche OK anklicken. Den gewünschten Titel im Dialogfenster Modify Window Title (im Hauptmenü Window und dessen Untermenü Title) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht Abbildung 30. Die Graphik wird über das Anklicken des Druckersymbols gedruckt. 35

36 Abbildung 30 36

37 Messung b) Resonanzkurven Nachdem Start der Simulation führt der Rechner die gewünschte Analyse durch. Nach Beenden der Berechnungen erscheint das Dialogfenster Available Sections. In diesem Fenster die Option All wählen und danach OK anklicken. Durch Doppelklicken der X Axis werden die Settings geändert. Im Dialogfenster X Axis Settings die Option User Defined bei Data Range anklicken und l0khz bis 30KHz eingeben. Danach Schaltfläche OK anklicken. Zur graphischen Darstellung der Ströme durch den Widerstand Rm müssen die entsprechenden Kurven ausgewählt werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Im Dialogfenster Add Traces I(Rm)@1 I(Rm)@2 eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Zur besseren Darstellung muß für die restlichen Kurven die Skalierung der Y- Achse verändert werden. Hierfür wird eine zweite Y-Achse eingefügt. Im Plot Hauptmenü wird das Untermenü Add Y- Axis angewählt. Abbildung 31 Add Y- Axis Im Dialogfenster Add Traces werden nun die restlichen Kurven ausgewählt: I(Rm)@3 I(Rm)@4 I(Rm)@5 I(Rm)@6 1(Rm)@7 I(Rm)@8 I(Rm)@9 I(Rm)@10 I(Rm)@11 und mit der Schaltfläche OK bestätigt. Es erscheint Abbildung 32: 37

38 Abbildung 32 38

39 Performance Analyse Maximum und Bandbreite Nach der Simulation erscheint das Dialogfenster Available Selections, in dem die Datensätze ausgewählt werden können, die für die weiteren Darstellungen verwendet werden sollen. Für den Reihenschwingkreis sollen alle Datensätze verwendet werden. Zur graphischen Darstellung des Maximums und der Bandbreite muß wie folgt vorgegangen werden. Das Auswahlmenü befindet sich unter dem Hauptmenüpunkt Trace und dessen Untermenüpunkt Add Trace. Im Dialogfenster Add Traces, Max(I(Rm)) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Mit dem Unterpunkt Add Plot im Hauptmenü Plot wird ein weiteres Achsenkreuz hinzugefügt: Abbildung 33 Add Plot Im Dialogfenster Add Traces Bandwidth (I(Rm),3) (Die 3 steht für Bandbreite 3dB.) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht die folgende Abbildung (Abbildung 34) 39

40 Abbildung 34 40

41 Differenzverstärkerschaltung Abbildung 35 Differenzverstärker Erstellen der Schaltung Um die oben dargestellte Differenzverstärkerschaltung zu erstellen, ist wie unter Punkt 1 bis 7 des Reihenschwingkreises zu verfahren. Die Transistoren werden ebenfalls im Dialogfenster Place Part ausgewählt. Hierzu werden NPN- Bipolar- Transistor 2N3904 benötigt. Als Spannungsquellen werden zwei unabhängige Spannungsquellen VSRC und eine unabhängige Spannungsquelle mit stückweise linearem Verlauf VPWL aus der Bibliothek benötigt. Die Bezeichnungen R1, R2, R3, R4 und R5 sollen in RS1, RS2, RC1, RC2 und RiO, sowie C1 in CL und V1 und V2 in VB1 und VB2 sowie V3 in VEIN (VPWL) abgeändert werden. Folgende Werte müssen für die Bauteile der Differenzverstärker-Schaltung eingegeben werden: Bauteil Eingabe im Eingabefeld RC1 10kOhm RC2 10kOhm RS1 1kOhm RS2 1kOhm RiO 20kOhm CL 10pF 41

42 Bei den drei Spannungsquellen müssen folgende Attribute eingegeben werden: Spannungsquelle VB1 (VRSC): Bei DC 12V eingeben. Spannungsquelle VB2 (VRSC): Bei DC -12V eingeben. Spannungsquelle VEIN (VPWL): AC 1V t1 0 Vi 0 t2 1NS V2 0.1V t3 500NS V3 0.1V t4 501NS V4 0V Punkt 8 entfällt für diese Schaltung. Die Analysearten werden wie unter 9. beschrieben ausgewählt. Für das Beispiel des Differenzverstärkers ist DC Sweep, AC Sweep und Transient zu aktivieren. Für diese Analysearten sind folgende Einstellungen vorzunehmen: Analyseart DC Sweep (Gleichstromanalyse) Durch Anklicken von DC Sweep erscheint das Dialogfenster DC Sweep. Als Sweep Var Type wird die Option Voltage Source durch Anklicken ausgewählt. Bei Sweep Type wird die Option Linear angeklickt. Die beiden ausgewählten Optionen werden durch einen schwarzen Punkt im Kreis markiert. Name VEIN Start Value -0.1V End Value 0.1V Increment V Die Eingabe wird durch Anklicken der Schaltfläche OK abgeschlossen. Analyseart AC Sweep (Wechselstrom-Kleinsignalanalyse) Durch Anklicken von AC Sweep erscheint das Dialogfenster AC Sweep and Noise Analysis. Bei AC Sweep Type wird Decade durch Anklicken ausgewählt. Danach 42

