PSPICE. Robert Heinemann. Einführung in die Elektroniksimulation ISBN Leseprobe

PSPICE Robert Heinemann Einführung in die Elektroniksimulation ISBN 3-446-40749-9 Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40749-9 sowie im Buchhandel

ZEICHNEN VON SCHALTPLÄNEN 1 Lektion Zum Zeichnen von Schaltplänen stehen dem Nutzer der Studentenversion und der Vollversion zwei Schaltplaneditoren zur Verfügung: SCHEMATICS und CAPTURE. Beide Editoren sind sich sehr ähnlich. Der PSPICE-Lehrgang in diesem Buch basiert auf SCHEMATICS. Am Schluss des Buches befinden sich 2 kurze Kapitel, mit deren Hilfe Ihnen bei Bedarf problemlos ein Umstieg auf CAPTURE gelingt. Bauteile 1) finden und positionieren 1.1 Bevor Sie mit der Arbeit beginnen, müssen Sie den Schaltplaneditor SCHE- MATICS aus WINDOWS (95 oder höher) heraus starten: Bild 1.1: Ausschnitt aus dem Startmenü von WINDOWS mit markiertem Suchweg zum Schaltplaneditor SCHEMATICS Aktivieren Sie den Schaltplaneditor aus dem WINDOWS-Startmenü heraus (Bild 1.1) durch einfaches Anklicken des Namens SCHEMATICS mit der Maus. Wenn in diesem Lehrgang nichts anderes vermerkt ist, dann werden Mausaktionen immer mit der linken Maustaste ausgeführt. 1.1 Sie sehen oben im SCHEMATICS-Fenster (Bild 1.2) eine Menüleiste (von FILE bis HELP). Die wichtigsten Menüs werden Sie im Laufe dieses PSPICE- Lehrgangs kennen lernen. Unterhalb der Menüleiste befindet sich eine Werkzeugleiste mit einer Reihe von Schaltflächen, deren einfaches Anklicken die am häufigsten vorkommenden Menübefehle aktiviert. Die ganz linke 1) Dieses Buch verwendet die Begriffe Bauteile und Bauelemente auch dann, wenn eigentlich deren Schaltzeichen mit den zugehörigen Simulationsmodellen gemeint sind.

18 PSPICE-LEHRGANG TEIL 1: GRUNDLAGEN Schaltfläche 1) entspricht zum Beispiel dem Befehl NEW aus dem Menü FILE, d.h. dem Befehl zum Anlegen eines neuen Arbeitsblattes für einen Schaltplan. Eine Zusammenstellung der SCHEMATICS-Schaltflächen und der zugehörigen Menübefehle finden Sie im Abschnitt 1.4 dieser Lektion. Ganz unten in der Taskleiste Ihres Bildschirms befinden sich vier Schaltflächen, mit denen Sie zwischen dem DESIGN MANAGER, der APPLICATION BRIDGE, dem MESSAGE VIEWER und SCHEMATICS hin- und herschalten können. Die Schaltflächen APPLICATION BRIDGE 2) und DESIGN MANAGER 3) haben für die Arbeit mit diesem Buch keine Bedeutung. Der MESSAGE VIEWER öffnet sich automatisch, wenn PSPICE Meldungen für Sie erstellt hat. Bild 1.2: Die Arbeitsfläche des Schaltplaneditors SCHEMATICS nach dem Start 1.2 1.3 Übungen: Legen Sie ein neues Arbeitsblatt an, indem Sie im Menü FILE die Option NEW aktivieren oder indem Sie die zugehörige Schaltfläche mit der Maus anklicken: Öffnen Sie das Fenster zum Neuspeichern einer Datei (FILE/SAVE AS..) und Speichern Sie Ihr zur Zeit noch leeres Arbeitsblatt unter dem Namen UEB.SCH im Ordner SCHEMATICS_PROJECTS (Laufwerk:\ PROGRAM 1) Die Anordnung der Schaltflächen ist abhängig von der Bildschirmauflösung des Monitors. Sie können deshalb auf Ihrem Bildschirm u.u. anders angeordnet sein. Die Schaltflächen lassen sich, nach Anklicken der etwas breiteren grauen Flächen der Schaltflächenleiste, gruppenweise verschieben. 2) Die APPLICATION BRIDGE ist eine Brücke die den Schaltplaneditor SCHEMATICS mit dem Simulator PSPICE verbindet. Sie öffnet und schließt sich automatisch. 3) Der DESIGN MANAGER gibt einen Überblick über den Entwicklungstand einer Schaltung (Design). Zum Schließen des Design-Managers nach Abschluss Ihrer Arbeit erhalten Sie in 1.34 eine Anleitung.

