Schaltungssimulation mit OrCad PSpice 9.1

Transkript

1 Schaltungssimulation mit OrCad PSpice / 20

2 Inhaltsangabe 1. Einführung Was ist PSpice Funktion und Aufbau von PSpice Student Schaltungssimulation mit PSpice Einrichten des Projekts RC- Tiefpass Schaltung zeichnen mit Capture Aufruf, Platzierung, Drehen, Spiegeln und Löschen von Bauteilen Verdrahtung Ändern der Bauteilwerte Einstellungen der Spannungsquelle für die Transientenanalyse Einrichten eines Simulationsprofils Simulationstypen von PSpice Transientenanalyse eines RC- Tiefpass an einer Rechteckspannung Sweepen des Frequenzgangs eines RC- Tiefpasses an einer 12 Sinusspannung 3. Einrichten und Simulation des Projects Reihenresonanzschwingkreis RLC Schaltung zeichnen mit Capture Arbeiten mit Parametern Sweepen des Frequenzganges Einrichten und Simulation des Projekts Kleinsignalverstärker Arbeiten mir Libraries Transientenanalyse Shortcuts Quellen 20 2 / 20

3 1. Einführung 1.1 Was ist PSpice PSpice ist eine Weiterentwicklung des legendären Simulationsprogramms SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphaisis Simulationsprogramm für Integrierte Schalplaneingabe), das an der Universität Berkley in den 70er Jahren entwickelt wurde. Damals revolutionierte SPICE die professionelle Schaltungsentwicklung, da es möglich war mit enormer Präzision das Verhalten von elektrischen Schaltungen zu simulieren. Dadurch konnten Entwicklungskosten- und zeiten für den Schaltungsentwurf enorm reduziert werden. Damals lief SPICE nur auf superteuren Großrechnern und konnte nur in der Industrie genutzt werden. Seit den letzten 10 Jahren sind die PCs genauso leistungsfähig und um sogar um weiten besser als die Großrechner der damaligen Zeit geworden. Für den professionellen und auch den consumer Bereich hat die Firma Microsim SPICE unter dem Namen PSpice auf den Markt gebracht. Das Unternehmen Microsim fusionierte 1998 mit OrCAD und wurde ein Jahr später von CADENCE DESIGN SYSTEM übernommen. Seitdem ist PSpice eine Produktfamilie von CADENCE. Für die Ausbildung von Elektronikern an Universitäten und Berufsschulen kann PSpice als kostenlose Testversion genutzt werden. Die Vollversion, die im professionellen Business Bereich genutzt wird, muss für pro Einzelplatzlizenz erworben werden und unterscheidet sich im Umfang unwesentlich von der Testversion. Die Demoversion besitzt somit volle Funktionalität der Vollversion, ist aber in ihrer Quantität eingeschränkt. Einschränkungen der Demoversion: - max. 64 Knoten - max. 10 Transistoren - max. 2 Operationsverstärker - max digitale Übergänge - max. 1 DINA4-Seite - max. 30 Bauteile pro Seite PSpice ist aber bis heute ein orignäres US-Produkt, da ausschließlich US-Schaltzeichen verwendet werden. Auch die Auswahl der Transistor und Dioden ist nicht dem europäischen Markt angepasst. Für europäische Bauelemente müssen deswegen Bibliotheken gesucht und eingebunden werden. 3 / 20

4 1.2 Aufbau von PSpice Mit dem Programm PSpice können analoge, digitale und gemischte Schaltungen simuliert werden, wobei der Schwerpunkt auf der analogen Simulation liegt. Dazu besteht das PSpice Programmpaket aus mehreren Einzelprogrammen die um das Herz des SPICE Algorithmus herum die grafische Eingabe bzw. Ausgabe erweitern. Schaltplaneingabe Capture Schematics Schaltungssimulation Spice Auswertung PROBE Für den Bau der Schaltungen besitzt PSpice zwei Schaltplaneditoren mit den Namen Capture und Schematics. Die Schalplansimulation an sich wird durch das Hirn den SPICE Algorithmus an sich durchgeführt. Zur Auswertung und grafischen Aufarbeitung wird das Software Oszilloskop (PROBE) benutzt. Hiermit können die Simulationsergebnisse wie Spannungs- oder Stromverläufe, Frequenzgänge und Spektren grafisch dargestellt werden. Weiterhin beinhaltet das PSpice Paket noch ein Programm um Signalquellen (Stimulus Editor) zu erstellen und einen Bauteileditor (Model Editor) um eigene Bauteile zu designen. 4 / 20