43 sind noch die Parameter für die Wechselstrom Kleinsignalanalyse bei Sweep Parameter einzugeben: Start Frequency.: 1KHz End Frequency: 1GHz Pts/Decade: 1000 Die Eingabe wird durch Anklicken der Schaltfläche OK abgeschlossen. Analyseart Transient (Zeitanalyse) Durch Anklicken von Transient erscheint das Dialogfenster Transient. Bei Transient Analysis müssen folgende Parameter eingegeben werden: Run to Time: 3000ns In den Output file options ist folgendes einzutragen: Print values in the output file every 1n seconds. Die Eingabe wird durch Anklicken der Schaltfläche OK abgeschlossen. Speichern der Schaltung Die Schaltung wird wie unter 10. beschrieben gespeichert. Starten der Simulation Die Simulation wird über das Untermenü Run im Hauptmenü PSPICE (s. Punkt 11) gestartet. 43

44 Graphische Darstellung der Ergebnisse Darstellung der Kollektor- Emitterspannungen V(4) und V(5) DC- Sweep- Gleichstromanalyse Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs PSPICE DC Sweep gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces des Hauptmenüs Trace V(4) V(5) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Im Dialogfenster Y Axis Settings (Doppelklick auf die Y- Achse) die Option User Defined bei Data Range anklicken und -1V bis 12V eingeben. Danach Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht die Abbildung 36. AC- Sweep- Wechselstrom- Kleinsignalanalyse Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs PSPICE AC Sweep/ Noise gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces des Hauptmenüs Trace V(4) V(5) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht die Abbildung 37. Frequenzgang Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs PSPICE AC Sweep/ Noise gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces des Hauptmenüs Trace DB(V(4)) DB(V(5)) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Es entsteht die Abbildung 38. Time Domain (Transient)- Zeitanalyse Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs Time Domain (Transient) gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces V(2) V(3) eingeben und die Schaltfläche OK angeklickt. Die Skalierung der Y- Achse sollte auf den Bereich 20mV bis 100mV begrenzt werden. Um das Zeitverhalten der Spannung V(1) zu zeigen, wird ein zweites Achsenkreuz eingefügt. Die Skalierung der Y- Achse wird auf den Bereich 10mV bis 110mV begrenzt. Das Zeitverhalten der Spannungen ist in Abbildung 39 dargestellt. 44

45 Abbildung 36 45

46 Abbildung 37 46

47 Abbildung 38 47

48 Abbildung 39 48

49 FFT- Schnelle Fouriertransformation Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs Time Domain (Transient) gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces V(1) eingeben und die Schaltfläche OK angeklicken. Im Dialogfenster X Axis Settings bei Processing Options Fourier anklicken. Das Kästchen muß danach ein Kreuz enthalten. Durch Anklicken der Schaltfläche OK wird das Dialogfenster verlassen und die FFT durchgeführt. Abbildung 40 Processing Options Abbildung 41 stellt die FFT der Spannung V(1) dar. 49

50 Abbildung 41 50

51 Bestimmung der 3 db- Frequenz Bevor die Simulation gestartet wird, muß im Untermenü Edit Simulation Profile des Hauptmenüs PSPICE AC Sweep/ Noise gewählt werden, um diese Analyse durchzuführen. Im Untermenü Add Traces des Hauptmenüs Trace DB(V(4)) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Die Skalierung der Y- Achse sollte auf den Bereich 25 bis 41 begrenzt werden. Das Toggle Cursor Symbol anklicken. Die beiden Cursor werden eingeblendet. Cursor A2 muß durch Anklicken des Kurvensymbols am unteren Rand des Plots mit der rechten Maustaste aktiviert werden. Um die 3 db Frequenz zu finden, muß der Cursor Search Command gewählt werden. Im Dialogfenster Search Command sf le (max-3) eingeben und Schaltfläche OK anklicken. Der Cursor A2 springt dann zur 3dB-Frequenz. Abbildung 42 Search Command Bei meinem Drucker und diesem Programm werden die Cursorstellungen nicht mit ausgedruckt, daher habe ich die 3 db- Frequenz auf der Abbildung 43 markiert. Und beschriftet. 51

52 Abbildung 43 52

53 Literaturverzeichnis Pregla, Reinhold 1990, Grundlagen der Elektrotechnik Teil II, Dr. Alfed Hüthig Verlag GmbH Heidelberg Benz, Bönsch, Rödler, Till, 1977, Fachkunde Nachrichtentechnik, Kohl + Noltemeyer Verlag GmbH Dossenheim/ Heidelberg Grimsehl, 1980, Lehrbuch der Physik, Band 2 Elektrizitätslehre, BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig Jansen, Rötter, 1990, Telekommunikationstechnik- Fachbildung, Verlag Europa- Lehrmittel, Haan- Gruiten Duyan, Hahnloser, Traeger, 1996, PSPICE für Windows, Teubner Studienskripten Stuttgart 53