LEKTION 1: ZEICHNEN VON SCHALTPLÄNEN 19 FILES \ ORCAD_DEMO \ SCHEMATICS_ PROJECTS) (vgl. Bild 1.3). Sie dürfen im Feld DATEINAME nur UEB 1) eingeben. Der Zusatz.SCH wird automatisch ergänzt. Nach Anklicken von SPEICHERN finden Sie den Namen der Schaltung in der Titelleiste oben auf Ihrem Arbeitsblatt (Bild 1.4): Bild 1.3: Das Fenster SPEICHERN UNTER zum erstmaligen Speichern einer bis dahin noch namenlosen Datei Bild 1.4: Arbeitsfläche von SCHEMATICS nach dem Speichern des Arbeitsblattes unter dem Namen UEB.SCH. Der Dateiname steht in der obersten Fensterleiste Als Nächstes werden Sie den Schaltplan einer Reihenschaltung aus 2 Widerständen zeichnen. Dazu müssen Sie auf den nachfolgenden Seiten 1) Für die Dateinamen sind Umlaute verboten. Die versteht PSPICE nicht.

20 PSPICE-LEHRGANG TEIL 1: GRUNDLAGEN Schritt für Schritt lernen, die gewünschten Schaltzeichen aus den Bibliotheken auf das Arbeitsblatt zu holen und an der gewünschten Stelle zu positionieren, den einzelnen Schaltzeichen die gewünschten Attribute zu geben, also z. B. den Widerständen die gewünschten Widerstandswerte zuzuordnen, Ihre Schaltung korrekt zu verdrahten 1). Bild 1.5: Schaltplan einer Reihenschaltung aus R v und R L, dessen Erstellung auf den nachfolgenden Seiten erlernt werden soll Schaltzeichen speichert SCHEMATICS nach Typen geordnet in so genannten Bibliotheken (Libraries). Schaltzeichen für Widerstände, Kondensatoren und Spulen befinden sich z.b. in der Bibliothek ANALOG.SLB, Spannungsquellen finden Sie in der Bibliothek SOURCE.SLB. Als Erstes werden Sie einen Widerstand aus der Bibliothek ANALOG.SLB holen und auf der Zeichenfläche platzieren: 1.4 Öffnen Sie das Menü DRAW (Bild 1.6) und aktivieren Sie darin GET NEW PART... Es öffnet sich daraufhin das Fenster PART BROWSER BASIC oder das Fenster PART BROWSER ADVANCED (Bild 1.7 und Bild 1.8). 1) In Bild 1.5 ist zu Ihrer Orientierung die fertige Schaltung dargestellt. Aber: Hüten Sie sich davor, jetzt auf eigene Faust loszulegen, Sie würden das bereuen. In den nachfolgenden 30 en werden Sie Schritt für Schritt angeleitet, die Schaltung von Bild 1.5 perfekt zu erstellen. Dabei werden Sie sämtliche Kenntnisse erwerben, die für einen erfolgreichen Schaltungsentwurf mit SCHEMATICS erforderlich sind.