5 2. Schaltungssimulation mit PSpice 2.1 Einrichten des Projektes RC Tiefpass Schaltung zeichnen mit Capture In den folgenden Abschnitten wird erläutert wie man mit dem Schaltplaneditor Capture unter PSpice Schaltungen erstellt und simuliert. Nach der Installation befinden sich unter Start/Programme/PSpice Student die installierten PSpice Komponenten. Über die Komponente Capture Student startet man den Editor. Nachdem der Capture-Bildschirm aufgebaut wurde, kann man über File New Project ein neues Projekt anlegen. Hier muss man dann als erstes den Namen des Projekts eingeben. Da das erste Projekt ein einfacher RC -Tiefpass werden soll, sollte man auch sinnvoll wählen, wie zum Beispiel TP01. Als Schaltungstyp verwendet man den Analog or Mixed Signal Wizard. Danach kann man den lokalen Pfad auf dem Rechner wählen auf dem das Projekt ablegen möchte. Hierbei gibt es die Möglichkeit entweder die exakte oder vollständige Pfadangabe für die Projektdatei anzugeben. Tip: Es ist zu empfehlen das man für jedes Projekt einen eigenen lokalen Ordner, in einem sinnvoll gewählten Pfad für die Beispiele, erstellt. 5 / 20

6 Nach diesem Fenster öffnet sich dann ein Fenster, in welchem man weitere Eigenschaften des Projekts festlegen kann. Für ein neues Projekt, bei welchem noch keine Profile (z.b. Simulationsprofile, hinzugefügte Bibliotheken) vorhanden sein sollen, wählt man hier Create a blank project. Der Aufbau des Arbeitsbereiches gliedert sich in vier Teile. Der erste Tei ist eine umfangreiche Menüleiste die im weiteren Verlauf dieses Handouts weiter erläutert wird. Die weiteren Bereich sind das Sitzungs-Logbuch (Session Log), der Datei- Strukturbaum der die gesamte Projektorganisation zeigt und die Zeichenfläche (Page 1) für die zu entwerfende Schaltung Aufruf, Platzierung, Drehen, Spiegeln und Löschen von Bauteilen Das platzieren der Bauelemente kann auf drei Wegen geschehen. Über das Pulldown- Menü Place Part, über das Symbol in der Werkzeugleiste oder wenn man die Bezeichnung des Bauteils weis, über die Eingabe der Bezeichnung in das mittlere Pulldown-Menü in der Menüleiste. 6 / 20

7 Hier kann man Bauteile aus den Libraries unten links auswählen. Wenn die Standard Libraries noch nicht vorhanden sind, kann man diese über add Library hinzufügen. Aus der Library ANALOG wähle wir den Widerstand und den Kondensator aus. Diese werden dann auf der Zeichenfläche platziert. Mit der ESCAPE -Taste oder der rechten Maustaste und anschließendem Klick auf END MODE kann das Plazieren beendet werden. Wenn das Bauelement rot markiert ist, kann man es verschieben, drehen, spiegeln oder löschen. Fürs drehen, löschen usw. kann man auch die Shortcuts wie Strg+R (drehen) und Entf (löschen) benutzen. Weitere Shortcuts findet man in der Hilfe (F1). Als weiteres brauchen wir für den RC Tiefpass eine Spannungsquelle. Diese sollte im ersten Projekt eine Rechteckspannung sein. Dafür wählt man die Spannungsquelle VPULSE aus der SOURCE Library aus. An jedem PSpice Schalkreis muss eine Masse (0/SOURCE) platziert werden. Diese findet man auch unter der Library SOURCE und kann diese über das Symbol aus der Werkzeugleiste platzieren Verdrahtung Über den Button oder Place Wire kann man Verbindungen zwischen den Anschlüssen der Bauelemente ziehen. Beenden kann man das Verdrahten wieder standardgemäß über ESCAPE oder rechte Maus Taste End Wire. Danach müsste der Schaltkreis wie der Abgebildete aussehen Ändern der Bauteilwerte Die Bauteile können durch doppelklicken auf die Bauteilewert oder die markierten Bauteile geändert werden. Dann öffnet sich ein Property-Window und man kann die beliebigen Werte eintragen. Der Widerstands soll einen Wert von 100kΩ und der Kondensator 10nF haben. Die Einheit besteht aus einem Multiplikator und einem Einheitensymbol, welches eigentlich nicht eingegeben werden muss. Die Tabelle der Eingabeformate der Multiplikatoren ist hier abgebildet. 7 / 20

