PSPICE. Einführung in die Elektroniksimulation HANSER. von Robert Heinemann. 5., aktualisierte Auflage. Lehrgang Handbuch Kochbuch

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1 PSPICE Einführung in die Elektroniksimulation von Robert Heinemann 5., aktualisierte Auflage Lehrgang Handbuch Kochbuch HANSER

2 Inhaltsverzeichnis Installation der PSPICE-Studentenversion PSPICE-Lehrgang Teil 1: Grundlagen 15 Bevor Sie mit Teil 1 beginnen: 16 Lektion 1 Zeichnen von Schaltplänen Bauteile finden und positionieren Einen Schaltplan zeichnen Attribute setzen 27 \A Die Schaltflächen von SCHEMATICS Aufgaben 34 Kochbuch 35 Lektion 2 Gleichstrom-Simulation Spannungen und Ströme in Gleichstromkreisen Aufgaben Die Ausgabedatei von PSPICE (Das Output-File) Aufgaben 52 Kochbuch 53 Lektion 3 PSPICE als Software-Oszilloskop: Die Transienten-Analyse Die Simulation Probe-Diagramme darstellen Eine zweite y-achse einfügen Schaltvorgänge Nutzung von Probe-Funktionen und -Operatoren Label setzen Aufgaben 75 Kochbuch 77 Lektion 4 Lineare Wechselstrom-Analyse: Die AC-Analyse AC-Analyse bei einer einzigen Frequenz Aufgaben 87 Kochbuch 88 Lektion 5 Frequenzgänge: Der AC-Sweep AC-Sweeps mit linearen und logarithmischen Achsenskalierungen Lineare und logarithmische Anordnung der Datenpunkte Ergebnisse aus früheren Simulationen wieder ins Probe-Fenster bringen Diagramme aus verschiedenen Simulationen gemeinsam darstellen Aufgaben 102 Kochbuch 103

3 INHALTSVERZEICHNIS Lektion 6 Einstieg in die Digital-Simulation PSPICE als statischer Logik-Analysator Dynamische Digital-Simulation: Zeitablaufdiagramme Knotenbezeichnungen in der Digital-Simulation Die Behandlung unbestimmter Schaltzeitpunkte bei PSPICE Digital-Spannungsquellen 117 Aufgaben Kochbuch 123 PSPICE-Lehrgang Teil 2: Hohe Schule 125 Bevor Sie mit Teil 2 beginnen: 126 Lektion 7 PROBE-Feinheiten Beeinflussung der äußeren Erscheinung des Probe-Fensters Farbe und Linienbreite der Probe-Diagramme ändern Das Menü VIEW zur Beeinflussung des Bildschirmaufbaus Alternative Ansichten des Bildschirminhalts (ALTERNATE VIEW) Multi-Windows-Fähigkeit von PSPICE und SCHEMATICS Marker Die y-achse skalieren Mathematische Operationen auf Simulationsergebnisse anwenden Probe-Diagramme entflechten Skalierung der x-achse Ausschnittvergrößerungen Aufgaben Der Probe-Cursor Aufgaben Die Schaltflächen des Probe-Fensters 158 Kochbuch 160 Lektion 8 Der DC-Sweep DC-Sweep: Spannungsquelle als Sweepvariable DC-Sweep: Gleichstromquelle als Sweepvariable DC-Sweep: Bauteiltemperatur als Sweepvariable DC-Sweep: Geschachtelter Sweep mit Temperatur und Modellparameter als Sweepvariablen DC-Sweep: Global Parameter als Sweepvariable Aufgaben 187 Kochbuch 188 Lektion 9 Der Parametric-Sweep Parametric-Sweep im Rahmen eines DC-Sweep Parametric-Sweep im Rahmen eines AC-Sweep Beispiel 1: RC-Tiefpass: Erzeugen der Kurvenschar U c = f(/) mit dem Widerstandswert R_Tiefpass als Parameter 198

4 10 INHALTSVERZEICHNIS Beispiel 2: RC-Tiefpass: Erzeugen der Kurvenschar U c = f(f) mit der Amplitude der Eingangsspannung als Parameter Der Parametric-Sweep in der Transienten-Analyse Faktoren als sweepbare Global-Parameter Aufgaben 213 Kochbuch 214 Lektion 10 Spezielle Analysen Die Fourier-Analyse Das Frequenzspektrum einer Rechteckspannung Frequenzspektrum der Ausgangsspannung eines Verstärkers Rauschen Performance-Analyse Hilfsmittel zur Festlegung des Arbeitspunktes Die Bias-Point-Detail-Analyse Die Transfer-Analyse Die DC-Sensitivity-Analyse Die Monte-Carlo-Analyse Die Worst-Case-Analyse Überblick über den Aufbau der Worst-Case-Analyse Ermittlung des Worst-Case eines aktiven Filters 251 Kochbuch 254 Lektion 11 Digital-Simulation 2: Feinheiten Zoom und Cursor in der Digital-Simulation Stimulierung eines Daten-Busses Anwendungen, Tipps und Tricks Asynchronzähler Asynchroner BCD-Zähler Asynchroner BCD-Zähler mit dezimaler Ausgabe Hexadezimale Darstellung von Bitkombinationen im Probe- Diagramm Programmierung von Stimulusfolgen Aufgaben Voreinstellungen der Digital-Bausteine Initialisieren von Flipflops Laufzeittoleranzen Wahl des I/O-Levels Laufzeitdarstellung an analog-digitalen Knoten 284 Kochbuch 287 Lektion 12 Digitale Worst-Case-Analyse Überlappen verschiedenartiger Ambiguity-Bereiche an getrennten Eingängen eines Bausteins: Ambiguity-Konvergenz-Hazard Kurzzeitige Fehlstellungen digitaler Zustände (Glitches) 290