LEKTION 1: ZEICHNEN VON SCHALTPLÄNEN 21 Bild 1.6: Der Inhalt des Menüs DRAW Mit den Schaltflächen <<BASIC bzw. ADVANCED>> können Sie zwischen diesen beiden Auffindhilfen für Bauteile (Browser) hin und her schalten. Probieren Sie das aus: 1.5 Bild 1.7: PART BROWSER BASIC Bild 1.8: PART BROWSER ADVANCED Öffnen Sie das Fenster LIBRARY BROWSER (Bild 1.9) durch Anklicken der Schaltfläche LIBRARIES... in einem beliebigen der beiden Part-Browser. Aktivieren Sie dann im rechten Teil von LIBRARY BROWSER die Bibliothek ANALOG.SLB durch Anklicken des Namens ANALOG.SLB. Innerhalb des linken Fensterteils, der mit PART überschrieben ist, wird nun der Inhalt dieser Bibliothek angezeigt. Wählen Sie R an und kehren Sie durch Anklicken der Schaltfläche OK zurück zum Part-Browser. 1.6

22 PSPICE-LEHRGANG TEIL 1: GRUNDLAGEN Bild 1.9: Das Fenster LIBRARY BROWSER 1.7 Schließen Sie den Part-Browser durch Anklicken der Schaltfläche CLOSE. Das Schaltzeichen des Widerstands erscheint jetzt auf der Arbeitsfläche. Mit jedem Mausklick können Sie ein weiteres Symbol positionieren (Bild 1.10). Der Positioniermodus wird durch einen rechten Mausklick beendet. Bild 1.10: Die Arbeitsfläche von SCHEMATICS mit neun nacheinander platzierten Widerständen. Die Bauteile werden von SCHEMATICS automatisch durchnummeriert Der zuletzt positionierte Widerstand ist rot markiert. Eine Markierung bewirkt, dass die nachfolgenden Befehle auf das markierte Teil bezogen werden 1). 1) Ein Bauteil oder Attribut kann nur dann verändert (verschoben, gelöscht, kopiert, im Wert modifiziert etc.) werden, wenn es vorher durch Mausklick markiert wurde. Markierte Bauteile werden von SCHEMATICS rot gezeichnet, markierte Bauteilnamen und -werte (Attribute) werden mit einem schwarzen Kasten umrahmt.

LEKTION 1: ZEICHNEN VON SCHALTPLÄNEN Probieren Sie das aus, indem Sie den markierten Widerstand löschen (Drücken der Taste <Entf> oder Aktivieren von CUT aus dem Menü EDIT). Wenn Sie beim Markieren die Umschalttaste <Shift> gedrückt halten, dann können Sie nacheinander mehrere Elemente markieren. Dieses allgemeine WINDOWS-Prinzip lässt sich auch zum Markieren mehrerer Attribute, Namen, etc anwenden. Durch Aufziehen eines Rahmens lässt sich der gesamte Inhalt einer rechteckigen Region markieren. Dazu klicken Sie in die linke obere Ecke der gewünschten Region und ziehen die Maus mit gedrückter Maustaste in die rechte untere Ecke. Übungen: Markieren Sie einen Widerstand durch Anklicken mit der Maus und probieren Sie aus, wie man durch Ziehen bei gedrückter Maustaste einen markierten Widerstand auf der Zeichenfläche verschieben kann. Löschen Sie alle Widerstände und laden Sie zur Übung erneut einige Widerstände / Kondensatoren / Spulen aus der Bibliothek ANALOG.SLB. Laden Sie erneut das Widerstandssymbol, positionieren Sie den Widerstand aber dieses Mal mit gedrückter Tastenkombination <Strg> und <r>. Merke: r steht dabei für rotate. Positionieren Sie auf diese Weise auch einige Spulen und Kondensatoren. Fehler können Sie mit Hilfe der Schaltflächen UNDO/REDO korrigieren: Positionieren Sie auf Ihrem Arbeitsblatt zusätzlich noch einige Exemplare des Transistors BC 548 B aus der Bibliothek MISC.SLB. Erproben Sie die Wirkung der Tastenkombination <Strg> und <f> beim Positionieren von Transistoren (der Buchstabe f steht dabei für flip): 23 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 Bild 1.11: Die Arbeitsfläche von SCHEMATICS mit verschiedenen Schaltzeichen