8 meg MEG 10 6 k K 10 3 m Milli 10-3 u Mikro 10-6 n Nano 10-9 p Piko TU - Berlin Einstellungen der Spannungsquelle für die Transientenanalyse Um die Spannungsquelle VPulse zu konfigurieren öffnet man mit einem Doppelklick auf das Symbol das Property-Window. o Periodendauer PER = 10ms o Pulsbreite PW = 5ms o Delay TD = 0 o Abfallzeit TF = 1us o Anstiegszeit TR = 1us o Maximalamplitude V2 = 1V o Minimalamplitude V1 = 0V 2.2 Einrichten eines Simulationsprofils Simulationstypen von PSpice Die Wahl einer geeigneten Analyseart sowie die Auswahl und Einstellung der entsprechenden Quellen sind die wichtigsten Schritte einer Simulation. Es gibt im Wesentlichen drei Standard-Analysearten. Transientenanalyse (Time Domain) Transient: Die Transientenanalyse ist sehr leicht zu verstehen: Beginnend bei t = 0 werden alle Spannungen und Ströme als Funktion der Zeit bis zu einem bestimmten Endzeitpunkt berechnet. Alle Nichtlinearitäten, Kapazitäten und Induktivitäten werden dabei berücksichtigt. Da die Schrittweite den Schaltzeiten der Schaltung angepasst werden muss, benötigt diese Analyseart unter Umständen sehr viel Rechenzeit und produziert sehr große Datenmengen. Außer bei Oszillatorschaltungen benötigt eine Transientenanalyse immer mindestens eine Signalquelle, die einen bestimmten Zeitverlauf vorgibt. Dieser Zeitverlauf wird durch das Quellensymbol und die Attribute des jeweiligen Symbols bestimmt. Die Attribute DC = und AC = dieser Quellen haben bei der Transientenanalyse keine Funktion und brauchen nicht eingestellt zu werden. 8 / 20

9 DC-Sweep: Beim DC-Sweep wird ein Parameter der Schaltung schrittweise verändert. Für jeden Wert des Parameters werden alle Spannungen und Ströme für t berechnet. Dies bedeutet, dass alle Kapazitäten durch Unterbrechungen und alle Induktivitäten durch Kurzschlüsse ersetzt werden. Nichtlinearitäten werden berücksichtigt. Die Hauptanwendung dieser Analyseart ist die Simulation von quasistatischen Kennlinien. Quasistatisch bedeutet, dass die simulierte Kennlinie nur dann mit der Realität übereinstimmt, wenn die Variation des Parameters (z.b. der Widerstand eines Potentiometers) in der Realität so langsam erfolgt, dass die Kapazitäten und Induktivitäten auch in der Realität keine Rolle spielen. AC-Sweep: Der AC-Sweep ist die am schwierigsten zu verstehende, jedoch von der Rechenzeit her die schnellste Analyseart. Sie besitzt vor allem bei der Simulation von Verstärker- und Filterschaltungen eine große Bedeutung. Bei der AC-Analyse wird die Schaltung mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung untersucht. Die Frequenz der Schaltung wird beim AC-Sweep schrittweise zwischen den eingestellten Grenzen durchvariiert. Für jeden Frequenzwert werden die Amplituden und Phasen aller Spannungen und Ströme berechnet. Bias-Point: Die Bias-Point Analyse wird vor der eigentlichen Simulation von Schaltungen eingesetzt, um z.b. Arbeitspunkte zu ermitteln Transientenanalyse eines RC- Tiefpass an einer Rechteckspannung Wir wollen eine Transientenanalyse durchführen, um die Eingangs- und Ausgangsspannungen miteinander zu vergleichen. Über den Button muss als erstes ein neues Simulationsprofil angelegt werden. Im Fenster Simualtions settings stellt man als Analyse Typ die Time Domain (Transient) Analyse ein und stellt die Run to time ein. In diesem Beispiel wurde die Zeit auf 30ms eingestellt. Wenn man die Ausgabe verfeinern möchte kann man die Maximum step size (je kleiner die MSS, um so besser die Ausgabe, aber um so größer die Ausgabedatei) auf z.b. 100us einstellen. 9 / 20