5 INHALTSVERZEICHNIS Die Aufdeckung von Ambiguity-Konvergenz-Hazards und ihrer Ursachen mit Hilfe der digitalen Worst-Case-Analyse Fehlermeldungen der digitalen Worst-Case-Analyse Überlappen unterschiedlicher Ambiguity-Bereiche am selben Knoten: Cumulative-Ambiguity-Hazard Unbestimmte Zustände durch Nichteinhalten von Grenzwerten: Timing-Violations Der Hazard von Dauer: Persistent-Hazard 305 Kochbuch 308 Teil 3: Einblicke, Anwendungen, Aussichten 309 Bevor Sie mit Teil 3 beginnen: 310 Kapitel 13 Grenzen der Evaluationssoftware 311 Kapitel 14 Simulation und Messung im Vergleich 315 Kapitel 15 Anwendungen 1: Analogtechnik Analyse der hochfrequenten Störungen beim Betrieb von Thyristorbrücken Blindleistungskompensation im Dreiphasennetz Aktive Filter Minimierung des Verstärkerrauschens 329 Kapitel 16 Anwendungen 2: AD-DA-Umsetzung DA-Umsetzer mit gewichteten Widerstandswerten Digital-Analog-Umsetzer mit R-2R-Netzwerk Der Digital-Analog-Umsetzer DAC8break Analog-Digital-Umsetzung nach dem Zählverfahren AD-Umsetzung nach dem Dual-Slope-Verfahren AD-Umsetzung nach dem Wägeverfahren (SAR) AD-Umsetzung mit den Bausteinen ADCbreak 341 Teil 4: PSPICE-Simulation unter CAPTURE 343 Die OrCAD-Demoversion Die Unterschiede zwischen der OrCAD-Demoversion 10.5 und der PSPICE-Studentenversion Installation der OrCAD-Demoversion Kapitel 17 Schaltpläne zeichnen mit CAPTURE Ein neues Projekt anlegen Bauteile finden, platzieren und verdrahten Bauteilwerte editieren 356 Kapitel 18 Simulieren unter CAPTURE Simulation mit Simulationsprofilen Marker und Simulationsprofile 366

6 12 INHALTSVERZEICHNIS Anhang 369 Handbücher 369 Die Farben des Probe-Bildschirms ändern 369 PROBE: Verfügbare Funktionen und Operatoren 370 Verfügbare Bauteile 370 Die Spannungsquellen der Transienten-Analyse 375 Die Schalter aus MISC.SLB und MISC.OLB 379 Rezeptliste 381 Literaturliste 383 Index 384 Installation der PSPICE-Studentenversion 9.1 1) Vorarbeiten: Stellen Sie sicher, dass WINDOWS98 (oder höher) auf Ihrem Computer installiert ist. Schließen Sie alle Anti-Viren- und alle WINDOWS-Programme. Zur lnstallation 2) der PSPICE-Studentenversion 9.1 gehen Sie wie folgt vor: 1. Legen Sie die CD ein und öffnen Sie diese aus dem WIN DO WS-Explorer heraus. Starten Sie das Setup durch Doppelklick auf INSTALL_91STUD.BAT Das Setup- Programm läuft hoch bis zum Fenster PSPICE STUDENT SETUP. ES erscheint der Warn-Hinweis, dass zur Installation alle Antiviren-Programme ausgeschaltet werden müssen. Das haben Sie bei den Vorarbeiten bereits erledigt. Bestätigen Sie den Erhalt der Meldung durch Anklicken der Schaltfläche OK. 2. Es öffnet sich das Fenster SELECT SCHEMATIC EDITORS (vgl. Abbildung oben auf der nächsten Seite). Wählen Sie hier nur SCHEMATICS aus, indem Sie den Haken in der kleinen Schaltfläche vor CAPTURE 3) löschen und einen neuen Haken vor SCHE- MATICS setzen. Klicken Sie dann die Schaltfläche NEXT an. 1) Falls Sie auf ihrem Computer eine PSPICE-Vollversion installiert haben, gibt es keinen Grund, auch noch die Demoversion zu installieren, denn Sie können den PSPICE-Lehrgang dieses Buches natürlich auch mit einer Vollversion durchführen. Eventuell müssten Sie allerdings in Ihrer Vollversion noch den Schaltplaneditor SCHEMATICS nachinstallieren, falls Sie bisher nur CAPTURE als Schaltplaneditor installiert haben. Dazu müssen Sie das PSPICE-Setup wiederholen und dabei die Option BENUTZERDEFINIERT wählen. Die Operationen von Punkt 10 dieser Installationsanleitung müssten Sie für eine Installation in der Vollversion von Hand" durchführen. Falls Ihnen das zu mühselig ist: Sie können natürlich auch parallel zur Vollversion eine Demoversion installieren. 2) Falls Sie irgendwann die Studentenversion 9.1 deinstallieren wollen: Das Uninstall-Programm finden Sie über das Startmenü auf dem Weg START / EINSTELLUNGEN / SYSTEMSTEUERUNG / SOFTWARE / DEINSTALLIEREN. 3) Theoretisch könnten Sie auch SCHEMATICS und CAPTURE installieren. Aber: Auf der CD befindet sich eine neuere CAPTURE-Version und es ist natürlich sinnvoll, bei Bedarf die neueste Version zu verwenden. Zur Installation der neuesten CAPTURE/PSpice-Version 10.5 werden Sie im Teil 4 dieses Buches angeleitet.