24 PSPICE-LEHRGANG TEIL 1: GRUNDLAGEN 1.13 Stellen Sie sich jetzt eine leere Arbeitsfläche her, indem Sie alle Symbole löschen. SCHEMATICS behält manchmal Löschspuren auf dem Bildschirm zurück. Dagegen gibt es eine Auffrischungsfunktion zum Regenerieren des Bildschirms: VIEW/REDRAW. Durch Anklicken der Schaltfläche mit dem blaugelben Kosmetikpinsel erreichen Sie das Gleiche. 1) 1.2 1.14 Einen Schaltplan zeichnen 2) Nach den Vorbereitungen des Abschnitts 1.1 kommen Sie jetzt zur Ausführung der Aufgabe, die Ihnen zu Beginn der Lektion gestellt wurde, nämlich zum Zeichnen des Schaltplans der Reihenschaltung zweier Widerstände: Bringen Sie zwei Widerstände in richtiger Position auf Ihr Zeichenblatt. Ergänzen Sie Ihre Zeichnung durch eine Gleichspannungsquelle VDC (Voltage Source Direct Current) aus der Bibliothek SOURCE.SLB 3) : Bild 1.12: Reihenschaltung aus zwei Widerständen. Die Verdrahtung fehlt noch 1) Unter WINDOWS-XP können diese Löschspuren extrem werden. Dann müssen Sie in der Systemsteuerung unter Anzeige/Darstellung/Effekte... die Option KANTENGLÄTTEN VON BILDSCHIRMSCHRIFTEN deaktivieren. 2) Die blauen Markierungen, die sich als Rand (PAGE BOUNDARY) um die Zeichenfläche herum befinden (vgl. Bild 1.11), erleichtern die Orientierung bei sehr großen Schaltungen. Zur Zeit stören sie nur. Wenn Sie die Markierungen ausschalten wollen, wie es in Bild 1.12 geschehen ist, dann gehen Sie wie folgt vor: Öffnen Sie das Menü OPTIONS und wählen sie die Option DISPLAY PREFERENCES.... Es öffnet sich das Fenster DISPLAY PREFERENCES. Markieren Sie im linken Fensterteil PAGE BOUNDARY. Die beiden Kästchen DISPLAY und PRINT sind mit Haken versehen. Klicken Sie diese Haken an, um sie dadurch zu löschen. Anzeige (Display) und Druck (Print) der Umrahmung wird dadurch verhindert. Verlassen Sie das Fenster DISPLAY PREFERENCES durch Anklicken der Schaltfläche OK. 3) Sollte Ihnen das verwendete Schaltzeichen für die Gleichspannungquelle nicht behagen, dann können Sie auch das Batteriesymbol wählen. Es heißt Vbatt, befindet sich in der Bibliothek SOURCE.SLB und ist bezüglich der Simulation identisch mit VDC.