10 Bevor die Simulation gestartet wird, kann man jeweils den Eingang und den Ausgang der Schaltung mit einem Spannungsmesser markieren. Dafür kann man über den Button Spannungsmarker platzieren. Spannungsmarker können überall platziert werden, Strommarker müssen direkt an den Bauteilen anliegen. Um die Simulation zu starten kann man den Button drücken. Als Ausgabe müsste die Rechteckspannung des Eingangs und die Ausgangsspannung in einem Diagramm zu sehen sein. 10 / 20

11 Die Ausgabe einzelner Werte kann auch in verschiedenen Diagrammen dargestellt werden. Dafür geht man über das Menü PLOT Add plot to Window. Dadurch erscheint ein neues Diagramm in welches man über den Button add Trace neue Werte aus dem gebauten Schaltkreis einfügen kann. Dort wählt z.b. die Spannung an V(R1:2) aus und löscht diese aus dem unteren Diagramm. Über den Button SEL kann man die Achseneinteilung und weitere Einstellung des Koordinatensystems verändern. In der Eingabezeile von in Add Trace kann man durch Eingabe von Formeln, zusätzlich Verläufe darstellen lassen (z.b. eine P tot Hyperbel oder Differenzspannungen usw.). 11 / 20

12 2.2.3 Sweepen des Frequenzgangs eines RC- Tiefpasses an einer Sinusspannung Die Spannungsquelle VPulse ersetzen wir durch Sinusquelle VSIN, die auch in der SOURCE Bibliothek zu finden ist. Über Doppelklick auf das Bauelement ändern wir die Vorgaben. o Dämpfungsfaktor DF = 0 o Frequenz FREQ = 10Hz o Phasenlage PHASE = 0 o Delay TD = 0 o Maximalamplitude VAMPL = 1V o Offsetspannung VOFF = 0V Dabei kann man im Property-Window im Pulldown-Menü Filter by diesen auf PSPICE stellen. Die AC-Amplitude von 1 V und einen DC-Anteil von 0 V vor. Für eine Dauerschwingung muss der Dämpfungsfaktor (DF) auf 0 stehen. Der Wert VAMPL gibt den Spitzenwert der Amplitude der Sinuskurve und VOFF den Gleichspannungsanteil an. Für die Einstellungen des eines AC Sweep erstellt man entweder ein neues Simulationsprofil oder ändert das der Transientenanalyse ab. Als erstes ändert man den Analyse Typ auf AC Sweep. Die weiteren Eintellungen sollten dann wie folgt aussehen. o logarithmischer Sweep o dekadisch o Startfrequenz = 1Hz o Stoppfrequenz = 10MHz o Punkte pro Dekade = 100 Bei dieser Simulation soll der Frequenz- und Phasengangs des Tiefpasses dargstellt werde. Dafür kann man als Messgeräte unter PSpice Markers Advanced die db Magnitude of Voltage und Phase of Voltage am Kondensator des Schaltkreises platzieren. 12 / 20

13 Danach kann die Simulation erneut gestartet werden und es müsste sich folgende Ausgabe in PROBE zu sehen sein. Dies ist die Anzeige des logarithmierten Frequenzund Phasengangs des Tiefpasses. Über diese Buttoms in der Menüleiste kann man die Achsen einstellen. Hier z.b. die Anzeige des linearen Frequenz- und Phasenganges. 13 / 20

14 Und hier die Anzeige des doppelt logarithmierten Frequenz- und Phasenganges. 3. Einrichten und Simulation des Reihenresonanzschwingkreis 3.1 RLC Schaltung zeichnen mit Capture Als nächstes soll ein Reihenresonanzschwingkreis mit folgenden Werten aufgebaut werden. o VAC = 1V o C = 10uF o L = 1nF o R = {R} 14 / 20

15 3.2 Arbeiten mit Parametern Parametrische Analyse Diese Analyse ist keine eigenständige Analyse, sondern nur eine mehrmalige Wiederholung einer der 3 Standardanalysen. Dabei wird ein Parameter der Schaltung durchvariiert und bei jedem Parameterwert wird ein Durchlauf der gewählten Standardanalyse durchgeführt. Da jeder Durchlauf eine Kurve produziert, ist das Ergebnis in Probe eine Kurvenschar. Die Datenmenge kann dadurch sehr groß werden. Für das Arbeiten mit Parametern braucht man eine spezielle Komponente Parameter. Diese bekommt man aus der Library SPEZIAL. Diese kann man über die Netlist Library add File implementieren. Dann kann man über Place Part aus der Library SPEZIAL die Komponente PARAM auswählen und auf dem Arbeitsblatt platzieren. Jetzt muss noch eine Variable im Parameter erzeugt werden. Hierzu öffnet man mit einem Doppelklick das Property-Menü des PARAMETER und erzeugt über New Column einen neuen Parameter mit dem Namen. Man kann diesem jetzt einen Startwert von R = 5 Ohm geben. Damit der Parameter R auch auf einen Widerstand zeigt, muss diesem noch der Wert {R} zugewiesen werden. 3.3 Sweepen des Frequenzganges Nachdem die Schaltung fertig aufgebaut ist, muss der Analysetyp festgelegt werde. Dazu erzeugt man eine New Simulationprofil und stellt folgende Werte ein. Als Analysetyp wählt man diesmal AC Sweep. o logarithmischer Sweep o dekadisch o Startfrequenz = 100kHz o Stoppfrequenz = 10MHz o 100 Punkte pro = Dekade 15 / 20

16 Um den Parameter noch einzustellen und die Anzahl der Kurvenscharen festzulegen, muss man bei den Options noch die Parametric Sweep einschalten. Darin müssen dann folgende Einstellungen vorgenommen werden. o Global Parameter = R o Sweep Type = Linear o Startwert = 100Ω o Endwert = 500Ω o Erhöhung = 50Ω 16 / 20

17 Jetzt kann die Analyse des Frequenzganges beginnen und muss noch der db Magnitude Messer vor dem Kondensator platzieren werden. Danach kann die Simulation gestartet werden. Als Ergebnis erhält man eine Kurvenschar mit 10 variablen Werten für den Widerstand des Schwingkreises. 17 / 20

18 4. Einrichten und Simulation des Projekts Kleinsignalverstärker In dieser Simulation soll ein Kleinsignalverstärker gebaut werden und dessen Verstärkung simuliert werden. Weiterhin soll der Einschwingvorgang in den ersten Millisekunden untersucht werden. Dafür soll der Verstärker mit den folgenden Werten nach der folgenden Schaltung aufgebaut werden. o R1 = 39k o R2 = RL = 10k o RG = 1k o RC = 270 o RE = 120 o C1 = C2 = 1uF o T = BC548B o UB = 15 V o VSIN = 10mV (Transientenanalyse) o f = 1kHz (Transientenanalyse) o VAC = 1V (AC Sweep) 4.1 Arbeiten mir Libraries Um den Transistor, der sich nicht in den Standardbibliotheken befindet zu benutzen, muss man eine EBIPOLAR Library hinzufügen. Dafür sucht man im Internet nach den beiden Dateien ebipolar.olb und ebiploar.lib oder sucht sich gleich das komplette Paket (Orcad Extra Library) in dem fast alle Bauelemente vorhanden sind. Man fügt die Library EBIPOLAR hinzu und sucht den Transistor BC548B. 18 / 20

19 4.2 Transientenanalyse Jetzt kann ein neues Analyseprofil erstellt werden. In dem soll die Transientenanalyse über die ersten 15ms untersucht werden. Die Maximum step size sollte auf einen kleinen Wert wie z.b. 10us gestellt werden, um eine gute Auflösung der Simulation zu erhalten. Unter dem Punkt Libraries im Simulationsprofil muss für die Schaltung die ebiplor.lib als globale Library hinzugefügt werden, da ansonsten das Model des Transistors bei der Simulation als undefiniert erkannt wird. Am besten kopiert man alle Extrabibliotheken mit in den Ordner der Standardbibliotheken. Jetzt müssen nur noch die Spannungsmarker am Eingang und am Ausgang (Lastwiderstand) platziert werden. Danach kann die Simulation gestartet werde und man erhält die Eingangspannung und die verstärkte Ausgangsspannung. Man erkennt das in der ersten Millisekunde der Einschwingvorgang stattfindet und die Verstärkung zwischen Eingangsspannung (grün) und Ausgangsspannung (rot) ca. den Faktor 30 beträgt Die Schaltung könnte noch auf weiter Merkmale untersucht werde, wie z.b. Frequenz- und Phasengang, Klirrfaktor oder Rauschen. 19 / 20

20 5. Shortcuts Weiter Shortcuts und mehr findet man in der Hilfen die mit der Funktionstaste F1 zu erreichen ist. o Ctrl R Rotieren der Bauteile o Shift P Plazieren der Bauteile o Shift W Verdrahtung o ESC Abbrechen einer Aktion 6. Quellen kostenloser Download der PSpice 9.1 Studentenversion kurze Einführung und einfache Schaltungen zum download Linkliste zu PSpice Seiten, Symbol Bibliotheken usw. 20 / 20