LEKTION 1: ZEICHNEN VON SCHALTPLÄNEN 25 Zum Verdrahten der Schaltung (Bild 1.12) gehen Sie wie folgt vor: 1. Aktivieren Sie im Menü DRAW die Option WIRE oder klicken Sie die linke der beiden Schaltflächen, auf denen ein Bleistift dargestellt ist, mit der Maus an. Der Cursor verwandelt sich daraufhin in einen Bleistift. Durch einen rechten Mausklick wird der Verdrahtungsmodus beendet. Probieren Sie das Ein- und Ausschalten des Bleistift-Cursors aus. 2. Klicken Sie mit dem Bleistift-Cursor den oberen Anschluss der Spannungsquelle an und bewegen Sie den Cursor nach oben, bis zu der Stelle, an der die Leitung nach rechts abknicken soll. Führen Sie die Maus von der Knickstelle nach rechts bis zum linken Anschluss des Widerstands. Klicken Sie den Widerstandsanschluss an. Die erste Leitung ist fertig. 3. Bewegen Sie den Bleistift-Cursor jetzt an den rechten Anschluss des oberen Widerstands und verankern Sie die nächste Leitung durch einen linken Mausklick. Führen Sie die Maus nach rechts, bis zu der nächsten Knickstelle und dann nach unten zum Anschluss des Widerstands. Beenden Sie die Leitung durch einen linken Mausklick. 4. Zeichnen Sie jetzt die letzte Leitung. Sie können dabei nichts falsch machen, denn jeder Fehler lässt sich leicht korrigieren: Markieren Sie dazu die falsch verlegte Leitung (Anklicken mit der Maus, nachdem vorher durch Rechtsklick der Verdrahtungsmodus beendet wurde) und betätigen Sie dann die Löschtaste. 5. Wollen Sie eine Leitung mit mehr als einem Knick verlegen, dann müssen Sie vom zweiten Knick an die Knickstellen durch einfachen Mausklick festlegen. Probieren Sie das aus. 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 Ihre Schaltung sollte nach Abschluss der Verdrahtung ungefähr so wie die in Bild 1.13 aussehen 1). 1) Kleiner Exkurs: Bei Ihren Verdrahtungsexperimenten haben Sie festgestellt, dass sich die Leitungen nur auf dem Gitterraster des Schaltplans und nur waagerecht oder senkrecht verlegen lassen. Das ist so auch fast immer vorteilhaft und dass SCHEMATICS Ihnen die Arbeit mit der Wasserwaage abnimmt, ist ein angenehmer Luxus. In seltenen Fällen wollen Sie aber auch Leitungen verlegen, die weder waagerecht noch senkrecht sind. Dann können Sie den Orthogonal-Modus ausschalten. Öffnen Sie dazu das Menü OPTIONS und darin DISPLAY OPTIONS... Es öffnet sich das Fenster DISPLAY OPTIONS. Sie erkennen an der kleinen Markierungsfläche vor ORTHOGONAL, dass der Orthogonal-Modus aktiv ist. Deaktivieren Sie den Orthogonal-Modus und zeichnen Sie eine schräge Leitung. Vergessen Sie nicht, den Orthogonal-Modus zum Schluss wieder einzuschalten. Registrieren Sie, dass im Fenster DISPLAY OPTIONS auch die Anzeige der Punkte des Gitterrasters (GRID ON) aus- und eingeschaltet werden kann. Achtung: Die übrigen Einstellungen des Fensters Display Options sollten Sie nur dann ausprobieren, wenn Sie sich vorher über die einzelnen Funktionen gut unterrichtet haben, denn Sie können hier schwerwiegende Fehlfunktionen verursachen.

26 PSPICE-LEHRGANG TEIL 1: GRUNDLAGEN Bild 1.13: Reihenschaltung aus zwei Widerständen. Das Massezeichen fehlt noch 1.20 Jetzt fehlt Ihrem Schaltplan noch das Massezeichen. Das finden Sie unter dem Namen AGND (Analog Ground) in der Bibliothek PORT.SLB. Setzen Sie das Massezeichen 1) und bringen Sie damit Ihren Schaltplan einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen zu einem vorläufigen Abschluss (Bild 1.14). Bild 1.14: Reihenschaltung aus zwei Widerständen 1) Einer der beliebtesten Fehler bei der Arbeit mit PSPICE ist das Vergessen des Massezeichens. Auf den Massepunkt, das Bezugspotenzial, werden alle Berechnungen bezogen. Ohne Massezeichen funktioniert keine Simulation!